Во время сварки могут возникать горячие и холодные трещины в металле шва и околошовной зоне. Горячими трещинами называют хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии. В процессе кристаллизации жидкий металл шва сначала переходит в жидкотвердое, а затем в твердожидкое и, наконец, в твердое состояние. В твердожидком состоянии происходит образование скелета из кристаллитов затвердевшего металла (твердая фаза), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкими пластичностью и прочностью. Горячие трещины образуются во время усадки шва и линейного сокращения нагретого металла в сварном соединении при охлаждении. Они могут образовываться как вдоль, так и поперек шва.
Для оценки свариваемости металлов по сопротивляемости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний – сварку технологических проб и машинные способы испытаний. При проведении технологических проб сваривают узел или образец заданной жесткости. Пригодность материала, электродов, режимов сварки оценивают по появлению трещины и ее длине. В машинных методах испытаний растягивают или изгибают образец во время сварки. Стойкость материалов оценивают по критической величине или скорости деформирования, при которых возникает трещина. Для предотвращения горячих трещин необходимо правильно выбирать присадочный материал и технологию сварки. Холодными трещинами называют локальные межкристаллические разрушения, образующиеся в сварных соединениях преимущественно при нормальной температуре, а также при температурах ниже 200 гр. С.
Причины возникновения холодных трещин при сварке:
Охрупчивание металла вследствие закалочных процессов при быстром его охлаждении; остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях; повышенное содержание водорода в сварных швах, который усиливает неблагоприятное действие первых двух главных причин. Для оценки свариваемости металлов по сопротивляемости холодным трещинам применяют, как и для оценки сопротивляемости горячим трещинам, два вида испытаний – технологические пробы и методы количественной оценки с приложением к образцам внешней постоянной механической нагрузки. Технологические пробы дают возможность моделировать технологию сварки и, следовательно, судить о сопротивляемости образованию трещин в условиях, близких к реальным. Проба при этом представляет собой жесткое сварное соединение. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин. Существует много технологических проб, в которых имитируют жесткие узлы сварных конструкций. Пробы дают только качественный ответ: образуется или не образуется трещина. Количественным критерием оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин являются минимальные внешние напряжения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагрузкой, прикладываемой сразу же после сварки.
Внешние нагрузки воспроизводят воздействие на металл собственных сварочных и усадочных напряжений, которые постоянно действуют сразу после сварки при хранении и эксплуатации конструкции. Методы борьбы с холодными трещинами основываются на уменьшении степени подкалки металла, снятии остаточных напряжений, ограничении содержания водорода. Наиболее эффективным средством для этого является подогрев металла перед сваркой. Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут выходить или не выходить на поверхность, располагаться цепочкой, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4-6 мм в поперечнике).
Причины возникновения пор:
- выделение водорода; азота и окиси углерода в результате химических реакций
- различная растворимость газов в расплавленном и твердом металле
- захват пузырьков газа при кристаллизации сварочной ванны.
Для того чтобы уменьшить пористость, необходимо:
Тщательно подготовить основной и присадочный материалы под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т.д.); надежно защитить зону сварки от воздуха; ввести в сварочную ванну раскислители (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса); соблюдать режимы сварки. Одновременно с порами сплошность металла шва нарушают шлаковые включения. Шлаковые включения связаны с тугоплавкостью, повышенной вязкостью и высокой плотностью шлаков, плохой зачисткой поверхности кромок и отдельных слоев при многослойной сварке, затеканием шлака в зазоры между свариваемыми кромками и в месте подрезов. Кроме шлаков включений в шве могут быть микроскопические оксидные, сульфидные, нитридные, фосфорсодержащие включения, которые ухудшают свойства сварного шва. Технология сварки (вид сварки, сварочные материалы, техника сварки) выбирается в зависимости от основного показателя свариваемости (или сочетаний нескольких показателей) для каждого конкретного материала.
Процесс подготовки металла под сварку
Перед тем как приступить к сварке, после подбора металла по размерам и маркам стали, необходимо выполнить следующие операции: правку, разметку, резку, обработку кромок, гибку и очистку под сварку. Наиболее частыми видами деформаций листовой стали являются: волнистость, местные выпучины и вогнутости, заломленные кромки, серповидность в плоскости листа. Для правки листов и полос толщиной 0,5-50 мм широко используют многовалковые машины. Исправление достигается многократным изгибом при пропускании листов между верхним и нижним рядами валков, расположенных в шахматном порядке. Листы толщиной менее 0,5 мм правят растяжением с помощью приспособлений на прессах или на специальных растяжных машинах. Мелко-и среднесортовой, а также профильный прокат правят на роликовых машинах, работающих по схеме листоправильных. Двутавры и швеллеры исправляют изгибом на правильно-гибочных прессах кулачкового типа. В случае создания более значительных деформаций правка и гибка производятся в горячем состоянии. Разметка может быть индивидуальной и по наметочным шаблонам.
Наметка более производительна, однако изготовление специальных наметочных шаблонов не всегда целесообразно. Оптический метод по чертежу, проектируемому на размечаемую плоскость, позволяет вести разметку без шаблона. Разметочно-маркировочные машины с пневмокерном выполняют разметку со скоростью до 8-10 м/мин при погрешности в пределах 1 мм. В этих машинах применяют программное управление. Использование приспособления для мерной резки проката, а также машин для тепловой резки с масштабной фотокопировальной или программной системой управления позволяет обходиться без разметки.
Механическую резку металла производят ножницами, на отрезных станках и в штампах на прессах. Для резки используют ножницы листовые с наклонным ножом, высечные, дисковые, комбинированные, пресс-ножницы, сортовые для резки уголка, швеллеров и двутавров, ручные пневматические и электрические. Листовые детали с прямолинейными кромками из металла толщиной до 40 мм, как правило, режут на гильотинных ножницах и пресс-ножницах. Использование дисковых ножниц (резка осуществляется за счет круглых вращающихся ножей) позволит вырезать листовые детали с непрямолинейными кромками толщиной до 20-25 мм. Для получения листовой детали заданной ширины с параллельными кромками дисковые ножи располагают попарно на заданном расстоянии друг от друга. При поперечной резке фасонного проката применяют пресс-ножницы и комбинированные ножницы с фасонными ножами. Отрезные станки применяют для резки труб, фасонного и сортового материала. На отрезных станках можно резать металл больших сечений, чем на ножницах, при этом обеспечивается более высокое качество реза. При этом трудоёмкость резки на отрезных станках значительно выше, чем при резке на ножницах.
Поэтому отрезные станки используют для профилей, которые невозможно резать на ножницах, например для резки труб, профилей большого сечения, профилей под углом, или в случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность реза. Детали сварных конструкций вырезают на отрезных станках с дисковыми и ленточными пилами, трубоотрезных станках, на станках с абразивными пилами, трубоотрезных станках, на станках с абразивными кругами, в некоторых случаях-гладким диском за счет сил трения. Наиболее производительным является процесс вырубки в штампах заготовок под сварку в массовом производстве. Термическая разделительная резка менее производительна, чем резка на ножницах, но более универсальна и применяется для получения свариваемых заготовок разных толщин как прямолинейного, так и криволинейного профиля.Термическая разделительная резка основана на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода с удалением продуктов сгорания из полости реза.
В зависимости от источника теплоты, применяемой для резки, различают:
- газовую резку, которая основана на использовании теплоты газового пламени
- дуговую резку расплавлением с использованием теплоты электрической дуги, обычно горящей между разрезаемым металлом и электродом
- плазменнодуговую резку (резку сжатой дугой) – особый вид дуговой резки, основанный на выплавлении металла из полости реза направленным потоком плазмы.
Металл из полости реза в процессе термической резки удаляется:
- термическим способом – за счет расплавления и вытекания металла из полости реза
- химическим способом – за счет окисления металла, его превращения в окислы и шлаки, которые также удаляются из полости реза
- механическим способом – за счет механического действия струи газа, способствующей выталкиванию жидких и размягченных продуктов из полости реза.
Во время газовой резки одновременно действует все три способа, при дуговой и плазменнодуговой – преимущественно термический и механический. Одновременно с газовой резкой все шире применяют плазменно-дуговую резку, позволяющую обрабатывать практически любые металлы и сплавы. Использование в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха обеспечивает не только экономические, но и технические преимущества, так как наряду с высоким качеством реза обеспечивается значительное повышение скорости резки, особенно металла малой и средней толщин (до 60 мм). Термическая резка разделяется на ручную, механизированную и автоматическую. Ручная и механизированная резка выполняются по разметке, автоматическая – с помощью копирных устройств, по масштабному чертежу и на машинах с программным управлением. Масштабные чертежи представляют собой чертежи контура вырезаемых деталей, уменьшенных в определенном масштабе. Масштабные чертежи содержат информацию только о траектории, поэтому начало каждого отдельного реза приходится осуществлять вручную. Использование машин с цифровым программным управлением позволяет автоматизировать процесс в пределах всего листа без участия оператора при одновременном повышении точности реза.
Для серийного производства в ряде случаев эффективно использовать резку листов пакетом суммарной толщиной около 100 мм. Начинают применять лазерную резку, ее преимущества – чрезвычайно малая ширина реза (доли миллиметра), точность резка, возможность резки металла малой толщины (от 0,05 мм). Подготовка кромок. Подготовку кромки производят термическими и механическими способами. Кромки с одно-или двусторонним скосом можно получить, используя одновременно два или три резака, располагаемых под соответствующими углами. Механическая обработка кромок на станках выполняется для обеспечения требуемой точности сборки, для образования фасок, имеющих заданное очертание, и в случаях, если технические условия требуют удаления металла с поверхности кромок после резки. Гибка. Листовые элементы толщиной 0,5-50 мм для получения цилиндрических и конических поверхностей гнут на листогибочных вальцах с валками длиной до 13 м. В зависимости от радиуса изгиба и толщины листа гибку выполняют в холодном или горячем состоянии. Листовые элементы с поверхность., имеющей пространственную кривизну, получат на специальных вальцах с валками переменного диаметра.
При серийном и массовом производстве для получения элементов с поверхностью сложного очертания широко используют холодную штамповку из листового материала толщиной до 10 мм. Высокая производительность, точность размеров и формы получаемых заготовок, их низкая себестоимость обеспечивают создание весьма технологичных штампосварных изделий. Для формообразования элементов оболочек больших размеров используют штамповку взрывом. При гибке профильного проката и труб используют роликогибочные и трубогибочные станки. При опасности нарушения формы поперечного сечения целесообразно использовать специальные гибочные станки с индукционным местным нагревом деформируемого участка непрерывно перемещаемой и изгибаемой заготовки. Для получения деталей из толстого листового металла применяют горячую гибку на гибочных вальцах и на прессах. Очистка поверхности металла под сварку. Ее применяют для удаления с поверхности металла средств консервации, загрязнений, смазочно-охлаждающих жидкостей, ржавчины, окалины, заусенцев, грата и шлака.
При сварке металла с неочищенной поверхностью возникают различные дефекты шва - поры и трещины, ухудшается формирование шва. Для очистки проката, деталей и сварных узлов используют механические и химические методы. К механическим методам относятся - дробеструйная и дробеметная обработка, зачистка металлическими щетками, иглофрезами, шлифовальными кругами и лентами. Дробеструйную и дробеметную очистку применяют для листового и профильного проката и сварных узлов с целью очистки от окалины, ржавчины и загрязнений при толщине металла 3 мм и более. В дробеструйных аппаратах дробь выбрасывается на очищаемую поверхность через сопло с помощью сжатого воздуха, в дробеметных аппаратах – лопатками вращающегося ротора за счет центробежной силы. Для очистки применяют дробь чугунную литую и колотую, стальную литую, колотую, рубленную размером 0,7 -0,9 мм при толщине металла до 4 мм; 0,9-1,6 мм – при толщине металла до 30 мм и 1,6-2,5 мм – при толщине металла свыше 30мм.
Дробеструйную и дробеметную очистку осуществляют в камерах, оборудованных для размещения и транспортировки очищаемых изделий, устройствами для сбора, очистки и возврата дроби в дробеструйный аппарат и для вытяжки загрязненного воздуха. Заготовки и прокат перед сваркой очищают обычно дробеметным методом, сварные узлы ( в труднодоступных местах) – дробеструйным. При химических методах очистки производят обезжиривание и травление поверхности свариваемых деталей. Различают ванный и струйный методы. В первом случае детали последовательно опускают в ванны с различными растворами и выдерживают в каждом из них определенное время. Во втором случае поверхность деталей обрабатывается последовательно струями раствора различного состава, что позволяет осуществлять непрерывный процесс очистки. Химический способ очистки эффективен, однако в производстве сварных конструкций используется главным образом для очистки цветных металлов. Для предохранения металла от коррозии кроме очистки обычно пассивируют или грунтуют поверхности, что позволяет сваривать металл без удаления защитного покрытия.
