HomeСварка стали › Покорение стали, сплавов

Покорение стали, сплавов

Покорение стали, сплавовПокорение металлов и сплавов.Начиная с XVIII в. в результате бурного развития химии и металлургии, а затем и электротехники человечество получило много тысяч сплавов металлов с различными свойствами. Интенсивно пополняется этот арсенал материалов и в настоящее время.

 

Эти материалы способны «работать» в самых критических условиях, под действием сверхвысоких и сверхнизких давлений, способны сохранить прочность при таких температурах, когда обычные материалы плавятся, выдерживают действие агрессивных сред, обладают специальными электрическими, магнитными и другими свойствами.

 

Такие специальные материалы необходимы современной энергетике, радиоэлектронике, ракетостроению, авиации, химии и другим отраслям новой техники.

Нередко для соединения новых материалов существующие способы сварки оказываются непригодными. И тогда перед учеными-сварщиками возникает задача создать новый технологический процесс.

 

Для решения этой задачи необходимо: 1) выбрать способ подвода энергии к зоне сварки; 2) определить источник энергии и способ ее преобразования в виды, необходимые для сварки; 3) изыскать пути защиты зоны сварки, обеспечивающей высокое качество металла шва; 4) разработать основное и вспомогательное оборудование; 5) разработать сварочные материалы.

 

Прежде чем рассказать, как решены задачи сварки цветных металлов, рассмотрим, как совершенствуется сварка черного металла — стали. Ведь список новых материалов в основном пополняется за счет сплавов железа, основным из которых и является сталь.

 

Нелегкая работа создать защиту сварочной ванны, . Многим отраслям промышленности и строительства потребовались материалы со специальными свойствами. Чтобы обеспечить требуемые теплостойкость и жаропрочность, магнитную проницаемость и вязкость, электросопротивление, металлурги вводили в сталь никель и хром, молибден и ванадий, вольфрам и титан, ниобий и цирконий и др.

 

В 50-х гг. автоматическая и полуавтоматическая сварка сталей под флюсом по производительности труда и качеству сварного соединения опередила своих конкурентов — ручную дуговую сварку штучными электродами и газовую сварку.

 

В то же время флюсы и электродные покрытия, разработанные для сварки одних сталей, не обеспечивали соответствующий состав и свойства металла шва при сварке других сталей. Причиной этого были «незапланированные» химические реакции между элементами, входящими в состав флюса, металла кромок и электродного металла.

 

Правда, сварочная наука уже могла предсказать эти изменения. Раздел ее, получивший название металлургии сварки, изучал особенности металлургических процессов в зоне сварки. В малом объеме ванны при высоких и неравномерных температурах, быстром нагреве и охлаждении расплавленный флюс (шлак) и жидкий металл взаимодействуют всего несколько секунд.

 

За это время одни элементы успевают перейти из шлака в металл, другие, наоборот, вытесняются из металла, количество третьих выравнивается или перераспределяется. Причем в зоне высоких температур средней части ванны реакции могут идти в одном направлении, а в хвостовой части — в противоположном.

 

Зная эти и многие другие особенности, можно было рассчитать составы флюсов для сварки каждого металла и после нескольких пробных сварок откорректировать состав так, чтобы все превращения в конце концов дали требуемый металл шва. Но состав флюса влияет не только на характер реакций. Каждый компонент по-своему изменяет и физические свойства флюса, от которых также зависит качество шва.

 

Например, если в момент кристаллизации ванны флюс окажется очень вязкий, то поверхность шва принимает форму затвердевшей шлаковой корки. При сварке кольцевых швов шлак не должен быть слишком жидким, потому что, стекая, он будет увлекать за собой металл ванны. И во всех случаях затвердевший шлак должен легко отделяться от шва. При плавлении флюса должны выделяться газы, оттесняющие воздух от дуги, но они не должны быть вредными для здоровья.

 

Сварка под флюсом до сих пор не исчерпала своих возможностей, но проблемы научно-технической революции заставили ученых искать и другие пути соединения новых сплавов. И прежде чем в практику вошли новые источники энергии и такой прием улучшения качества металла, как вакуум, у сварочной ванны появилась новая защитная среда — газ.

Газовый щит для самого прочного металла.

 

Подавать газ в зону горения дуги предложил еще Н. Н. Бенардос. Примененный им горючий газ одновременно подогревал место сварки и оттеснял воздух от жидкого металла. Позже были предложены и некоторые другие газы и приемы их использования, однако заметного улучшения качества и повышения производительности достигнуть не удалось.

 

Процесс дуговой сварки в защитных газах протекал очень нестабильно (особенно не плавящимся электродом). Работать с такой дугой было трудно, а для улучшения ее технологических свойств необходимы были специальные источники питания, проволока специального состава, дешевые чистые газы и надежные механизмы для подачи проволоки.

 

К тому времени (в конце 40-х — начале 50-х гг.), когда ученые снова обратили внимание на сварку в защитных газах, некоторые вопросы в принципе были решены благодаря достижениям сварки под флюсом. Да и на вооружение электротехники поступили новые элементы, из которых можно было создать сварочные выпрямители с заданной или регулируемой характеристикой: стабилизаторы, обеспечивающие постоянство скорости подачи электрода, и т. д.

 

Основное внимание ученые, занявшиеся новыми способами дуговой сварки, уделили исследованию характера плавления электродной проволоки. Советским сварщикам пришлось заниматься и металлургическими задачами. Они доказали, что в качестве защитной среды можно использовать дешевый углекислый газ. Правда, сам газ в условиях дуги диссоциируется, и избыток кислорода окисляет металл.

 

Для того чтобы не выгорало железо и другие элементы, входящие в состав свариваемой стали, было предложено вводить раскислители — элементы, близкие по своим свойствам к кислороду. При сварке многих марок сталей окисляющее действие удалось компенсировать избыточным количеством обычных для сталей элементов — кремния и марганца. Для соединения изделий из высоколегированных сталей в сварочную проволоку дополнительно добавляют хром, титан, ниобий, алюминий.

 

Ученые США пошли по другому пути. Для защиты зоны сварки они применили инертные газы — аргон и гелий. Эти газы практически не вступают в химические реакции с элементами свариваемых сплавов. Значит, рассчитывать состав электродной проволоки значительно легче — нужно только учесть, сколько каких элементов испарится, и соответственно увеличить их количество.

 

Способы сварки в защитных газах были лишены недостатков способа сварки под флюсом, но имели существенные собственные недостатки, например разбрызгивание капель металла. Это вызвало необходимость проводить многочисленные научные исследования особенностей плавления электрода. Отрыв и полет капли электродного металла.

 

Исследования эти возглавили крупнейшие ученые-сварщики. Эксперименты проводились с помощью новейшей аппаратуры: скоростных и сверхскоростных кинокамер, шлейфных и катодных осциллографов, характер плавления электрода, размер и особенности перемещения капли зависят от действующих на нее сил.

 

Лазеров и рентгеновских аппаратов и др. Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ. По результатам расчетов строились графики и таблицы.

Почему и зачем такое большое внимание вдруг уделили маленькой капле? Потому, что маленькие капельки забрызгивали аппаратуру, и в первую очередь сопла горелок, увеличивали потери дорогой электродной проволоки. Потому, что капли, летящие хаотически, не всегда попадают в сварочную ванну.

 

Сила тяжести (Рт) при сварке в нижнем положении способствует отрыву капли, а в потолочном задерживает каплю на торце электрода. Электромагнитная сила сжатия (проводника с током (Рю) стремится пережать перемычку, соединяющую жидкий металл с электродом, и тем способствует отрыву капли. Сила поверхностного натяжения (Р6) всегда притягивает каплю к электроду, но величина силы уменьшается по мере роста капли. Реактивная сила испарения (Ри) давит на каплю со стороны дуги.

 

Ученые не только разобрались в характере действия сил, но и нашли приемы, с помощью которых удалось усилить или уменьшить влияние отдельных сил и тем самым изменить характер переноса. Один из самых эффективных приемов — воздействие на электродинамическую силу. Были сконструированы специальные источники питания, в которых на основной ток дуги накладываются электрические импульсы.

 

Параметры импульсов (ток, напряжение, мощность) изменяются по определенной программе, и еще до образования крупной капли пинч-эффект (магнитное поле) с большой силой «пережимает» перемычку и отбрасывает каплю строго по оси электрода. 100 капель в секунду выстреливает такой электрод.

 

В настоящее время сварочная техника располагает большим набором разнообразных источников питания, которые облегчают сварку и помогают получить шов высокого качества. А работа над источниками питания продолжается. В будущем такие источники будут получать информацию о ходе процесса сварки и реагировать на все отклонения от заданных параметров режима. Еще лучшие результаты будут получены, когда обратные связи станут учитывать качество сварных швов.

 

Для повышения качества сварки были разработаны и специальные электродные проволоки. В способе дуговой сварки порошковой проволокой сварщикам удалось совместить преимущества шлаковой и газовой защиты, обеспечить защиту зоны сварки от окружающего воздуха, легировать металл шва и стабилизировать дугу.

При этом сохранены варианты автоматической и полуавтоматической сварки.

 

Свариваемость металлов. Последние разработки ученых дали в руки сварщиков такие сварочные материалы, которые обеспечивают высокое качество соединения почти всех типов и классов сталей. Мы сказали «почти» потому, что возможности сварки не безграничны. Физические и химические свойства некоторых очень нужных для промышленности сплавов таковы, что любые способы сварки дают трещины, зоны высокой хрупкости, поры.

 

Свойства сплавов зависят от количества легирующих элементов, но даже самые лучшие из них нельзя вводить неограниченно. Сварочная наука в настоящее время может предсказать, какие сплавы будут хорошо свариваться, а какие — плохо. Возьмем, к примеру, сталь. Содержание углерода, марганца и еще ряда элементов в различной степени влияет на свариваемость сталей. Поэтому их воздействие сравнивают с влиянием углерода — приводят к эквиваленту углерода.

 

Ученые установили, что отрицательное воздействие хрома, молибдена приблизительно в 5 раз меньше, марганца — в 6 раз, кремния — в 24 раза, ванадия — в 14 раз меньше влияния углерода. Чтобы знать, сколько в низко- и среднелегирован-ную сталь можно ввести легирующих элементов, существует формула эквивалента углерода:

 

Вместо символов подставляется процентное содержание элементов и определяется Сэка . Надежное соединение толстолистовой стали без специальных приемов можно получить при условии, что эквивалент углерода в металле шва не будет превышать 0,47%.

 

Если же расчетное эквивалентное содержание углерода будет выше, то для избежания трещин следует применить предварительный подогрев. Иногда в состав шва вводят элементы, снижающие склонность к тре-щинообразованию (например, титан).

 

Формула эквивалента углерода в сталях выведена опытным путем и не всегда отражает точную картину взаимодействия различных элементов в сварочной ванне и изменения структуры при охлаждении металла шва. Поэтому при определении свариваемости ученые сваривают образцы специальной формы, исследуют микроструктуру наплавленного металла и т. д.

 

Правда, свариваемость многих сплавов давно известна. Хорошо свариваются малоуглеродистая сталь и технически чистый алюминий. Пониженной свариваемостью отличаются многие чугуны, большинство медно-цинковых сплавов.

 

Особую сложность представляет сварка разнородных металлов, отличающихся один от другого по свойствам. Большая разница температур плавления и кипения (железо — цинк, вольфрам — свинец), образование хрупких интерметаллических соединений (алюминий — медь, железо — титан) и другие причины вынуждают ученых разрабатывать специальные приемы сварки, особые сварочные материалы.

 

Тяжелая сварка легкого металла. Алюминий в природе встречается довольно часто и занимает третье место, после кислорода и кремния, и первое место среди металлов. Этим он обязан своим ценным свойствам, особенно малой плотности, высокой теплопроводности и электрической проводимости, высокой пластичности и хорошей коррозионной стойкости.

Алюминий широко применяется во многих областях техники, кое-где вытеснил сталь, чугун, медь.

 

Но получить качественное сварное соединение из алюминия очень сложно из-за особенностей его физических и химических свойств. Несмотря на сравнительно низкую температуру плавления алюминия (660° С), из-за высокой теплопроводности и теплоемкости и большой скрытой теплоты плавления для создания сварочной ванны требуется значительное количество тепла.

 

На поверхности алюминия при контакте с воздухом (или другой кислородсодержащей средой) мгновенно образуется прочная окисная пленка, которая хорошо защищает металл от коррозии. Чтобы расплавить эту пленку, необходима очень высокая температура. Расплавить ее так же трудно, как железный чайник, в котором кипит вода (разность температур плавления этих пар веществ приблизительно одинаковая).

 

В принципе для сварщиков не представляет особой трудности расплавить железо раньше, чем успеет закипеть вода. Но, как вы уже знаете, задача у сварщиков посложнее — получить качественное соединение. Окисн.ая пленка алюминия, толщина которой резко возрастает с повышением температуры, препятствует сплавлению кромок. Ее обломки застревают в металле ванны, ухудшают прочность и герметичность соединения.

 

Наиболее эффективными средствами для удаления окисной пленки оказались действие электрического тока и химическое взаимодействие с элементами из группы галогенов. В природе известно много соединений, содержащих галогены, — хлор и фтор, однако для сварочного флюса выбор ограничивался особыми требованиями, в том числе и невысокой температурой плавления (600-700° С). Этим требованиям удовлетворяют галогенные соли щелочных и щелочноземельных металлов (NaF; LiCl; NaCl; КС1; NasALFe), которые и послужили основой для флюсов и электродных покрытий.

 

Когда были определены составы и изготовлены флюсы, оказалось, что дуга под ними не горит. Правда, дуга возбуждалась вполне нормально, но, как только образовывалась ванна с расплавленным над ней флюсом, дуга начинала гореть очень неустойчиво, режим сварки нарушался. Причину этого явления нашли быстро: флюсы в расплавленном состоянии обладают высокой электропроводностью и шунтируют дугу. Ток от электрода идет в основном через окружающий жидкий флюс.

 

Как заставить ток идти через дугу, не изменяя состава флюса? Ученые уменьшили высоту слоя флюса настолько, чтобы она стала меньше длины дугового промежутка. Теперь часть дуги горела снаружи, и способ уже нельзя было называть «сварка под флюсом».

 

Способ сварки по флюсу обладает многими положительными качествами и нашел широкое применение в промышленности. Однако его недостатки: невозможность применения при> сварке в различных пространственных положениях и снижение коррозионной стойкости из-за остатков флюсов металла шва на поверхности шва — вынуждали продолжать исследования и разрабатывать способы сварки в инертных газах плавящимся и неплавящимся электродами.

 

При этом изделие подключают под отрицательный потенциал источника питания или питают дугу переменным током. Окисная пленка в зоне сварки подвергается катодному распылению. В борьбе за повышение скорости движения. Поисковая научно-исследовательская работа сварщиков не заканчивается созданием способа сварки и аппаратуры. Очень часто применение нового способа сварки для того или иного изделия, разработка конкретной технологии выливаются в сложный научный поиск, в котором участвуют не только ученые, но и заводские рабочие, техники, инженеры.

 

 

Безостановочно работают сварочные автоматы, соединяя огромные стальные полотнища. Но и здесь сварщику — оператору приходится тщательно следить за процессом сварки.

Примером такого содружества науки и производства может служить совместная работа сотрудников научно-исследовательских институтов с работниками Калининского и Рижского вагоностроительных заводов над созданием пассажирских вагонов из алюминиевых сплавов.

 

Чтобы повысить скорость движения, необходимо уменьшить вес вагонов. Поэтому решено было разработать конструкцию и технологию изготовления пассажирского электропоезда из алюминиевых сплавов. В традиционных стальных вагонах основную нагрузку несла на себе мощная хребтовая балка, на которую и опирался весь кузов. В новом, алюминиевом вагоне от такого тяжеловесного «хребта» отказались.

 

Его обязанность решили возложить на боковые стенки, воспринимающие нагрузку от остальных узлов. Тщательные исследования позволили отобрать четыре способа сварки, оптимальные только для определенной группы соединений. В Институте электросварки им. Е. О. Патона была рассчитана последовательность сборки и сварки элементов и узлов с минимальными деформациями и напряжениями.

 

В результате вес цельносварного вагона Калининского завода при замене стали алюминием уменьшился с 51 до 26 т. Металл, поглощающий воздух. Редко кто, кроме сварщиков, имеет право называть так титан — серебристо-белый металл, обладающий, по крайней мере, двумя непревзойденными свойствами: высокой удельной прочностью (прочность, отнесенную к плотности) даже при температуре 500° С и отличной коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. «Вечный» металл уже стал незаменимым в химическом машиностроении, авиапромышленности, радиоэлектронике, судостроении, пищевой промышленности.

 

Сварить титан нелегко. Трудность вызвана большой химической активностью при высоких температурах. Металл, нагретый чуть выше 400° С, начинает буквально поглощать кислород, азот, водород и портиться на глазах: изменяется цвет, снижается пластичность и вязкость, в сварных швах появляются холодные трещины. И что самое опасное — треснуть соединение может спустя несколько месяцев.

Но сваривать титановые изделия необходимо. Прочность титановых сплавов находится в пределах 100 кгс/мм2 и почти достигает показателей прочности легированных сталей, а плотность (4,5 г/см3) чуть ли не вдвое меньше стали. Металл как будто специально был создан для самых различных космических конструкций.

 

Но ведь из титана хорошо бы сделать и огромные химические реакторы, и заводские трубы высотой в сотни метров. Стоимость камер для таких изделий да труд сварщиков в скафандрах не окупится всеми эксплуатационными преимуществами титана. Поэтому легче и дешевле сваривать титан в обычных атмосферных условиях.

 

Для защиты участка, примыкающего к шву и нагреваемого свыше 400° С, разработаны специальные приспособления: удлиненные насадки и защитные козырьки, прикрепляемые к горелкам, через которые подают аргон. Дуговую сварку титана и его сплавов можно выполнять как неплавящимся электродом в аргоне, так и плавящимся в аргоне и под флюсом. Однако наиболее качественный металл шва получается при использовании специальных флюсов — паст.

 

Этот способ совмещает в себе преимущества способа сварки титана под флюсом и сварки неплавящимся электродом в аргоне. Флюсы и флюсы-пасты имеют одну особенность — в их состав не должны входить вещества, содержащие кислород, поэтому основой их являются фториды и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов. Стыки большой толщины соединяют электрошлаковым способом.

 

А при сварке титана над поверхностью шлаковой ванны специально пропускают аргон. Под дугой один из старейших металлов. Медь — металл, известный с древних времен, в период научно-технической революции играет большую роль в тех отраслях промышленности, где требуется ее исключительная электропроводность и теплопроводность.

 

Кроме того, медь достаточно хорошо сопротивляется коррозии, легко обрабатывается, устойчива против перехода в хрупкое состояние даже при температурах глубокого холода. Медь нашла широкое применение в электротехнике, в холодильных установках; из нее делают многие детали сварочных установок, работающие в сложных температурных условиях, — сопла горелок, водоохлаждаемые кристаллизаторы, ползуны, ограничивающие шлаковую ванну.

 

Конечно, сварщики не остались в долгу перед таким важным для них металлом. В принципе медь обладает хорошей свариваемостью, если не считать таких свойств, как 1) легкая окисляемость в расплавленном состоянии и образование закиси меди (эта закись сосредоточивается по границам кристаллов — и в результате трещины); 2) пониженная стойкость против пор из-за выделения водяного пара при кристаллизации; 3) высокая теплопроводность; 4) высокая жидкотеку честь и т. д.

 

В настоящее время для изготовления медных изделий применяются как старые способы дуговой сварки (угольным электродом, вручную покрытыми электродами), так и новые (под флюсами, в защитных газах, плазменный). В качестве защитных газов для меди кроме инертных применяются азот и даже водород. Металл толщиной более 4 мм обычно сваривают с подогревом.

 

Труднее сваривать сплав меди — латунь. Для того чтобы предотвратить испарение легкоплавких составляющих, особенно цинка, разработаны специальные технологические приемы. В лабораториях сварщиков — новые металлы. С развитием новых отраслей техники расширяется применение металлов, обладающих различными, чаще всего уникальными, свойствами. Однако особенности каждого металла очень часто вынуждают разрабатывать специальные приемы сварки.

 

Рассмотрим некоторые из таких сплавов. Никель обладает очень высокой стойкостью против коррозии, жаропрочностью, большим омическим сопротивлением. При изготовлении аппаратов для химической промышленности, для электрохимии наибольшее применение находит аргонно-дуговая сварка вольфрамовым электродом, вытеснившая остальные виды дуговой сварки. Технология сварки никеля имеет большое сходство с технологией сварки легированных сталей, однако никель намного чувствительнее к образованию пор. Поэтому в зоне сварки недопустимо присутствие азота и кислорода.

 

Наибольшую сложность для сварщиков представляют тугоплавкие металлы (и сплавы на их основе): цирконий, ниобий, вольфрам, ванадий, молибден и др. Применяются тугоплавкие металлы в ответственных конструкциях (в том числе и в атомных реакторах, ракетно-космических системах), и требования к сварным соединениям предъявляются самые жесткие.

 

В комплексе с замечательными эксплуатационными свойствами этих металлов находятся и отрицательные технологические: склонность к образованию трещин, высокая температура плавления, стремление вступить в реакцию с газами атмосферы при повышенной температуре, хрупкость при насыщении газами.

 

Наибольшими возможностями при решении проблем соединения новых металлов обладают способы сварки с высокой концентрацией энергии. Сварщики изыскивают всевозможные приемы сжатия дугового разряда — самого распространенного и универсального источника. Если бы дуга вела себя, как обычный металлический проводник, то повысить плотность тока в столбе и в активных пятнах можно было бы простым увеличением силы тока в сварочной цепи.

 

Но процессы, о которых мы рассказали, приводят к тому, что одновременно с увеличением тока увеличивается и диаметр столба. Количество выделяемого в дуге тепла возрастает, но концентрация его и температура почти не увеличиваются.

 

Только благодаря сжатию дуги в специальных горелках-плазмотронах удается повысить концентрацию энергии и среднемассовую температуру, что дает ощутимый технологический эффект. В последнее время были созданы плазмотроны, в которых вместо аргона Микроплазменная сварка быстро завоевала огромную популярность в приборостроении, ювелирном деле, электротехнике и других отраслях промышленности, имеющих дело с тончайшими изделиями.

 

В качестве плазмообразующего применяется дешевый углекислый газ. Открылась дорога к плазменной сварке обычных сталей, появилась возможность увеличить скорость сварки металлов средней толщины до нескольких сотен метров в час.

 

Конечно, сварщики не могли выпустить из поля зрения и лучевые источники тепла. Ученые разных стран, занимающиеся сварочными проблемами, внимательно следили за успехами физиков в области оптики, лазерной техники. И не только следили, но и интенсивно проводили собственные исследования, необходимые для практического применения в сварке.

 

Уже первые исследования показали — световой луч обладает некоторыми уникальными свойствами. Он не требует вакуума, так как может проходить через значительный слой воздуха, не ослабевая. Более того, тепло можно передать и через стеклянную оболочку, прикрывающую изделие. Очень важным свойством следует считать то, что в зону нагрева лучи не вносят примесей других веществ.

 

Исследователи не сомневаются в отдельных преимуществах фотонной сварки (от искусственного источника света) и гелиосварки (от Солнца), и не исключено, что через небольшой отрезок времени очередные проблемы научно-технического развития будут решены с помощью новых способов сварки.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.