Технологии сварки: преимущества, методы и контроль качества

Широкое применение сварки в производстве и ремонте подвижного состава объясняется рядом преимуществ сварных соединений перед клепаными и болтовыми: экономией металла и снижением веса конструкций на 10—20%, меньшей трудоемкостью, увеличением съема продукции с производственных площадей, улучшением условий труда и культуры производства за счет ликвидации сильного шума при клепке. Сварные соединения различают по толщине металла, размерам, длине сварных швов и требованиям, предъявляемым к качеству швов (прочные, плотные, прочно-плотные). В каждом случае целесообразно применение различных способов сварки.

Применяют сварку открытой дугой, под слоем флюса, в струе газа и др. Наилучшие результаты дает сварка в струе газа и сварка под слоем флюса. При сварке открытой дугой в сварочной ванне азот и кислород воздуха активно соединяются с перегретым металлом, образуя окислы (соединения кислорода с железом) и нитриды (соединения азота с железом). Ввиду быстрого охлаждения шва эти соединения не успевают всплыть на поверхность сварочной ванны и остаются внутри наплавки, придавая металлу хрупкость. Сварка в струе инертного газа предпочтительнее сварки под флюсом, так как последний загрязняет сварочный участок и дает вредную пыль.

Сварка включает в себя две основные операции: 1) подачу электрода и регулирование дуги (поддержание постоянства дугового промежутка) и 2) перемещение дуги вдоль свариваемого шва. В зависимости от степени механизации этих операций различают автоматическую, полуавтоматическую и ручную сварки. При автоматической сварке механизирована и подача электрода в зону сварки и перемещение дуги вдоль шва. Сварочные автоматы отличаются большим конструктивным разнообразием. Они находят применение в основном на ремонтных заводах.

При полуавтоматической сварке механизирована только подача электрода, а перемещение дуги вдоль шва сварщик осуществляет вручную. Из аппаратов для полуавтоматической сварки широкое применение в настоящее время имеют так называемые шланговые полуавтоматы. Идея шлангового полуавтомата состоит в том, что тонкую электродную проволоку диаметром 1,5-2 мм подают в дугу по гибкому шлангу механическим способом, а флюс — самотеком из воронки, закрепленной на держателе полуавтомата, или сжатым воздухом по специальному шлангу. При сварке коротких и фигурных швов применяют ручную сварку зажимным электродом, при которой сварщик самостоятельно регулирует и подачу электрода, и перемещение дуги.

Основными моментами, определяющими выбор вида сварки, являются толщина свариваемых конструкций и длина сварных швов. Сборочные единицы из толстого листового и профильного проката сваривают в основном ручной, автоматической или полуавтоматической сваркой в зависимости от программы работ, длины сварных швов и их доступности. Чем длиннее сварные швы, тем обычно выгоднее становится автоматическая сварка. Конструкции из тонколистового проката (обшивка кузовов и др.) сваривают шовной или точечной контактной электросваркой, а также автоматической или полуавтоматической электродуговой сваркой под слоем флюса.

Наибольшую опасность в этом случае представляет возможность прожога свариваемых листов, что ограничивает использование в этих условиях ручной сварки открытой дугой и требует снижения мощности дуги при сварке под флюсом. В некоторых случаях приходится применять специальные виды сварки: электрозаклепками (главным образом при приварке тонкого листа к толстому прокату), сопротивлением (при ремонте деталей тормозной рычажной передачи) и другие виды сварки.

Детали сваривают встык и внахлестку, без разделки и с разделкой кромок, нижними, вертикальными и потолочными швами. Максимальную производительность и наиболее высокое качество сварного шва обеспечивает сварка нижними швами, т. е. при расположении шва под электродом.

Основными операциями технологического процесса сварки конструкций являются: подготовка деталей к сварке, сборка их для сварки, временная прихватка, окончательная сварка, очистка после сварки от шлака и брызг металла, контроль сварных швов, термообработка после сварки (при надобности), правка и исправление дефектов сварки (при надобности).

Подготовка деталей к сварке осуществляется в основном в заготовительном цехе, где производят резку, гибку, правку и разметку заготовок, разделку кромок. В сборочно-сварочных цехах (или заготовительном цехе) кромки очищают от ржавчины, грязи, масла и зачищают до металлического блеска. Необходимость в очистке кромок связана с тем, что грязь ухудшает режим горения дуги и снижает качество сварного шва. Газы, образующиеся при разложении ржавчины, грязи, масла и влаги внутри сварочной ванны под действием высокой температуры дуги, являются причиной получения пористых швов.

Сборка деталей для сварки производится в кондукторах, на стапелях, в кантователях, манипуляторах. При этом обеспечивают правильное взаимное расположение поверхностей и кромок свариваемых деталей без промеров и разметки (часто с учетом их деформации при сварке) и выдерживают необходимые зазоры в местах наложения швов. Собираемые детали устанавливают по упорам приспособления и прочно стягивают зажимными приспособлениями для исключения смещения и коробления при сварке.

Временная прихватка производится с целью скрепить детали для окончательной сварки на стеллаже.

Окончательная сварка может производиться частично в кондукторах и частично на стеллажах. Порядок наложения сварных швов выбирают таким, чтобы обеспечить минимальное коробление конструкций: длинные швы накладывают способом обратноступенчатой сварки короткими участками навстречу один другому от середины шва к концам, симметричные—-короткими симметричными участками. Замыкающие швы, создающие жесткость конструкции, заваривают последними. По возможности в последнюю очередь наваривают ребра жесткости и косынки, увеличивающие жесткость конструкции.

Очистка конструкции после сварки от шлака и брызг металла производится скребками, металлическими щетками и пескоструением после окончательного остывания швов, иногда с дополнительной обработкой их абразивными кругами.

Контроль сварных швов в зависимости от вида сварных конструкций, их назначения и типа швов (прочные, плотные, прочно-плотные) может включать в себя визуальный осмотр (контроль на отсутствие завалов, резких углублений, свищей, наплывов, трещин), инструментальный обмер швов шаблонами и шовмером, контроль прочности и плотности швов (гидравлические испытания резервуаров водой под большим давлением, пневматические испытания давлением сжатого воздуха, испытания на утечку керосином), механические испытания на прочность (определение временного сопротивления разрыву, относительного удлинения, ударной вязкости) и дефектоскопию с целью выявления внутренних пороков швов: непроваров, шлаковых включений, раковин и т . д.

Термообработка конструкций после сварки заключается в отжиге при температуре 600—650° С с последующим медленным охлаждением. Она имеет целью устранение внутренних напряжений, возникающих под влиянием неравномерного нагрева основного метал-- ла, усадки присадочного металла шва и структурных изменений, связанных с действием температуры.

Исправление дефектов сварки производится в объеме, допускаемом техническими условиями на изготовление и ремонт сварных конструкций. Непровары шва, свищи, усадочные раковины, шлаковые включения, раковины, газовые пузыри обычно вырубают и заваривают повторно с последующим контролем качества заваренного места. Наплыв обрубают и зачищают наждачным камнем, напильником или другими способами.

Внутренние напряжения, возникающие в сварных конструкциях под влиянием неравномерного нагрева основного металла и усадки металла шва, являются причиной их деформации (коробления), для устранения которой необходима правка. В настоящее время сварочные напряжения и коробление металла при сварке изучены довольно детально. Выработаны конструктивные и технологические приемы их предотвращения. Поэтому коробление конструкций в результате сварки следует, как правило, считать следствием недостаточно продуманной технологии сварки или конструкции изделия. Характер коробления зависит от формы и размеров свариваемой конструкции, вида и режима сварки, последовательности сварки. Правка сварных конструкций производится методами ручной, механической и термической правки.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е.А. Астафьева, Ф.М. Носков.

Источник: Технология конструкционных материалов.

Данные публикации будут полезны студентам бакалавриата по направлению «Машиностроение», а также всем, кто изучает дисциплину «Технология конструкционных материалов» в рамках укрупненной группы специальностей «Материаловедение, металлургия и машиностроение».