Газовая сварка и наплавка стальных деталей. Заварка трещин

Для газопламенной обработки металлов применяют различные горючие газы и жидкости. При их сжигании в смеси с воздухом температура пламени обычно не превышает 1800…2000 °С. При газовой сварке большинства металлов требуется, чтобы температура газосварочного пламени была не ниже 3000 °С. Для повышения температуры пламени горючих газов их сжигание производится в смеси с технически чистым кислородом.

В качестве горючих газов в основном используют ацетилен (С₂Н₂) и пропан (С₃Н₆). От того, какой горючий газ и в какой пропорции он будет смешан с кислородом, зависят характер пламени, его температура и свойства. Различают три вида пламени.

Рис. 1. Схема газового пламени: 1 – ядро пламени; 2 – рабочая зона; 3 – факел

1. Нормальное пламя – не вызывает окисления или насыщения углеродом металла и способствует раскислению металла. Пламя состоит из ядра 1, восстановительной или рабочей зоны 2 и факела 3 (рис. 1). Ядро пламени — ярко светящаяся часть, состоящая из смеси кислорода с ацетиленом, начинающим гореть. Плавление металла ядром пламени недопустимо, потому что в составе ядра имеются кислород и свободный углерод, которые будут переходить в металл, окисляя его и насыщая углеродом. Восстановительная или рабочая зона представляет собой прозрачный ободок вокруг ядра и состоит из смеси продуктов частичного сгорания газа. Продукты частичного сгорания газа являются восстановителями по отношению к окислам большинства металлов. В связи с этим зона, называемая восстановительной, является и рабочей зоной. Она же обладает наивысшей температурой из всех участков пламени, и ею производят плавление металла. В факеле пламени происходит полное догорание горючего газа за счет кислорода, поступающего из воздуха. Нагревать металл при сварке факелом пламени недопустимо в связи с окислением металла, а также из-за низкой температуры факела пламени.

1. Окислительное пламя – получается при избытке кислорода в смеси. Оно вызывает окисление металла. Окислительное пламя отличается укороченным ядром синеватого цвета, имеющим остроконечную форму, укороченным факелом, рабочая зона почти не заметна.
2. Науглероживающее пламя – получается при избытке ацетилена в газовой смеси. При плавлении стали таким пламенем углерод из продуктов пламени переходит в металл. Науглероженный металл обладает повышенной твердостью и хрупкостью. Пламя отличается увеличенными размерами факела и ядра. Рабочая зона размыта и практически незаметна. В технике газопламенной обработки металлов обычно применяется нормальное пламя, но иногда рекомендуется слегка науглероживающее или слегка окислительное пламя.

1. Газовая сварка малоуглеродистой стали

Технология газовой сварки малоуглеродистой стали включает следующие операции.

1. Подготовка кромок металла под сварку:

• кромки под сварку подготавливаются в зависимости от толщины свариваемого металла, вида соединения и метода сварки. Перед сваркой кромки должны быть очищены от всех загрязнений на ширину 4…5 мм от оси шва. Стыковые соединения металла толщиной менее 2 мм сваривают без разделки кромок или с отбортовкой кромок. При толщине металла 2…5 мм делают скос одной из кромок; при толщине металла 5…15 мм делают разделку кромок V-образной формы; при толщине металла более 15 мм ведут двустороннюю сварку с Х-образной разделкой кромок.

2. Подбор сварочной (присадочной) проволоки:

• диаметр проволоки для газовой сварки подбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки по следующим формулам:

1. для левого способа сварки d = δ/2 + 1 мм;
2. для правого способа сварки d = δ/2, где δ – толщина свариваемого материала в миллиметрах.

Сварочная проволока выбирается в зависимости от марки свариваемого металла. Для сварки стали марок СтО…Ст15 выбирается проволока марки Св-08 или Св-15. Для сварки стали марок Ст15… Ст25 применяется проволока Св-08А или Св-08ГА.

3. Подбор мощности горелки (наконечника):

• мощность наконечника горелки подбирается в зависимости от толщины свариваемых кромок и метода сварки. В общем случае расход горючего газа определяется по формуле

А = К × δ,

где К – удельный расход газа на 1 мм толщины металла (справочные данные); δ – толщина металла в миллиметрах.

4. Управление горелкой:

• перед зажиганием горелки при помощи редуктора устанавливается необходимое рабочее давление кислорода. Сначала немного открывается кислородный вентиль на горелке, затем ацетиленовый и конец мундштука горелки подносится к пламени. После воспламенения смеси регулируют пламя до получения пламени нормального характера, руководствуясь его внешним видом. В процессе выполнения шва горелкой производят равномерное и непрерывное поступательное и колебательное движения, при этом факел пламени всегда должен оставаться параллельным оси шва.

Применяются два различных способа ручной газовой сварки: распространенный «левый» способ и менее распространенный – «правый» способ. При «левом» способе сварка ведется справа налево (рис. 2).

Рис. 2. Левый способ сварки

Впереди подается пруток присадочного металла, за ним следует горелка, пламя направлено под углом к поверхности металла в сторону еще не заваренного шва.

Рис. 3. Правый способ сварки

При «правом» способе сварка ведется слева направо (рис. 3). Впереди передвигают горелку, за ней подают пруток присадочного металла. Пламя направлено назад на уже заваренный шов. «Правый» способ целесообразен в том случае, когда толщина свариваемого металла более 5 мм.

5. Подача сварочной проволоки – осуществляется под углом около 45°. При сварке металла толщиной свыше 1,5 мм конец сварочного прутка остается погруженным в сварочный металл во избежание окисления. При сварке металла толщиной более 5 мм сварочной проволокой производят колебательные движения в сторону, противоположную движению горелки.

Перед сваркой производится прихватка свариваемых кромок, которую выполняют от середины шва к краям. После сварки изделия из малоуглеродистой стали последующей термообработке не подвергаются, так как ее влияние на качество малоуглеродистой стали невелико.

2. Газовая сварка среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали

Основные затруднения при сварке

1. Происходит кипение сварочной ванны.
2. Металл закаливается в зоне шва, и образуются трещины в шве и околошовной зоне (ОШЗ).

Особенности сварки

1. Мощность горелки для сварки подбирается несколько меньшая, чем при сварке малоуглеродистой стали.
2. Рекомендуется применять флюс, особенно для сварки высокоуглеродистой стали (50 % NаСО3, 50 % Nа2СО3).
3. Перед сваркой заготовки рекомендуется отжигать.
4. Сварку следует выполнять с общим предварительным подогревом изделия, не допускаются перегрев и кипение сварочной ванны.
5. После сварки необходимо обеспечить наиболее замедленное охлаждение сварного соединения (укрывание песком, асбестом).
6. Во всех случаях сварки среднеи высокоуглеродистой стали рекомендуется последующая термическая обработка в виде отжига, нормализации или закалки с высоким отпуском.

3. Сварка легированной стали

Основные затруднения

1. Металл закаливается, и образуются трещины в шве и ОШЗ тем больше, чем больше в составе стали углерода и легирующих добавок.
2. Происходит выгорание из расплавленного металла легирующих элементов.

Особенности сварки

1. Необходимо постепенно нагревать металл в месте начала шва.
2. Накладывать швы следует с максимально возможной скоростью, не допуская перегрева металла.
3. В месте окончания шва осуществлять медленный, постепенный отвод пламени, образуя усиление в конце шва, а также обогревая увеличенную площадь металла.
4. Не допускать сварку металла при низких температурах. Обеспечивать медленное охлаждение сварного соединения.
5. Перед сваркой заготовки должны быть в отожженном состоянии.

4. Сварка высоколегированной и инструментальной стали

Основные затруднения при сварке

1. Образуются трещины в сварных швах вследствие сильной закаливаемости металла на воздухе.
2. Получаются швы с большой химической неоднородностью.

Особенности сварки

1. Заготовки перед сваркой должны быть в отожженном состоянии и тщательно очищены.
2. Заготовки перед сваркой должны подогреваться до температуры 250…300 °С.
3. При сварке должен обязательно применяться флюс.
4. Пламя должно быть с небольшим избытком ацетилена.
5. После сварки изделия в горячем состоянии необходимо помещать в печь для отжига.

Кроме различных сталей пламенем газовой горелки можно сваривать чугун, медь, латунь, бронзу. Широкое распространение газовое пламя нашло при ремонтной сварке чугуна, для наплавки, а также для пайки различных металлов. Газовое пламя может обеспечивать процесс разъединения металлов или газокислородную резку.

5. Заварка трещин

При заварке трещин необходимо предварительно на их концах просверлить отверстия сверлом диаметром 5…8 мм (рис. 4), для того чтобы при нагреве трещина не распространялась дальше (в деталях из малоуглеродистой стали концы

трещин можно не сверлить).

Рис. 4. Схема заварки коротких (а) и длинных (б) трещин

Конец трещины легко обнаруживается при снятии зубилом тонкой стружки. Если стружка не раздваивается, то это указывает на то, что трещины в данном месте нет.

При толщине металла более 5…6 мм трещину разделывают в зависимости от толщины с одной или двух сторон. Трещина заваривается от середины к краям. Если трещина имеет длину более 500 мм, то сварку целесообразно вести обратноступенчатым способом участками длиной 150…200 мм (рис. 4, б). Кромки трещины перед сваркой должны быть зачищены до металлического блеска.

Приемы заварки трещины зависят от конфигурации детали и ее характера. Трещины длиной до 200 мм можно сваривать без прихваток. При длинных трещинах требуется простановка прихваток, чтобы при сварке не уменьшался зазор между кромками разделанной трещины.

Рис. 5. Схема заварки трещины с расклиниванием

Иногда прихватки заменяют расклиниванием. Для этого в трещину посередине загоняют клин (рис. 5), вследствие чего она раздается. Трещину заваривают от каждого конца к клину. После этого клин выбивают и заваривают оставшийся участок. Если трещина выходит на край кромки детали, то сварку начинают от точки 1 и ведут к точке 2 (рис. 6). Затем заваривают оставшийся участок

2–3 от точки 3 к точке 2. Расстояние между точками 2 и 3 должно быть равно примерно 1/3 общей длины трещины. Небольшие трещины на тонком металле, например на крыле автомобиля, могут завариваться в одном направлении. При заварке крыла автомобиля после наложения небольшого участка шва производится проковка его с целью сохранения профиля крыла.

Рис. 6. Схема заварки трещины на крыле автомобиля

При заварке трещин на изделиях с малой толщиной листа (0,8…1,2 мм) колебательных движений горелкой и проволокой не делают.

6. Вварка заплат

При постановке заплат необходимо, чтобы материал заплаты соответствовал основному металлу по толщине и марке стали; углы отверстия и заплаты должны быть закруглены, так как при вварке заплат с острыми углами возникают трещины, начинающиеся от углов.

В основном металле и в заплате делают требуемый скос кромок. Размер заплаты берется таким, чтобы получить соответствующий зазор.

Кромки очищаются от ржавчины и грязи. После пригонки заплата закрепляется прихватками через каждые 200…250 мм. Сварка производится в порядке, указанном на рис. 7. Заплате придают выпуклую форму. Во время сварки такая заплата будет свободно деформироваться. После сварки нагретую заплату ударами молотка выправляют. Это предупреждает образование трещин от усадки при остывании металла шва.

Рис. 7. Схема вварки заплат