Интеллектуальные развлечения. Интересные иллюзии, логические игры и загадки.

Добро пожаловать В МИР ЗАГАДОК, ОПТИЧЕСКИХ
ИЛЛЮЗИЙ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ РАЗВЛЕЧЕНИЙ
Стоит ли доверять всему, что вы видите? Можно ли увидеть то, что никто не видел? Правда ли, что неподвижные предметы могут двигаться? Почему взрослые и дети видят один и тот же предмет по разному? На этом сайте вы найдете ответы на эти и многие другие вопросы.

Log-in.ru© - мир необычных и интеллектуальных развлечений. Интересные оптические иллюзии, обманы зрения, логические флеш-игры.

Привет! Хочешь стать одним из нас? Определись…    
Если ты уже один из нас, то вход тут.

 

 

Амнезия?   Я новичок 
Это факт...

Интересно

Самый маленький из известных науке динозавров был ростом 4 дюйма и весил меньше чихуахуа.

Еще   [X]

 0 

Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка (Подольский Юрий)



Год издания: 2013

Цена: 100 руб.



С книгой «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» также читают:

Предпросмотр книги «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»

Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка

   Книга познакомит вас с основными видами сварочных работ и техникой их выполнения. В ней рассмотрены особенности сварки различных материалов, необходимые инструменты и принадлежности, а также правила техники безопасности при сварочных работах. Кроме того, мастера-любители смогут самостоятельно изготовить современный сварочный аппарат по приведенным в книге расчетам.


Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка Составитель Юрий Подольский

Введение


   Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления, упрочнения и ремонта строительных конструкций, трубопроводов, машин и механизмов, транспортных средств и прочих промышленных и бытовых изделий. Использование технологических приемов сварки очень эффективно и при резке металлов. Исторически сварка известна человечеству со времен использования меди, серебра, золота и особенно железа, при получении которого выполняли проковку, т. е. сваривание криц (кусочков технически чистого железа). Это и есть первый (и до недавнего времени основной) способ сварки – кузнечная сварка металла.
   Газовая сварка появилась в конце XIX века после разработки промышленного способа производства карбида кальция путем спекания кокса с негашеной известью (1893–1895). Из карбида легко получается горючий газ – ацетилен, который и применяется при газовой сварке. Первые газовые горелки появились в 1900 г., а с 1906 г. ацетиленокислородная сварка получила промышленное применение. До 1950 г. газосварка называлась автогенной – по названию процесса автоматической генерации, т. е. получения ацетилена из карбида кальция при взаимодействии с водой в газогенераторе. До настоящего времени она применяется весьма широко как в производстве, так и при ремонте металлоизделий, а в ряде случаев является и единственно возможным способом сварки.
   Наиболее же распространена в производстве и в быту электродуговая сварка – отечественное, кстати, изобретение. Впервые электрический дуговой разряд был выявлен профессором физики Петербургской медико-хирургической академии Василием Владимировичем Петровым в 1802 г. Через 80 лет (в 1882 г.) российский инженер Николай Николаевич Бенардос, работая со свинцовыми аккумуляторными батареями, открыл способ сварки неплавящим угольным электродом. Он же освоил технологию сварки свинцовых пластин, разработал способы сварки металла в среде защитного газа и электродуговой резки металла. Бенардос назвал свое изобретение «Электрогефест». В греческой мифологии бог Гефест – покровитель кузнецов, и этим названием ученый объединил наследие античных мастеров кузнечной сварки с новейшими технологическими достижениями и открытиями.
   В 1888 г. другой российский инженер Николай Гаврилович Славянов разработал способ сварки плавящим электродом. Дальнейшую работу по разработке сварочных методик Славянов и Бенардос выполняли вместе. С 1890 по 1892 г. по их технологии в Российской империи было отремонтировано с высоким качеством 1631 изделие общим весом свыше 17 тыс. пудов, в основном чугунные и бронзовые детали. Они даже разработали проект ремонта Царь-колокола, но «благодаря» высочайшему запрету это чудо литейного искусства так ни разу и не зазвонило. Известный мостостроитель академик Евгений Оскарович Патон, предвидя огромную роль электросварки в мостостроении и в других отраслях хозяйства, в 1929 г. резко сменил поле своей научной деятельности и организовал в Киеве сначала лабораторию, а позднее первый в мире институт электросварки. Им было разработано и предложено много новых и эффективных технологических процессов электросварки. В годы войны под его руководством были разработаны технология и автоматические стенды для сварки под слоем флюса башен и корпусов танков, самоходных орудий, авиабомб.
   В настоящее время широкое развитие получили такие способы сварки, как плазменная и электронно-лучевая, контактная и электрошлаковая, сварка под водой и в космосе, порошковыми материалами и др. Многие из них были разработаны именно в Институте электросварки имени Е. О. Патона.

Основы теории сварочных процессов


   Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Именно так определяет сварку ГОСТ 2601-84. Это определение относится к металлам, неметаллическим материалам (пластмассы, стекло и т. д.) и к их сочетаниям.

Классификация видов сварки

   Сварка металлов, согласно ГОСТ 19521-74, классифицируется по основным физическим, техническим и технологическим признакам.
   Физические признаки, в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, подразделяются на три класса: термический (плавление с использованием тепловой энергии), термомеханический (использование тепловой энергии и давления) и механический (сварка при помощи механической энергии и давления). К техническим признакам относятся: способ защиты металла в сварочной зоне, непрерывность сварки и степень механизации процесса. Технологические признаки установлены для каждого способа сварки отдельно.
   К механическому классу относят сварку взрывом, при которой атомы свариваемых изделий сближаются за счет энергии, выделяемой при взрыве; холодную сварку пластической деформацией свариваемых металлов в зоне стыка под воздействием механического усилия и ультразвуковую сварку – соединение металлов энергией ультразвуковых колебаний.
   Термомеханический класс содержит больше видов. Диффузионная сварка осуществляется за счет взаимного проникновения атомов свариваемых изделий (диффузии) при повышенной температуре в вакуумной установке.
   Сварка высокочастотными токами осуществляется благодаря пластическому деформированию свариваемых изделий, предварительно нагретых высокочастотным током, проходящим между ними. При сварке трением сближают торцы вращающихся вокруг своих осей заготовок; от трения друг о друга торцы деталей сильно разогреваются, а при остановке вращения под большим давлением образуется качественное неразъемное соединение.
   К термомеханическому классу относятся и разновидности контактной сварки.
   Стыковую контактную сварку непрерывным оплавлением применяют для соединения заготовок сечением до 0,1 м. Типичными изделиями являются элементы трубчатых конструкций, колеса, рельсы, железобетонная арматура, листы, трубы. Плавление током металла ведется в постоянном или периодическом режиме, одновременно со сближением заготовок, которые в процессе оплавления укорачиваются на заданный припуск. При рельефной контактной сварке на заготовках предварительно создают рельефы – локальные возвышения на поверхности размером несколько миллиметров в диаметре. При контактной сварке таких деталей рельефы расплавляются проходящим через них сварочным током, выдавливаются оксиды и загрязнения.
   Ввиду сложной технологии и необходимости использования дорогого оборудования вышеописанные виды сварки получили исключительно промышленное применение. Из видов этого класса в кустарном производстве применяются кузнечная и точечная контактная сварки. При точечной сварке детали зажимают в электродах сварочной машины или специальных сварочных клещах. После этого между электродами начинает протекать большой ток, который разогревает металл деталей в месте их контакта до температур плавления. Затем ток отключается и осуществляется «проковка» за счет увеличения силы сжатия электродов. Металл кристаллизуется при сжатых электродах, образуя сварное соединение[1]. Кузнечная сварка осуществляется за счет возникновения в раскаленном металле межатомных связей при пластическом деформировании ковочным молотом. В настоящее время в промышленности практически не используется, но применяется в мелкосерийном и кустарном производстве[2].
   Термический класс, как и термомеханический, тоже богат сложными промышленными видами. Так, при электрошлаковой сварке источником теплоты служит специальный флюс, разогревающийся проходящим через него электрическим током и при этом расплавляющий кромки свариваемых деталей и присадочную проволоку. Экзотермическая (термитная) сварка для нагрева металла использует расплавленный термит – порошкообразную смесь металлического алюминия или магния и железной окалины. Для плазменной сварки источником теплоты является плазменная струя, получаемая при ионизации рабочего газа в промежутке между электродами, одним из которых может быть само свариваемое изделие. Электронно-лучевая сварка ведется в вакуумных камерах электронным лучом, получаемым за счет термоэлектронной эмиссии с катода электронной пушки. При лазерной сварке источником теплоты служит мощный лазерный луч.
   В то же время именно к этому классу относятся газосварка и дуговая электросварка, чаще всего применяемые в быту и мелкосерийном производстве. Они и будут рассмотрены в данной книге наиболее подробно.

Электродуговая сварка

   С применением электродуговой сварки в настоящее время осуществляется примерно 65 % сварочных работ. Источником теплоты служит сварочная дуга – мощный электрический разряд в ионизированной среде, возникающий между торцом электрода и свариваемым изделием. Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000 К и зависит только от состава газовой среды дуги. Это тепло нагревает торец электрода и оплавляет свариваемые поверхности. В процессе остывания и кристаллизации расплава образуется сварное соединение.
   Электродуговая сварка имеет собственные подвиды.
   Сварка неплавящимся электродом[3]. В качестве электрода используется стержень из графита или вольфрама, температура плавления которых выше температуры сварочной дуги. Сварка чаще всего происходит в среде защитного газа (аргон, гелий, азот и их смеси) для защиты шва и электрода от влияния атмосферы и устойчивого горения дуги. Сварку можно проводить как с присадочным материалом, так и без него.
   Полуавтоматическая сварка проволокой в защитных газах[4]. Электродом здесь служит металлическая проволока, к которой через токопроводящий наконечник подводится ток, а электрическая дуга расплавляет проволоку. Для обеспечения постоянной длины дуги проволока подается автоматически. Вместе с электродной проволокой из сварочной горелки подаются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси). Полуавтоматическую сварку можно вести и без газа, применяя самозащитную порошковую проволоку.
   Ручная дуговая сварка[5]. Для сварки используют проволочный электрод с нанесенным на его поверхность покрытием (обмазкой). При плавлении обмазки образуется защитный слой, отделяющий зону сварки от атмосферных газов (азота, кислорода) и способствующий легированию шва, повышению стабильности горения дуги, удалению неметаллических включений из металла шва, формированию шва и т. д.
   Сварка под флюсом[6]. В этом случае конец электрода в виде металлической проволоки или стержня подается под слой флюса. Горение дуги происходит в газовом пузыре, находящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла.

Газопламенная сварка

   Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве последнего применяют ацетилен, водород, пропан-бутановую смесь, пары керосина, бензина, природный, светильный, нефтяной, коксовый и другие газы. В последнее время получил распространение сжиженный газ МАФ (метилацетилен-алленовая фракция), который обеспечивает хорошую скорость сварки и высокое качество сварочного шва, но требует применения особой присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния. Тепло, выделяющееся при горении смеси, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны.

Физико-химическая сущность сварки металлов

   Итак, для соединения двух металлов в единое целое необходимо сократить расстояние между их атомами настолько, чтобы активизировались силы взаимного притяжения и установилось равновесие между силами притяжения и отталкивания. Чтобы придать соединяемым атомам соответствующее смещение, извне необходимо сообщить энергию, которую называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). По признаку применяемого вида активации в момент образования межатомных связей в неразъемном соединении различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением (рис. 1).

   Рис. 1. Схемы возможных областей сварки давлением и плавлением в зависимости от температуры (Т) и давления (Р)

Сварка давлением

   Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей под статической или ударной нагрузкой. Для ускорения процесса обычно выполняют местный нагрев деталей. Благодаря пластической деформации у кромок свариваемых деталей разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей. Зона, где образовались межатомные связи соединяемых частей при сварке давлением, называется зоной соединения.
   Характер процесса сварки давлением с нагревом может быть и другим. Например, при стыковой контактной сварке оплавлением свариваемые кромки первоначально оплавляются, а затем пластически деформируются. При этом часть пластически деформированного металла совместно с некоторыми загрязнениями выдавливаются наружу, образуя грат. На рис. 1 видно, что с увеличением температуры нагрева металла для сварки давлением требуются меньшие усилия.

Сварка плавлением

   Сущность сварки плавлением состоит в том, что при температурах выше Тпл жидкий металл одной оплавленной кромки самопроизвольно соединяется и в какой-то мере перемешивается с жидким металлом второй оплавленной кромки. Так создается общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной. Зачастую сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т. д.
   Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или каким-либо другим способом. Энергия теплового источника расходуется на нагрев металла детали, плавление присадочного материала, защитного флюса и на тепловые потери.
   Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности источника тепла, физических свойств металла, размеров конструкции, скорости перемещения и т. д. На рис. 2 показаны изотермы – овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки). Изотерма 1600 °C – это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 °C указывает на зону перегрева металла, изотерма 800 °C показывает зону закалочных явлений, а 500 °C – зону отпуска.

   Рис. 2. Схема изотерм при сварке

   Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов. Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны, вытесняя металл из основания ванны и открывая доступ к следующим слоям. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается. Затвердевая, она образует сварной шов – общие для основного и электродного металла кристаллы, обеспечивающие монолитность сварочного соединения (рис. 3, а).

   Рис. 3. Зоны сварного шва (а) и возможные дефекты в нем (б)

   Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.
   Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке, называется зоной термического влияния. Здесь находятся участки старения (200–300 °C); отпуска (250–650 °C); неполной перекристаллизации (700–870 °C); нормализации (840—1000 °C); перегрева (1000–1250 °C); околошовный участок, примыкающий к линии сплавления (1250–1600 °C). Зона сплавления расположена вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва и содержит образовавшиеся межатомные связи. В поперечном сечении сварного соединения она измеряется микрометрами, но роль ее в прочности металла очень велика.
   В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происходят его структурные изменения. Следовательно, сварочный шов может получиться прочным и пластичным, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом будет низким (рис. 3, б).
   Величина зоны термического влияния составляет при ручной электродуговой сварке для обычного электрода 2–2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной обмазки – 4—10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает – до 20–25 мм.

Химический состав сварочного шва

   Химический состав сварочного шва значительно отличается от основного металла, так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различных присадок, используемых при сварке, а также реакций взаимодействия жидкой фазы с атмосферными газами и защитными средствами. Соотношения отдельных компонентов, из которых состоит сварочный шов, зависят от способа наложения шва, режимов сварки. Например, если сварочный шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно снижается. Определение доли элемента, содержащегося в металле шва, учитывают с помощью поправочного коэффициента n, показывающего, какая доля металла, содержащегося в электроде или сварочной проволоке, переходит в металл шва. Величина n может колебаться в пределах от 0,3 до 0,95.
   В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосферными газами, поглощая их и тем самым снижая механические качества сварочного шва. Так, при дуговой сварке дуга, контактирующая с металлом, состоит из смеси N2, O2, Н2, СО2, СО, паров Н2О, паров металла и шлака. В зоне плавления металла происходит процесс диссоциации – распад молекул на атомы. Под воздействием высоких температур молекулярный азот, водород и кислород распадаются и переходят в атомарное состояние, при котором активность газов значительно повышается.
   Атомы кислорода активно растворяются в жидкой фазе металла, образуя оксиды, окисляя примеси и легирующие элементы, содержащиеся в металле. Из-за этого снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость металла, ухудшается коррозионная стойкость и жаропрочность сталей. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги, находящейся на свариваемых кромках и флюсах, с обмазки электродов. Кислород из расплавленного металла удаляют путем введения в сварочную ванну кремния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом железа, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллизации образует на поверхности шва твердую корку, которую удаляют механическим путем.
   Растворение азота в жидкой фазе большинства металлов сопровождается образованием нитридов, что приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Как и кислород, азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения образования нитридов сварочную ванну для легированных, жаропрочных сталей и большинства цветных металлов изолируют средой защитных газов.
   Весьма нежелательным процессом является растворение водорода, что приводит к возникновению гидридов. Их образование в зоне термического влияния приводит к появлению пор, микро– и макротрещин. Водород попадает в зону сварки из атмосферного воздуха и при разложении влаги, которая имеется на свариваемых кромках, в обмазке электродов, защитных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствует предварительное прокаливание электродов, свариваемых поверхностей и тщательная их зачистка.
   Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварочного шва огромно. В процессе кристаллизации металла окись углерода начинает выделять пузырьки, образуя поры в массиве сварочного шва.
   Пары воды, находящиеся в жидкой фазе металла, взаимодействуют с ней, образуя оксиды железа и водород.
   Бороться с этими вредными явлениями чрезвычайно трудно, и полностью изолировать сварочную ванну от влияния атмосферных газов чаще всего не удается. Чтобы снизить влияние на сварочную ванну атмосферных газов, применяют разные виды защиты – электродное покрытие, защитные газы, флюсы, вакуум и т. д. Это значительно снижает интенсивность металлургических реакций и позволяет добиться хорошего качества сварочного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет металлургическим реакциям завершиться полностью.

Роль защитных газов, флюсов и шлаков

   Роль активного газа СO2 сводится к оттеснению от сварочной ванны окружающего воздуха, и в первую очередь азота. Кроме того, при высоких температурах углекислый газ диссоциирует с выделением кислорода, который, в свою очередь, окисляет металл. В связи с этим в сварочную проволоку вводят раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.
   
Защитная роль газов и флюсов значительно повышается при тщательной зачистке свариваемых кромок, где могут быть посторонние элементы, влияющие на происходящие в сварочной ванне химические процессы.
   Защитные средства (флюсы, электродные покрытия и т. д.) под воздействием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавятся, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции.
   Кроме того, при взаимодействии с жидким металлом расплавленные флюсы меняют состав сварочной ванны. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижает вероятность образования в металле шва пор.
   В нейтрализации отрицательного влияния серы, фосфора и других веществ участвует марганец, содержащийся в флюсах и покрытиях. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее растворимый сульфид марганца MnS, вызывая перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая тем самым появление горячих трещин.
   К сожалению, флюсы не позволяют полностью освободиться от вредных примесей в сварочной ванне, но их роль в сварочном процессе огромна. Они снижают скорость кристаллизации, что способствует более полному выводу газов из расплавленного металла, осуществляют его металлургическую обработку, раскисляя металл и легируя сварочный шов. Кроме того, флюсы стабилизируют дугу и тем самым способствуют качественному формированию шва.

Свариваемость металлов

   – химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[8], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);
   – сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;
   – вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.
   Наиболее существенное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы (хром, вольфрам, молибден), способствующие возникновению карбидов.
   Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке. Трещины, возникающие при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.
   Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная имеет вид:


   При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин. При Сэкв > 0,45 сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры, где Собщ – общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:

   Собщ=Сэкв (1+0,005h).

   Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.
   Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36—044; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45—0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.
   Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.


   Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать:

Деформации при сварке

   В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и изгибам элементов конструкции.

   Рис. 4. Деформации при сварке:
   а – причины деформаций (I – температурная деформация из-за разности температур сварного шва и детали; II – усадка сварного шва при кристаллизации; III – усадка в результате фазовых превращений); б – искривление продольной оси из-за продольного сварного шва или газового реза; в – деформация грибовидной формы из-за усадки сварочного шва; г – усадка трубы от кольцевого сварного шва

   Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной возникновения внутренних напряжений.
   Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением его объема. У сталей это изменение составляет примерно 1 % объема, что также приводит к образованию внутренних напряжений.
   Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно правильным выбором вида сварки и технологии ее осуществления. Например, электродуговая сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, вызывает коробления меньше, чем сварка газовым пламенем, при которой нагревается значительный участок детали. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.
   Незначительного снижения коробления достигают, отводя тепло со свариваемого участка путем подкладывания медной пластинки с обратной стороны шва, прикладывания вокруг шва асбеста, смоченного водой, и т. п.
   Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. Места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рис. 5, а.

   Рис. 5. Снижение деформаций изделий:
   а – изменением порядка сварки; б – обратноступенчатой вразброс сваркой; в – обратным изгибом деталей перед сваркой

   Значительного снижения деформации достигают способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки соединяемых деталей сваривают в последовательности, показанной на рис. 5, б. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, так как деформации коротких швов не могут приводить к значительной деформации всего изделия.
   Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». В этом случае соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям (рис. 5, в). Тогда в процессе сварки они, деформируясь, обретают требуемую или очень близкую к требуемой форму.
   Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи различных приспособлений или путем прихватки, т. е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.
   На 85–90 % остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций – нагреве до 550–680 °C и постепенном охлаждении на воздухе. При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остывания остаточные напряжения сохранятся, но будут меньшими по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов и только после этого – окончательную сборку конструкции.
   
В борьбе с деформациями наиболее эффективны те мероприятия, которые выполнены до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательности сварки.
   Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали. Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.

Особенности физических процессов при дуговой сварке


   Свойства сварочной дуги
   Для ручной дуговой сварки используют сварочную дугу прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием. Существуют также многоэлектродные дуги, которые применяют в промышленности и при высокотехнологических способах сварки.
   По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока переходят через нуль 100 раз в секунду, с той же частотой меняет свое положение и катодное пятно, являющееся источником свободных электронов. Ионизация дугового промежутка в этом случае менее стабильна, а сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока. Поэтому для этого вида дуги используют специальные электроды с соответствующим покрытием, которое стабилизирует дугу при пропадании тока.[9]
   Во время применения постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (он служит катодом), а изделие – к положительному полюсу (оно служит анодом), т. е. ток идет от электрода к нагреваемому металлу. Во втором случае электрод (анод) подключают к положительному полюсу, а изделие (катод) – к отрицательному. Свободные электроны движутся от свариваемого металла через электрод, что ведет к сильному нагреву последнего. При одних и тех же параметрах источника сварочного тока температура на поверхности свариваемого металла при обратной полярности будет ниже, и этот эффект широко используют при сварке тонкой или высоколегированной стали.
   Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление, а значит, тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300–2500 °C, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т. д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис. 6). Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный – для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный – для сварки в среде аргона.
   Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющейся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны, так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр.

   Рис. 6. Расплав и перенос электродного материала:
   а – метод короткого замыкания (I – короткое замыкание; II – образование прослойки из жидкого металла; III – образование шейки; IV – возникновение дуги и образование газового облака вокруг столба дуги); б – капельный метод; в – струйный метод

   Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют и размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей.

   Магнитное дутье
   При прохождении электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создается магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги можно рассматривать как гибкий проводник электрического тока, подверженный воздействию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре.
   Нормальная дуга бывает при симметричном относительно нее подводе тока (рис. 7, а). В этом случае собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги.
   При несимметричном относительно дуги подводе тока к изделию вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении.
   По внешним признакам это подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. При этом затрудняется и сам процесс сварки, нарушается стабильность горения дуги. Такое явление называют магнитным дутьем (рис. 7, б – в).
   Массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух. Поскольку магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по среде с меньшим сопротивлением, дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 7, г).
   Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, размещением у места сварки компенсирующих ферромагнитных масс, заменой постоянного сварочного тока переменным или использованием инверторных источников питания.
   
В качестве компенсирующих ферромагнитных масс на практике часто используют стальную плиту с присоединенным к ней токопроводом, которую укладывают на расстоянии 200–250 мм от места сварки.
   На столб сварочной дуги действует также несимметричное магнитное поле, которое образует ток, протекающий в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токоподводу.
   Отклонение дуги могут вызвать несимметричность обмазки электрода (рис. 7, д) и химическая неоднородность свариваемой стали (рис. 7, е).
   На величину отклонения дуги влияет также угол наклона электрода, поэтому для его уменьшения электрод наклоняют в сторону отклонения дуги, а также уменьшают длину дуги.
   Нередко при сварке наблюдается блуждание дуги – беспорядочное перемещение сварочной дуги по изделию, обусловливаемое влиянием загрязнения металла, потоков воздуха и магнитных полей. Особенно часто это наблюдается при сварке угольным электродом. Блуждание дуги ухудшает процесс формирования шва, поэтому для его устранения иногда используют постоянное продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом, расположенным вокруг электрода.

   Рис. 7. Магнитное дутье:
   а – нормальное положение; б – отклонение влево; в – отклонение вправо; г – действие ферромагнитной массы (пунктиром показана компенсирующая масса); д – несимметричность обмазки («козыряние» электрода); е – химическая неоднородность свариваемой стали

   Образование сварочной ванны
   Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла Pm, давления сварочной дуги Рd и сил поверхностного натяжения Рn представлен на рис. 8.

   Рис. 8. Силы, действующие в сварочной ванне и формирование шва:
   а – нижнее положение; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное; Vсв – направление сварки; 1 – подрез; 2 – наплыв

   Распределение этих сил во многом зависит от расположения сварочного шва в пространстве. При нижнем расположении шва и при сквозном проплавлении жидкий металл удерживается в ванне силами поверхностного натяжения, которые уравновешивают силу тяжести Рm и давление, оказываемое на ванну источником теплоты Рd, т. е.Рn= Рm+Рd. Если это равновесие сил нарушается, то может произойти разрыв поверхностного слоя и металл вытечет из ванны, образуя прожог.
   В реальных условиях, когда сварочная ванна перемещается вдоль шва, могут возникать дополнительные силы гидродинамического характера, перемещающие расплавленный металл в хвостовую часть ванны. Для того чтобы уравновесить все эти силы, удерживающие жидкий металл в объеме ванны, приходится принимать дополнительные меры: сварку на подкладках или других удерживающих приспособлениях. Особенно велико значение таких мер при вертикальном и потолочном расположении шва.
   Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям – снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, т. е. сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения, а при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги.
   Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. При неправильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию (с образованием подрезов и наплывов), что в конечном итоге снижает прочность сварки.
   При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги.

   Источники питания сварочной дуги
   Источники тока для электросварки разделяются на две большие группы по виду получаемого от них тока: источники переменного тока и источники постоянного тока.
   К первым относятся сварочные трансформаторы и резонансные источники сварочного тока. Ко вторым – сварочные выпрямители и сварочные генераторы.
   Важнейшие свойства как сварочной дуги, так и источников сварочного тока описывают их вольтамперные характеристики (далее – ВАХ), которые показывают зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги и могут быть падающими, жесткими и возрастающими (рис. 9, а). ВАХ имеет три области.
   
Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда ее источник питания поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.
   Первая область (I) характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с увеличением тока сварки Iсв. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.
   Во второй области (II) характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Ее положение на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.
   В третьей области (III) с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

   Рис. 9. Вольтамперные характеристики процесса дуговой сварки:
   а – статическая характеристика сварочной дуги (I – участок падающей характеристики; II – участок жесткой характеристики; III – участок возрастающей характеристики; 1, 2, 3 – участки характеристики при различных способах сварки); б – падающая; в – жесткая; г – возрастающая ВАХ источников питания сварочной дуги; д – совмещенные ВАХ источника питания и сварочной дуги (ВАХип – ВАХ источника питания; ВАХд – ВАХ дуги; U – напряжение холостого хода; Ікз – ток короткого замыкания)

   Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольтамперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими.
   Для стабильного горения дуги необходимо равенство между напряжениями и токами дуги (Uд Iд) и источника питания (Uип Iип). Участки 1, 2, 3 характеристики на рис. 9, а соответствуют статическим характеристикам источников питания (рис. 9, б – г), применяемых при различных способах сварки:
   – 1 (падающая) – ручная дуговая сварка штучными электродами;
   – 2 (жесткая) – автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, электрошлаковая сварка толстой электродной проволокой диаметром более 2,5 мм на малых и средних плотностях тока;
   – 3 (возрастающая) – сварка под флюсом и в среде защитных газов тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока.
   Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической ВАХ сварочной дуги на статическую ВАХ источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания). При этом напряжение и ток источника питания и дуги совпадают в двух точках 1 и 2 (рис. 9, д). Устойчивому горению сварочной дуги соответствует только точка 1.
   При уменьшении тока дуги напряжение источника станет больше напряжения на дуге, так как на характеристике источника питания рабочая точка сместится влево, избыток напряжения источника питания приведет к увеличению тока дуги, т. е. к возврату процесса в точку 1.
   Если ток дуги увеличится, то напряжение источника снизится согласно внешней характеристике источника питания и станет меньше напряжения дуги, ток дуги уменьшится, режим дуги восстановится.
   Точка 2 соответствует неустойчивому горению дуги, так как случайное изменение тока дуги происходит вплоть до обрыва дуги или до тех пор, пока ток не достигнет значения, соответствующего значению тока в точке 1 устойчивого горения дуги. Поэтому устойчивое горение дуги поддерживается только в той точке пересечения характеристик источника и дуги, где внешняя характеристика источника питания является более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги.
   Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.
   Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания.
   При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяют источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает сварщику возможность удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока.
   Высокую устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги обеспечивают также повышенное напряжение холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания. Ограничение этого тока очень важно, так как при переходе капли расплавленного металла электрода на изделие возможно короткое замыкание. При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2–1,5 раза.
   Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток[10], пределы регулирования сварочного тока.
   В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги – характера переноса электродного металла в сварочную ванну.
   При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги. Происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.
   Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

Особенности физических процессов при газовой сварке

   Рассмотрим строение пламени (рис. 10). Сварочное пламя имеет три четко различимые области: ядро, восстановительную зону и факел.
   Ядро пламени представляет собой ярко светящуюся зону, в наружном слое которой сгорают раскаленные частицы углерода, образующиеся при разложении ацетилена.
   Восстановительная зона, более темная, состоит из оксида углерода и водорода, которые раскисляют расплавленный металл, отбирая кислород от его оксидов.
   Факел – периферийная часть пламени – представляет собой зону полного сгорания углеводородов в кислороде окружающей среды.
   В зависимости от соотношения объемов кислорода и ацетилена получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее.

   Рис. 10. Строение и виды ацетиленового сварочного пламени, распределение температуры по длине факела:
   а – нормальное; б – окислительное; в – науглероживающее; 1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел

   Нормальное сварочное пламя образуется тогда, когда в горелке на один объем кислорода приходится один объем ацетилена. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны. Ядро имеет резко очерченную форму, близкую к цилиндру, с ярко светящейся оболочкой. Температура ядра достигает 1000 °C.
   В восстановительной зоне, содержащей продукты неполного сгорания ацетилена, проводят сварку. Температура этой зоны в точке, отстоящей на 36 мм от ядра, составляет 3150 °C. Факел имеет температуру 1200–2500 °C.
   Нормальным сварочным пламенем осуществляют сварку сталей всех марок, меди, бронзы и алюминия.
   Окислительное сварочное пламя получают при избытке кислорода, когда в горелку подают на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. Ядро такого пламени имеет укороченную, конусообразную форму. Оно приобретает менее резкие очертания и более бледную окраску, чем у нормального пламени. Протяженность восстановительной зоны уменьшается по сравнению с нормальным пламенем. Факел имеет синевато-фиолетовую окраску. Горение сопровождается шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше, чем у нормального, однако при сварке таким пламенем из-за избытка кислорода образуются пористые и хрупкие швы.
   Окислительное пламя применяют при сварке латуни и пайке твердыми припоями.
   Науглероживающее сварочное пламя получают при избытке ацетилена, когда в горелке на один объем ацетилена приходится не более 0,95 объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость очертаний, на его конце появляется зеленый венчик, по наличию которого судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона существенно светлее, чем у нормального пламени, и почти сливается с ядром. Факел приобретает желтую окраску. При значительном избытке ацетилена пламя коптит. Температура науглероживающего пламени ниже, чем у нормального и окислительного.
   Слегка науглероживающим пламенем сваривают чугун и осуществляют наплавку твердых сплавов.
   Регулируют и устанавливают вид сварочного пламени «на глаз».
   При выполнении сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало тепловой мощностью, достаточной для расплавления свариваемого металла. Ее выбирают в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами. Эта мощность зависит от расхода ацетилена – объема газа, проходящего за один час через горелку, поэтому ее регулируют ацетиленовым вентилем и подбором наконечника горелки.
   Расход ацетилена (его измеряют в дм3/ч), необходимый для расплавления слоя свариваемого металла толщиной 1 мм, устанавливают на практике. Так, слой низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм расплавляется при расходе ацетилена 100–130 дм3/ч. Чтобы определить расход ацетилена при сварке конкретной детали, нужно умножить расход, соответствующий единичной толщине, на действительную толщину свариваемого металла (мм).
   
При сварке низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм минимальный расход ацетилена составит 100 ∙ 3 = 300, а максимальный – 130 ∙ 3 = 390 дм3/ч.
   Решающую роль в процессе горения играет кислород. Для полного сгорания одного объема ацетилена требуется два с половиной объема кислорода. Однако при газовой сварке недопустимо смешивать ацетилен с кислородом в такой пропорции, чтобы обеспечить полное сгорание ацетилена. Как правило, на один объем ацетилена подают 1,1–1,2 объема кислорода.
   Для предотвращения окислительных процессов при газовой сварке в присадочные материалы и флюсы вводят вещества, которые раскисляют металл[11], например кремний и марганец, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва. При сварке стали раскисляющее действие оказывают углерод, его оксид и водород, образующиеся при горении газовой смеси. Поэтому углеродистые стали можно сваривать и без флюса. Соответствующие присадочные материалы и флюсы применяют и для легирования металла шва.
   При газовой сварке основной металл, примыкающий к сварному шву, подвергается нагреву до температуры 1500 °C. Область, нагретую до 450—1500 °C, принято называть зоной термического влияния. Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке, зависящая от толщины и марки стали, составляет 6—30 мм. Эта область склонна к образованию холодных и горячих трещин.
   Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется применять сварочные материалы с минимальным содержанием фосфора и проводить сварку на оптимальных режимах.
   Для предотвращения образования горячих трещин необходимо применять сварочные материалы с повышенным содержанием марганца и минимальным количеством серы и углерода, вводить в металл шва легирующие элементы (титан, алюминий, медь), выполнять сварку с предварительным подогревом и последующей термообработкой.
   Кроме того, для улучшения структуры и свойств зоны термического влияния и металла шва, выполненного газовой сваркой, осуществляют горячую проковку[12] шва, его термообработку (нагрев сварочной горелкой) и общую термообработку сварного изделия (нагрев в печах с последующим медленным охлаждением).

Технология сварочных работ

   Под техникой сварки понимают приемы манипулирования электродом или горелкой, выбор режимов сварки, приспособлений и способы их применения для получения качественного шва. Однако качество швов зависит не только от техники сварки, но и от других факторов, таких как состав и качество применяемых сварочных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки и сборки кромок под сварку.

Подготовительные слесарные операции

   Благодаря доступности электроинструментов в наше время работы по раскрою и подготовке металла к сварке значительно упростились. Фактически с помощью одной только углошлифовальной машинки в большинстве случаев можно быстро раскроить материал, опилить фаски, а затем и зачистить сварные швы. Но болгарка выручает не всегда. Для работы в узких местах, при сложной конфигурации исходного материала, его малых размерах и т. п. она неудобна. Например, прорезать болгаркой небольшое окно в металлическом листе, не захватывая лишний материал, не получится. Тонкий металл из-за высокой скорости вращения отрезного или шлифовального диска очень легко пережечь. К тому же ограничиться раскроем и зачисткой удается не всегда. И тут на помощь приходят старые добрые ручные инструменты.

Рубка металла

   Линии разметки под рубку лучше наносить керном в виде пунктира. При разметке кромок под сварку удобно наносить две риски в виде параллельных линий: внутренняя показывает верхнее ребро фаски, а внешняя – нижнее ребро фаски.
   Режущим инструментом при ручной рубке являются зубило и крейцмейсель[13], ударным – слесарный молоток. Угол заострения лезвия зубила или крейцмейселя в зависимости от твердости обрабатываемого материала должен составлять: для чугуна, бронзы и твердой стали – 70°, стали средней твердости – 60°, меди, латуни, алюминиевых и драгоценных сплавов – 45° и менее.
   Слесарные молотки бывают с круглым и квадратным бойком. Сила удара молотка по зубилу зависит от веса молотка, величины размаха и скорости движения руки. Тяжелый молоток увеличивает силу удара, но в то же время делает работу более утомительной. Рекомендуемая масса молотка – от 600 до 800 г.
   При рубке заготовки кладут на толстую стальную плиту или наковальню или зажимают в тиски. Для рубки лучше применять стуловые тиски, они более устойчивы. При использовании параллельных тисков необходимо, чтобы они были тяжелыми и прочными, с шириной губок 125–150 мм. Рубить следует по направлению к неподвижной губке, предварительно подложив под деталь деревянную или металлическую подкладку, чтобы не испортить тиски.
   Зубило следует держать легко в кулаке левой руки за среднюю часть стержня, удерживая главным образом безымянным пальцем и мизинцем и слегка придерживая средним и указательным пальцами. Стоять надо прямо, не нагибаясь, вполоборота по отношению к тискам так, чтобы левая нога была выдвинута вперед, а правая отнесена назад[14]. Во время рубки надо смотреть на лезвие зубила, а не на головку, иначе при ударе легко промахнуться.
   Рубку пруткового, полосового и толстого листового металла производят на плите или наковальне. Зубило ставят вертикально, материал надрубают с обеих сторон и затем отламывают, перегибая то в ту, то в другую сторону. Круглые прутки предварительно надрубают по окружности, а затем, поворачивая пруток, наносят сильные удары до полного разделения.
   При вырубании заготовки из листового металла или получении в нем отверстия лист кладут на плиту, зубило держат вертикально и ведут его вдоль разметочной линии, оставляя припуск на последующую обработку (рис. 11, а). Сначала легкими ударами делают надрубы вдоль всей линии разметки, а затем сильными ударами прорубают материал насквозь. Лист толщиной до 2 мм прорубают с одного удара, предварительно подложив прокладку из мягкой стали, чтобы не повредить зубило. Толстые листы рубят до тех пор, пока с противоположной стороны не появится след от зубила, и, перевернув лист, окончательно вырубают заготовку.

   Рис. 11. Рубка:
   а на наковальне; б в тисках

   При рубке в тисках листовой материал устанавливают так, чтобы разметочная линия совпала с уровнем губок. Толстые заготовки при рубке по разметке устанавливают так, чтобы риски были выше губок на 3–4 мм.
   В ряде случаев, например при изготовлении художественно-декоративных элементов (для заборов, лестничных ограждений и т. п.), металл не разрубают полностью, а надрубают, формируя таким образом заусенцы, завитки, вилки и т. п. Если необходимо от стержня квадратного сечения или полосы отсечь ветвь значительно меньшей толщины, чем остающаяся часть стержня, это делают, как правило, вертикально в тисках (рис. 11, б). Заготовку зажимают в тисках и зубилом под соответствующим углом отсекают нужную ветвь. В этом случае заготовку как бы обтесывают. Эта операция требует значительного опыта для того, чтобы рассекание было ровным, а отсекаемые ветви были одной и той же толщины. Чтобы облегчить рубку, заготовку следует нагреть.
   При черновой рубке срубают стружку от 1,5 до 2 мм. При чистовой рубке снимают слой металла толщиной 0,5–1 мм. Угол наклона зубила должен быть 35–40°. При меньших углах зубило легко соскальзывает, при бóльших – врезается.
   В процессе рубки холодного металла в нем возникает структурное напряжение, в результате чего в заготовке могут появиться трещины. Чтобы избежать этого, заготовку можно предварительно отжечь.
   Для получения при рубке равных фасок требуется внимательность в работе и равномерный нажим на инструмент. При рубке фаски на кромках листов следует убедиться в надежности закрепления края листа для предупреждения сдвига их при ударах.
   
При чистовой рубке стали и меди полезно обтирать лезвие зубила тряпкой, смоченной в машинном масле или мыльной воде, при рубке алюминия – скипидаром. Чугун следует рубить сухим зубилом.
   Пользоваться надо только острозаточенным зубилом. При заточке зубил и крейцмейселей на наждачных станках не следует сильно прижимать их к абразивному кругу, что может привести к перегреву и отпуску режущей кромки. Грани лезвия должны иметь одинаковую ширину и угол наклона к осевой линии.

Разрезание

   Более толстый листовой, а также полосовой и прутковый металл разрезают рычажными или машинными ножницами. Различают прямые правые и прямые левые ножницы. У правых ножниц верхнее лезвие (по отношению к нижнему) находится справа, у левых – слева. В большинстве случаев применяют правые ножницы, так как линии разметки при работе ими хорошо видны; левыми ножницами пользуются при вырезании криволинейных деталей, при этом резать нужно по часовой стрелке, располагая ножницы так, чтобы они не закрывали лезвием линии разметки. Если ту же операцию проводят правыми ножницами, то процедуру выполняют против часовой стрелки (рис. 12). Применяют также ножницы с кривыми лезвиями специально для разрезания по кривым линиям.
   
Круглое отверстие можно вырезать следующим образом. После разметки лист кладут на деревянную подкладку и зубилом прорубают его крестообразно в центре. Потом лист переворачивают, края проруба отгибают и обрезают. Вставив лезвие ножниц в получившееся отверстие, режут, отгибая лишний металл вниз, по спирали до линии разметки, а затем короткими шагами вырезают круг. Если нужно получить диск, после разметки сначала обрезают углы листа. Когда отгибаемая (лишняя) часть станет слишком длинной и начнет мешать, ее отрезают.
   Рис. 12. Работа ножницами по металлу:
   а – прямолинейное разрезание; б, в – криволинейный рез

   Разрезание листового металла производят по заранее нанесенной разметке, а ножницы располагают так, чтобы верхнее лезвие всегда находилось над разметочной линией. При разрезании листа отрезаемую часть отгибают левой рукой вверх, что облегчает процесс и предохраняет правую руку от пореза.
   При разрезании листа на узкие полосы его нужно положить на стол и следить за тем, чтобы нижнее лезвие опиралось на стол, а отрезаемые полосы отгибались вперед.
   Ножницы раскрывают несильно – примерно на 2/3 длины лезвия, тогда они хорошо захватывают и режут металл; сильно раскрытые ножницы выталкивают металл. Лезвия ножниц должны быть перпендикулярны плоскости листа, при перекосе они мнут металл, образуются заусенцы, а ножницы заедает. Ножницы нужно все время плотно прижимать к краю прореза, иначе неизбежно появятся заусенцы.
   Стуловые (или кровельные) ножницы применяют для разрезания более толстых листов (до 2–3 мм). Они отличаются тем, что верхняя рукоятка удлинена до 400–800 мм, а нижняя изогнута и крепится к верстаку. На этих ножницах работают всей рукой, а не кистью, как в ручных, что значительно увеличивает силу разрезания.
   У рычажных ножниц нижнее лезвие неподвижное, закреплено на столе, а верхнее сочленено с ним посредством шарнира. Ножницы снабжены прижимным устройством, которое гасит опрокидывающий момент, возникающий в процессе резания. Они позволяют разрезать стальные листы толщиной до 2 мм.
   Существует также целый ряд машинных или механических ножниц: дисковые, вибрационные и др.
   Профильный металл и трубы разрезают ручными или механическими ножовками. Полотно в ручной ножовке устанавливают зубьями вперед. Степень натяжения полотна не должна быть слабой, иначе разрез получится косым, а полотно легко сломается. При чрезмерном натяжении полотно также легко ломается при малейшем перекосе. Натяжение полотна проверяют поворотом его на 1/8 часть окружности, взяв двумя пальцами посередине его длины.
   При работе ножовку держат за ручку правой рукой, а левой поддерживают передний ее конец в горизонтальном положении. Левой рукой, которая находится впереди, производят нажим, а правая рука только поступательно перемещает ножовку. Во время движения назад (к себе) нажим не производится, так как при холостом ходу он ведет к быстрому затуплению зубьев. Завершая разрезание, усилие уменьшают.
   При разрезании толстых заготовок полотно смазывают машинным маслом. Если распил получается косой (идет не по риске), не следует пытаться исправить направление поворотом ножовки – полотно сломается. Нужно начать новый разрез с противоположной стороны, повернув заготовку. Если полотно сломалось, нужно иметь в виду, что старое, изношенное полотно дает более узкий пропил. Поэтому новым полотном надо пройти сделанный разрез без нажима и по возможности начать резать с другой стороны.
   При разрезании массивных заготовок длина пропила большая и резать трудно, поэтому, чтобы облегчить работу, ножовку наклоняют последовательно то к себе, то от себя. В этом случае резание идет не по всей ширине и процесс резания облегчается.
   Граненые изделия начинают резать с грани, а не с угла. Полосовой металл разрезают по узкой грани – это производительней. Очень тонкий материал режут по широкой грани, так как при врезании зубья цепляются и полотно может легко сломаться. Обычно для облегчения врезания делают небольшой пропил трехгранным напильником или направляют полотно сбоку большим пальцем левой руки. Полезно сделать по линии разметки небольшую борозду зубилом или краем напильника. Это углубление поможет выдержать правильнее направление распила.
   Очень тонкий материал зажимают между деревянными брусками толщиной 15–30 мм и режут вместе с брусками.
   Для отрезания полосы от листа полотно поворачивают относительно станка на 90° и режут осторожно, так как от собственного веса ножовки полотно легко ломается.
   
Новое ножовочное полотно сначала хорошо использовать для разрезания мягких металлов (меди, латуни, алюминия и др.), а когда оно немного притупится – для стали и чугуна.
   При вырезании отверстий в листовом металле сначала сверлят отверстие, в которое можно ввести полотно, затем собирают ножовку и приступают к резанию.
   При разрезании труб ножовку сначала держат горизонтально; когда стенка трубы окажется пропиленной, ее наклоняют на себя. Затем трубу поворачивают на 45–90° от себя и продолжают резать.
   Разрезаемое изделие следует надежно зажимать в тисках, иначе в процессе разрезания оно может сместиться и хрупкое полотно сломается.

Опиливание

   Обязательное условие успешной работы напильником – прочное закрепление опиливаемого предмета. Лучше всего заготовки зажимать в тиски. Обрабатываемая поверхность не должна слишком выступать над поверхностью губок. Изделия с тонкими стенками или выступами зажимают в тисках, пользуясь медными, свинцовыми или деревянными прокладками.
   Работать напильником удобнее стоя. Опиливаемый предмет должен находиться на уровне локтя опущенной руки. Напильник держат правой рукой так, чтобы его ручка упиралась в мякоть ладони, большой палец располагался сверху вдоль ручки, а остальные пальцы прихватывали ручку снизу. При выполнении большинства опиловочных работ, особенно грубых, инструмент прижимают к обрабатываемой детали левой рукой, положенной на конец напильника. При чистовой обработке поверхностей напильником малого размера на него не нужно сильно нажимать, поэтому его передний конец удерживают щепотью – большим пальцем сверху, а средним и указательным – снизу. Мелкими напильниками и надфилями работают, как правило, одной рукой.
   Нажимать на напильник нужно только при его движении вперед, так как зубья насечки режут именно в этом направлении. При обратном движении нажимать на напильник не надо, но и отрывать его от поверхности ни в коем случае не следует, так как при этом теряется правильное направление инструмента.
   
В насечке напильника не будут застревать частицы обрабатываемого металла, если напильник предварительно натереть мелом или древесным углем.
   Неумелый работник обычно давит на напильник левой рукой сильнее, чем надо, отчего инструмент совершает качающие движения. Это приводит к скруглению обрабатываемой поверхности.
   Научиться правильно владеть напильником и уверенно опиливать плоские поверхности можно только в результате систематической тренировки. Есть, однако, некоторые правила, выполнение которых поможет любителю сократить срок учебы.
   В начале движения вперед нажим производят левой рукой, а правая рука просто направляет напильник. По мере продвижения напильника вперед нажим левой рукой постепенно уменьшают, одновременно увеличивая нажим правой рукой, так что в конце движения основное давление сообщает правая рука.
   Детали из твердых металлов лучше обрабатывать напильниками с перекрестной насечкой, из мягких металлов – с простой (одинарной) насечкой.
   При работе всегда используйте полную длину напильника.
   При опиливании углов деталь в тисках нужно зажимать так, чтобы обрабатываемая грань располагалась горизонтально.
   При продольном опиливании криволинейных поверхностей напильнику придают качательное движение в вертикальной плоскости.
   Короткие заготовки зажимают в тиски вертикально и обрабатывают колебательными движениями напильника в горизонтальной плоскости.
   Вогнутые криволинейные поверхности, а также круглые и криволинейные отверстия в деталях опиливают полукруглыми или круглыми напильниками или надфилями. Напильник движется горизонтально и одновременно поворачивается вокруг своей оси, причем радиус кривизны напильника или надфиля должен быть всегда меньше радиуса кривизны поверхности.

Правка листового металла

   Ручную правку листового металла производят на плите или наковальне при помощи деревянных киянок или молотков, сделанных из меди, свинца, алюминия или резины.
   Заготовки из прутковой и профильной стали правят стальными молотками с круглым выпуклым бойком. Крупные заготовки правят ударами кувалды или на механических молотах и прессах. Так как при ударах стальным молотком на металле неизбежно остаются следы, при правке изделий с уже обработанной поверхностью применяют подкладки из мягких материалов (дерево, латунь и др.).
   Наиболее трудоемкой является операция правки листового металла. Различают три случая: правка волнистости полосы или на краях, правка изогнутых (серповидных) заготовок под линейку и правка выпучин.
   При правке волнистости полосы или края заготовки, что чаще всего получается при вырезании ее из листа, наносят удары молотком, начиная от наиболее выпуклых мест к краям. Наиболее сильные удары наносят в середине выпуклости и уменьшают силу удара по мере приближения к краям. Таким образом, выпуклые участки полосы осаживаются и волнистость выравнивается. Чем тоньше листовая заготовка, тем аккуратнее и внимательнее надо ее править, так как при неправильном ударе молотком его боковые грани легко могут испортить заготовку или даже пробить ее.
   Правку длинных, узких, серповидно изогнутых заготовок производят на плите под линейку с помощью деревянной киянки или молотка со стальным выпуклым бойком. Заготовку кладут плашмя на плиту, прижимают одной рукой и наносят удары, начиная с более короткой вогнутой кромки изогнутой заготовки, т. е. той, где металл сжат и его необходимо растянуть. В начале правки удары по вогнутой кромке должны быть более сильные и по мере приближения к противоположной кромке – всё слабее и слабее. Этим достигают того, что вогнутая, более короткая, кромка постепенно вытягивается и заготовка выпрямляется. Процесс выпрямления периодически контролируют линейкой.
   Правку выпучин производят на плите, которая по своим размерам должна быть больше заготовки настолько, чтобы края последней не свешивались с плиты. Перед началом правки выпучины обводят мелом или простым карандашом, затем заготовку кладут на плиту выпуклым местом вверх и начинают наносить удары молотком рядами, от края заготовки в направлении выпучины. Под ударами молотка металл вокруг выпуклого места вытягивается, постепенно выравнивается, и выпучина исчезает. Нельзя сразу наносить удары по выпуклому месту – от этого оно еще больше увеличивается. Удары наносят частые, но не сильные. По мере приближения к центру выпуклости удары должны становиться слабее.
   Полосы из мягких алюминиевых и медных сплавов лучше править через прокладку из гетинакса или текстолита толщиной 1,5–3 мм. В этом случае ровная неповрежденная поверхность получается даже при работе обычным стальным молотком.
   Тонкий (до 0,5 мм) листовой металл правят на стальной плите, притирая металлическим или деревянным бруском с закругленными кромками.

Гибка


   Рис. 13. Последовательные операции гибки элемента решетки из квадратного прутка на специальной оправке

   При толстых заготовках гибку осуществляют ударами молотка, лучше всего деревянного, не оставляющего на металле следов от удара. Проволоку гнут плоскогубцами или круглогубцами.
   В процессе гибки наружные слои металла растягиваются и удлиняются, а внутренние, сжимаясь, укорачиваются. Неизменным по длине остается так называемый нейтральный слой, который у симметричных по сечению заготовок (квадратных, прямоугольных, круглых, овальных, шестигранных и др.) лежит на равном расстоянии от сторон, посередине, а у несимметричных профилей (треугольного, полукруглого) нейтральный слой проходит через центр тяжести сечения. Если радиус гибки очень мал, в металле могут образоваться трещины. Чтобы этого избежать, не следует гнуть по радиусам меньшим, чем двойная толщина заготовки.
   Листовой металл после прокатки имеет волокнистую структуру. Чтобы не получалось трещин, его следует гнуть поперек волокон или так, чтобы линия сгиба составляла с направлением прокатки угол, равный 45°.
   При гибке деталей из листового металла, проволоки круглого и квадратного сечения, полос и т. п. часто возникает распружинение, т. е. угол изгиба несколько увеличивается, а деталь выпрямляется после снятия напряжения. Величина угла, на который распрямляется деталь, вследствие упругой отдачи зависит от степени упругости металла, его толщины и радиуса изгиба. Заранее точно определить угол пружинения очень трудно, поэтому приходится заготовки загибать сильнее, т. е. с заведомо меньшими радиусами и углами изгиба, а оснастку (оправки) для получения точных изгибов деталей необходимо подбирать и доводить опытным путем.
   Гибку деталей из тонких заготовок производят не ударами, а сглаживанием. Гибку заготовок из листового и полосового металла толщиной более 0,5 мм и из круглого материала диаметром более 4 мм производят на оправках ударами молотка. Форма оправки должна соответствовать форме изгибаемого профиля с учетом деформации металла. Наименьшие радиусы гибки листового материала в холодном виде приведены в табл. 2 Приложения. При меньших радиусах гибку следует производить в нагретом состоянии.
   При гибке деталей под углом 90° заготовку детали зажимают в тиски так, чтобы линия гибки находилась на уровне верхней кромки губок или нагубников тисков. Гибку производят обычно за два приема: сначала ударом по верхней части заготовки, а затем внизу у губок под углом 90°. Первый прием лучше выполнять деревянным молотком, так как он не портит поверхности детали. Угол в месте перегиба обычно формируют металлическим молотком. Ударять им нужно равномерно всей поверхностью бойка.
   Гибка деталей, имеющих несколько прямых углов, производится вышеописанным способом на оправках, зажимаемых в тисках.
   При гибке полос под острым углом на заготовке чертилкой размечается место изгиба, затем заготовку закрепляют вместе с оправкой так, чтобы риска была обращена в сторону загиба и выступала над ребром оправки на 0,5 мм. Ударами молотка полосу изгибают до полного прилегания ее к грани оправки.
   Кроме тисков и молотков, для гибки металла используют различные оправки и приспособления, чаще всего – простейшие (рис. 14).
   Детали с несколькими изгибами подвергают гибке на специальных оправках, размеры и форма которых соответствуют размерам и форме детали. С помощью такой оснастки из полосовой стали и прутков получают самые замысловатые формы гнутых элементов, которые сваркой объединяют в прочное и изящное изделие.