Технология ручной дуговой сварки Ч.1 Подготовка металла под сварку

Прежде, чем приступить к свариванию металлических изделий, необходимо их подготовить. Непосредственно подготовка металла под сварку состоит из нескольких этапов. Вначале металл подвергается правке, затем осуществляется разметка и резка изделия, его зачистка и подогрев. На заключительной стадии производятся гибка и обработка кромок. Эти процедуры необходимы для того, чтобы добиться качественного соединения элементов конструкции.

Стоит помнить: ржавчина, частички металла, прочие элементы, оставшиеся на поверхности, препятствуют качественной сварке.

Поэтому важна правильная подготовка деталей к сварке, которая позволяет улучшить свариваемость. Количество процедур, которые необходимо выполнить при подготовке деталей под сварку, может различаться в зависимости от конкретной ситуации – степени загрязненности, деформации заготовок, объема работ и прочее. При этом все этапы подготовки регулируются согласно ГОСТ 5264-80.

Правка

При хранении и транспортировке части будущего сварного соединения могут потерять свою форму. К искажениям относятся:

• вмятины;
• выпучивания;
• коробление;
• волнистость;
• искривления.

Исправляют металл в холодном виде и при нагревании. Исправления нагретого металла проходят легче. Выполнять правку можно машинным способом и вручную. Машинный способ применяют в промышленности. Ручную правку удобно проводить, используя наковальню. Подходит и стальная или чугунная плиты большой толщины.

Для осуществления процесса правки необходимо подготовить слесарный инструмент. Возвращать исходную форму, прежде всего, можно при помощи молотка. Однако, подойдет не любой, а изготовленный из мягкого материала. В некоторых случаях можно использовать даже резиновый. Форма бойка предпочтительно круглая — квадратная оставит на металле следы. Поверхность бойка должна быть отполированной. Кроме молотка можно использовать деревянную или металлическую гладилку.

Выпуклость и волнообразность исправляют, ударяя по краям и постепенно двигаясь к центру. По мере приближения к центральной части ударяют чаще, но силу ударов уменьшают. Для корректировки тонких изделий целесообразно применять бруски-гладилки. Правка закаленного металла осуществляется рихтованным молотком.

Области применения газовой сварки

Газовая сварка относится к группе способов сварки плавлением. Существенное технологическое отличие газовой сварки от дуговой — более плавный и медленный нагрев металла. Это отличие сварочного газового пламени от сварочной дуги, которое в одних случаях является недостатком, в других — достоинством газового пламени, определяет основные области его применения: для сварки низкоуглеродистой, специальной и инструментальной сталей, цветных металлов, чугуна, а также для выполнения наплавочных работ.
Благодаря универсальности, сравнительной простоте и портативности необходимого оборудования газовую сварку целесообразно применять для многих видов ремонтных работ. Сравнительно медленный нагрев металла газовым пламенем быстро снижает производительность газовой сварки с увеличением толщины металла, и при толщине более 8 … 10 мм она обычно экономически невыгодна.

При замедленном нагреве разогревается большой объем основного металла, прилегающего к сварочной ванне, что, в свою очередь, вызывает коробление свариваемых изделий. Это важное обстоятельство делает газовую сварку технически нецелесообразной для таких объектов, как строительные металлоконструкции, мосты, вагоны, станины крупногабаритных машин и т. п. Медленный нагрев также вызывает длительное пребывание металла в зоне высоких температур, что влечет за собой перегрев, укрупнение зерна и ухудшение механических свойств металлов. В то же время медленный нагрев металла газовым пламенем при ремонте деталей из чугуна снижает перепад температур, способствует удалению газов из металла деталей и предотвращает трещинообразование.

Разметка

Подготовка металла под сварку включает в себя приведение в соответствие размеров деталей с указанными в чертежах. Прежде, чем приступать к резке, необходимо их разметить. Для разметки применяется острый предмет, мел, ручка, тонкий фломастер, карандаш. Из инструментов также понадобятся линейка, рулетка, угольник, штангенциркуль. При крупном производстве используются шаблоны.

Кроме контура деталей на металлической детали отмечают места сгибов.

Резка

Это является одним из самых важных этапов подготовки к металлу к сварке. Отрезанный в сторону уменьшения металлический элемент можно сразу отнести к браку. Хорошо еще, если существует возможность использовать его для других целей. Не слишком удачно, если требуется корректировка в несколько миллиметров, поскольку выполнить такой процесс достаточно трудно.

Инструменты для разрезания:

• ножницы по металлу;
• гильотина;
• болгарка.

Для толстых деталей можно использовать сварку. Для этого надо расплавить деталь, а потом удалять металл, чтобы получался не шов, а сквозное отверстие. Если двигаться по намеченной линии, получится разрез, хотя и не слишком аккуратный. Термическая резка применима для деталей различной конфигурации. Находят широкое применение дуговая сварка, кислородный резак.

В промышленном производстве применяют отрезные станки.

Выберите правильный абразивный профиль

Вам доступны несколько абразивных профилей, которые могут облегчить или усложнить работу.

Проволочные круги намного более устойчивы к нагрузкам, но не удаляют основной материал. Это делает их хорошим выбором для удаления поверхностных загрязнений и покрытий, не затрагивая основной металл. Абразивы предназначены для резки и снятия основного металла. Из-за конструкции абразива между зернами могут накапливаться тяжелые покрытия и основной металл, что снижает их режущую способность.

Лепестковый диск типа 27 (плоский профиль) может дать результат, значительно отличающийся от результата типа 29 (конический профиль). Неправильный профиль фактически ограничивает количество абразива, контактирующего с поверхностью металла. Выбирайте лепестковые диски типа 27 для более низких углов шлифования (от 5 до 10 градусов) и для операций с небольшим давлением, таких как чистовая обработка. При шлифовании под большими углами (от 15 до 30 градусов) выбирайте лепестковый диск типа 29, который более типичен для агрессивного удаления материала.

Проволочная щетка также бывает разных стилей и размеров. Калибр проволоки и тип узла являются наиболее эффективными исполнителями. Варианты включают стрингер, а также кабельное и стандартное скручивание.

• Щетка-стрингер имеет узлы, которые очень туго скручены в узкий профиль. Эта щетка предназначена для очистки узких зазоров и начальных сварных швов трубопроводов и многопроходных сварных швов. Они также обычно используются в общем производстве

• Щетка с кабельным скручиванием имеет узел, который скручен почти до конца, с большим количеством проволоки в узле, поэтому он имеет дополнительную ширину, жесткость и агрессивность. Это может быть значительно более эффективным для подготовки к сварке, если вам не нужно специально углубляться в узкий 3-миллиметровый зазор

• Узел щетки со стандартным скручиванием не перекручен до самого конца, что позволяет кончикам проволоки распушиться для увеличения прилегаемости. Эти щетки эффективны для компонентов с большим количеством дефектов поверхности, текстуры или контура. Неопытные операторы часто получают наиболее эффективную очистку с помощью щетки со стандартным скручиванием, поскольку она покрывает более широкую площадь и ее легче контролировать.

Зачистка

Подготовка металла к сварке включает его зачистку. Невыполнение этого этапа приведет к образованию дефектов. Даже небольшие частички грязи могут вызвать растрескивание детали, появление в структуре сварного шва пор, возникновению в металле очагов напряжения.

Очищение металлических поверхностей — это самый легкий подготовительный процесс, но очень важный. Особо сложных инструментов при этом не потребуется. Применяются щетки из металла, болгарки. На производстве к этому процессу подходят более серьезно и используют дробеструйные и пескоструйные аппараты.

Не следует забывать о необходимости удаления ржавчины, а также оксидной пленки, образование которой получается при контакте металла с кислородом воздуха. Для удаления следов краски и масляных пятен деталь небольшого размера можно погрузить в емкость с растворителем. Металлическую поверхность перед сваркой необходимо просушить.

Рубка заготовок

Во время подготовки материала проводится снятие фаски. На производстве для этого используют кромкострогальный станок. Может также применяться газорезательной автомат, гильотина или специальные ножницы. Работы еще выполняют зубилом. Оно может быть обыкновенным ручным или пневматическим.

Рубка металла осуществляется по рискам. Обычно они наносятся в количестве 2 штук. Вместо них могут использоваться параллельные линии. Внешняя черта всегда находится внизу фаски. Внутренняя линия обозначает ее верхнее ребро. Если же риски отсутствуют, тогда рабочий использует линейку.

Совет! Перед рубкой листы нужно тщательно закрепить.

Подготовка кромок

Для улучшения условий сварочного процесса производится обработка кромок изделия. Особенно это важно при сваривании толстых изделий. Подготовка кромок под сварку может производиться термическим и химическим способами. Результатом обработки является приобретение формы, способствующей лучшему соединению деталей. Разделка увеличивает ширину шва.

В промышленности используются фрезерные станки, специальные кромкострогальные, пневматические зубила, пламенная резка. Более простые варианты — шлифовка и вырубка. Для механической разделки применяют ножницы по металлу, болгарку, зубило, напильник. Главными параметрами являются скос, угол разделки, ширина зазора, величина притупления. Скос образуется при снятии под углом или закруглением части металла.

Если сварка производится под углом, то разделку кромок можно проводить только при толщине деталей больше 3 см. Важную роль наличие скоса играет, когда свариваются детали разной толщины. Иногда приходится прибегать к притуплению кромок. Это целесообразно, если они имеют на конце острую форму. Иначе это может вызвать образование прожогов, деформацию шва, создание дополнительного напряжения, уменьшение прочности соединения.

Разделки бывают только с одной стороны или двухсторонними. Различные типы скосов используют для разных соединений:

1. Односторонний скос одной или обеих кромок имеет вид буквы «V». Применяется в большом диапазоне толщин. Является наиболее популярным. При разделке обеих кромок угол составляет 60 градусов, а только одной — 50.
2. Двухсторонний скос обеих кромок напоминает букву «X». Применяется для изделий, имеющих толщину 10-60 мм. Угол — 60 градусов.
3. Скос в виде буквы «U» выполняется с одной стороны. Такую криволинейную форму используют для металлов с толщиной 20-60 мм. Для начинающих способ является сложным.
4. Скос в виде буквы «К» применяют редко. В этом случае для одной из кромок делают двухсторонний скос, а для второй — односторонний.

Обозначение на чертежах скоса «β», а угла раскрытия «α». Скос не должен иметь перепадов. Для контроля разделки могут применяться шаблоны.

Отдельный вариант — подготовка кромок под сварку труб. При этом процессе необходимо осуществлять контроль перпендикулярности торца трубы к ее оси. Требования изложены в нормативном документе РД 153-34.1-003-01. Общий угол раскрытия, образованный двумя круговыми кромками обеих труб — 60-70 градусов. Притупление делают на размере 2-2,5 мм.

Подготовка труб к сварке предполагает градацию согласно толщине стенок свариваемых труб. При небольшой величине применяются скосы, имеющие V-образную или X-образную форму. При более значительной толщине делают U-образный скос.

Подготовка труб под сварку предполагает также выбраковку. Сваривание недопустимо, если разница внутренних диаметров приготовленных для сваривания труб составляет более 3 мм. Если торцы имеют механические дефекты, то их подрезают.

Особенности сварки швов в различных положениях

Выбор способа сварки (правого или левого) зависит от положения шва в пространстве. При сварке вертикальных швов снизу вверх целесообразнее использовать левый способ (рис. 15).

В отдельных случаях вертикальные швы можно сваривать снизу вверх и правым способом — так называемым сквозным валиком (рис. 16). При этом сварщик прожигает в металле сквозное отверстие и снизу заполняет его наплавкой на нижнюю кромку. В этом случае скоса кромок не делают. Детали собирают с зазором, равным половине толщины свариваемого металла, и устанавливают в вертикальное положение. Шов формируется сразу на всю толщину металла, причем с обеих сторон стыка одновременно образуется выпуклость (усиление) шва. Металл шва в этом случае по плотности не уступает шву, сваренному в нижнем положении.

Горизонтальные швы легче выполнять правым способом, при котором газовый поток пламени направлен непосредственно на них и тем самым препятствует стеканию металла сварочной ванны. Сварочную ванну располагают под некоторым углом, облегчающим формирование шва (рис. 17).

Рис. 15. Схема сварки вертикального шва снизу вверх (левый способ): 1 — присадочный пруток; 2 — горелка; 3 — деталь; 4 — шов

Рис. 16. Схема сварки сквозным валиком: 1 — стык; 2 — присадочный пруток; 3 — горелка; 4 — сварочная ванна; 5 — шов; 6 — газовое пламя

Рис. 17. Схема сварки горизонтального шва: 1 — присадочный пруток; 2 — деталь; 3 — горелка; 4 — шов

Потолочные швы легче выполнять правым способом, так как при этом конец присадочного прутка и давление газового потока препятствуют стеканию металла. Получение таких швов левым способом приводит к натекам металла и некачественному формированию валика. При потолочной сварке следует применять более «мягкое» пламя, не раздувающее металл.

Гибка

Подготовительно-сварочные работы включают при необходимости гибку металлов. Если детали имеют форму листов или полос, то находят применение листогибочные машины. Детали с профилем сгибают с помощью специальных прессов.

Если необходимо сделать сгибание небольшого диаметра, а также при большой толщине, то рекомендуется предварительный нагрев. Это сделает металл более податливым и усилий потребуется меньше.

Фиксация

Подготовка деталей под сварку включает их надежную фиксацию друг с другом. Это обеспечит правильное положение при сварке и убережет от их сдвига. Методом, гарантирующим надежную фиксацию, служит выполнение прихваток. Под этим понимаются небольшие швы, выполненные поперек соединения деталей.

Размер их сечения имеет ограничение — оно не должно превышать половины ширины шва. Длина каждой прихватки не более 2 см. Сборка трубопроводов предполагает выполнение более длинных прихваток. Расстояние между ними составляет от 10 до 80 см в зависимости от длины шва. Величина шага зависит также от толщины материалов. Для коротких швов применятся точечное соединение на их краях. Высота прихваток не должна быть слишком большой.

Маленькие швы предотвращают смещение деталей в соединениях, сохраняют постоянство величины зазора между ними и придают конструкции дополнительную жесткость. Особенно это важно для крупных соединений. Прихватки выполняются за один проход.

Прихватки делятся на временные, которые после выполнения сварочного шва удаляют, и те, которые остаются. Выполняют их на оборотной стороне соединения. Перед началом процесса необходимо сделать такую же очистку поверхностей, как и для выполнения основного шва.

Режимы сварки

Режим сварки зависит от вида свариваемого металла, габаритных размеров и формы изделия.

Способ сварки определяется толщиной металла, положением шва в пространстве и т. д. В зависимости от направления движения горелки существуют два способа газовой сварки. При левом способе (рис. 9, а), применяемом наиболее часто, пламя горелки направляют на еще не сваренные кромки металла, а присадочную проволоку перемещают впереди пламени. Для равномерного прогрева и перемещения сварочной ванны горелке и проволоке сообщают колебательные движения поперек шва, чтобы они двигались в противоположные стороны. Левый способ целесообразно применять при сварке металлов малой толщины (до 5 мм), а также металлов со сравнительно низкой температурой плавления. При этом способе обеспечивается лучшее формирование металла шва.

При правом способе (рис. 9, б ) пламя направляют на уже сваренную часть шва; при этом проволоку перемещают по спирали вслед за пламенем, не вынимая ее конца из ванны расплавленного металла. Горелку перемещают прямолинейно. Поперечные колебания сообщают горелке только при сварке деталей большой толщины.

Рис. 9. Способы сварки: а — левый; б — правый; 1 — присадочный пруток; 2 — газовое пламя; 3 — шов; 4 — сварочная ванна; 5 — свариваемый металл

Применение этого способа сварки повышает производительность процесса при одновременном снижении удельного расхода газов за счет более полного использования теплоты пламени, а также уменьшает коробление металла благодаря высокой концентрации нагрева.

Присадочная проволока должна соответствовать основному металлу по механическим свойствам и химическому составу. Диаметр присадочной проволоки d зависит от выбранного способа сварки и толщины основного металла s. Для правого способа сварки d = s/2, для левого — d = s/2 + 1 мм.

Определяющим параметром газовой сварки является номер наконечника горелки, который обеспечивает необходимую мощность пламени. В зависимости от толщины свариваемого металла s, мм, и его теплофизических свойств мощность пламени вычисляют по формуле

М = Сs, (3.1)

где С — удельный расход газа на 1 мм толщины свариваемого металла, дм3/ч.

Удельный расход ацетилена и кислорода на 1 мм толщины свариваемого металла приведен в табл. 1.

Номер наконечника выбирают по технической характеристике инжекторной горелки (ГОСТ 1077 — 79Е).

Дополнительными параметрами газовой сварки, влияющими на качество и геометрические параметры сварного шва, являются скорость сварки, вид пламени, угол наклона наконечника, расстояние от ядра пламени до дна сварочной ванны.

Скорость сварки следует по мере необходимости изменять, так как при неизменной скорости сварки металл можно перегреть или, что еще хуже, пережечь и получить прожог.

Вид пламени также влияет на режим сварки. В процессе сварки нормальное пламя с течением времени стремится к окислительному из-за конструктивных особенностей горелок. Лишний кислород в пламени в конкретном случае может быть нежелателен, поэтому сварщик по мере необходимости увеличивает подачу горючего газа, держа палец на ацетиленовом вентиле.

Угол наклона мундштука изменяют в зависимости от нагрева металла. Его можно считать дополнительным фактором к мощности пламени, и по форме и размерам сварочной ванны (вогнутости или выпуклости) сварщик мгновенно принимает решение об изменении угла. Иногда для этого сварщик на мгновение отводит пламя от сварочной ванны.

Наклон мундштука горелки может меняться в процессе сварки. В начальный момент сварки для лучшего прогрева металла и быстрого образования сварочной ванны угол наклона устанавливают наибольшим (α = 80 … 90°); в процессе сварки угол соответствует толщине s и роду свариваемого металла (рис. 10).

Расстояние от ядра пламени до дна сварочной ванны должно быть постоянным. Нельзя касаться ванны расплавленного металла концом ядра пламени, так как при этом расплав насыщается углеродом.

Рис. 10. Изменение угла наклона мундштука горелки α в зависимости от толщины стали s:

1 — s < 1 мм, α = 10°; 2 — s = 1 … 3 мм; α = 20°;

3 — s = 3 … 5 мм, α = 30°; 4 — s = 5 … 7 мм, α = 40°;

5 — s = 7 … 10 мм, α = 50°; 6 — s = 10 … 12 мм, α = 60°;

7 — s = 12 … 15 мм, α = 70°; 8 — s ≥ 15 мм, α = 80°

Расстояние от кончика ядра пламени до дна сварочной ванны должно быть приблизительно равно длине ядра или быть немного меньше. Сварочная проволока должна находиться в рабочей (восстановительной) зоне или в сварочной ванне (вблизи ее края).

В процессе сварки сварщик совершает наконечником горелки одновременно два движения: поперечное и поступательное. Поперечное движение необходимо для равномерного прогрева кромок основного металла и присадочной проволоки, поступательное — для постепенного заполнения стыка и получения протяженного шва.

При сварке в нижнем положении правым способом без разделки кромок при толщине стали более 3 мм или при сварке стали относительно большой толщины левым способом (с разделкой кромок или без нее) наиболее распространенные движения горелки и конца присадочной проволоки показаны на рис. 11, а. В этом случае концом присадочной проволоки совершают движения, обратные движению сварочной горелки. При выполнении угловых швов для получения швов нормальной формы горелкой и присадочной проволокой выполняют движения, показанные на рис. 11, б.

При сварке правым способом металла толщиной 5 мм пламя горелки углубляют в разделку шва (рис. 11, в) и перемещают вдоль шва без колебательных движений.

Рис. 11. Движения горелки и проволоки при сварке: а — стали толщиной более 3 мм в нижнем положении; б — угловых швов; в — правым способом с разделкой кромок; 1 — движение проволоки; 2 — движение горелки; 3 — места задержки движения

При сварке стали малой толщины без отбортовки кромок, когда процесс сварки ведется с присадочной проволокой, получил распространение способ последовательного образования сварочных ванночек. Сущность этого способа заключается в том, что сварщик, образовав сварочную ванночку (при малой толщине стали диаметр сварочной ванночки составляет 4 … 5 мм), вводит в нее конец присадочной проволоки и, расплавив небольшое количество присадочного металла, выводит конец из сварочной ванночки в среднюю зону пламени. При этом горелкой, приблизив ее к поверхности металла, он делает резкое круговое движение, переводя ее в следующую позицию. Каждая последующая ванночка перекрывает предыдущую на 1/3 ее диаметра (рис. 12). Процесс сварки в этом случае ведется левым способом.

Качественное выполнение сварки этим способом, обеспечивающим исключительно гладкую и ровную поверхность шва, требует соблюдения двух основных условий: во избежание окисления металла не следует выводить конец присадочной проволоки за пределы средней зоны пламени; во избежание науглероживания металла шва ядро пламени при приближении к сварочной ванночке не должно касаться ее поверхности.

Для уменьшения коробления и предупреждения трещинообразования листы при сварке укладывают с расширением зазора между кромками таким образом, чтобы в конце шва он составлял 2 … 4 % его длины (не более 4 … 6 мм). По мере образования сварного шва зажимное приспособление (рис. 13, а) постепенно ослабляют; при этом зазор уменьшается до требуемой величины вследствие усадки металла уже выполненного участка шва. Величину зазора устанавливают прихватками либо с помощью клина, вставляемого в стык и передвигаемого вдоль кромок по мере выполнения шва. Если прихватки приводят к короблению изделий, то сварку выполняют в специальных зажимных приспособлениях с точной взаимной установкой кромок (рис. 13, б ).

Рис. 12. Схема сварки последовательным образованием сварочных ванночек: 1, 2 — места размещения прихваток

Рис. 13. Зажимные приспособления для сварки с переменным (а) и постоянным (б ) зазором

Для снижения сварочных напряжений, а следовательно, уменьшения коробления можно использовать метод ступенчатой или обратно-ступенчатой сварки. При этом шов по длине разбивают на участки, свариваемые в определенном порядке (рис. 14). Каждый последующий участок перекрывает предыдущий на 10 … 20 мм в зависимости от толщины свариваемого металла. Деформацией каждого последующего свариваемого участка полностью или частично снимается деформация, полученная предыдущим участком.

Рис. 14. Схема обратно-ступенчатой сварки: а — от кромки; б — от середины; 1 — 5 — последовательность сварки участка шва; стрелками показано направление сварки

Сборка изделий

Подготовка поверхности металла под сварку заканчивается их сборкой. Точность взаимного расположения будет влиять на качество соединения. Перед началом сборки проверяют все детали на соответствие их размеров требованиям чертежей. Для сборки могут использоваться шаблоны, а при серийном производстве используются кондукторы, которые облегчают процесс сборки.

Сборка под сварку проводится на специальных стендах. Допускается применение подпорок и струбцин. По мере формирования шва их убирают.