Легування металу шва

Легуванням називають – введення в метал шва  різноманітних хімічних елементів ( хром, нікель, титан, марганець, молодан та інші) для надання металу шва необхідних властивостей, міцність, корозійна стійкість, жаро прочнисть та інші.

Ці елементи вводяться до складу електродів, електродного дроту, присаджувального дроту, електродного покриття та флюсів.

При зварюванні легуючі елементи частково вигорають і неповністю переходять у  шов це треба  ураховувати при виборі  марки електроду або флюсу.

Металургійні процеси при зварюванні

Металургійні процеси при зварюванні — це процеси взаємодії рідкого металу з газами та шлаками. Ці процеси проходять під час плавлення електрода, при переході краплі рідкого металу через дугу, а також у самій ванні.

Зварювальні металургійні процеси мають такі особливості:

• Висока температура нагрівання металу;
• Малий об'єм зварювальної ванни;
• Активна взаємодія розплавленого металу з навколишнім середовищем і шлаками;
• Короткочасність процесу.
• Висока температура дуги й зварної ванни призводить до розпаду (дисоціації) молекул кисню, азоту, водню на атоми та іони. У цьому стані гази стають дуже активними й вступають у хімічні з'єднання з металом шва, погіршуючи його властивості.

Малий об'єм зварної ванни сприяє її швидкому охолодженню. При цьому створюються перешкоди очищенню металу від неметалевих включень та оксидів, які не встигли вийти на поверхню шва.

Активна взаємодія розплавленого металу з навколишнім середовищем і шлаками сприяє додатковому насиченню металу шва газами й шлаковими включеннями.

Короткотривалість процесу зварювання призводить до того, що хімічні реакції між розплавленим металом і шлаком не завершуються. Швидка кристалізація вливає на структуру й механічні властивості металу шва. Час від початку розплавлення до застигання зварної ванни становить декілька секунд. За секунду метал охолоджується від 5 до 15°С.

Забруднення металу шва

Метал шва насичується шкідливими речовинами з навколишнього повітря, вологи, іржі, масла мінералів, які входять до складу зварювальних матеріалів, різних хімічних сполук, що утворюються під час взаємодії розплавленого металу із зварювальними матеріалами.

Забрудненню металу шва можна запобігти такими способами:

• Просушування зварювальних матеріалів для видалення вологи, кисню й водню;
• Видалення іржі, масла та вологи з поверхні зварюваних деталей;
• Створення газового й шлакового захисту дуги та зварюваного металу;
• Розкислення — переведення оксиду заліза в нерозчинні сполуки з наступним видаленням у шлак (розкислювачі вводяться у зварну ванну через електродний дріт, покриття, флюси). Розкислювачами є марганець, кремній, титан, алюміній, вуглець та інші елементи;
• Рафінування — видалення сульфідів, фосфідів, нітридів, водню за допомогою хімічних реакцій та утворення нових хімічних сполук, які не розчиняються в залізі, а переходять у шлак.

Легування металу шва.

Легуванням називається процес введення в метал шва різних елементів (хром, нікель, титан, марганець, вольфрам, молібден, ванадій та ін.), надаючи йому необхідних властивостей (міцності, в'язкості, корозієстійкості та ін.). Ці елементи вводяться до складу електродного дроту, присаджувального металу, електродного покриття або флюсу. При зварюванні легуючі елементи частково вигоряють і неповністю переходять у шов. Це треба враховувати при виборі марки електрода, присаджувального дроту, флюсу.

Автор: І.В.Гуменюк і О.Ф.Іваськів

Книга: Технологія електродугового зварювання

Ручне дугове зварювання

Ручне дугове зварювання — дугове зварювання покритим металевим електродом під час якого основні операції виконує зварник вручну. Один із найстаріших методів дугового зварювання та найбільш універсальний. Даний вид зварювання не потребує великої кількості коштовного обладнання та має просту схему зварювального обладнання.

Обладнання зварювального поста

Зварювальним постом називається робоче місце зварника, обладнане всім необхідним для виконання зварювальних робіт. Зварювальний пост укомплектовують джерелом живлення (трансформатор, випрямляч), зварювальними кабелями, електродотримачем або пальником, пристосуваннями, інструментами, засобами захисту.

Зварювальні пости можуть бути стаціонарні й пересувні. Стаціонарні пости — це відкриті зверху кабіни для зварювання виробів невеликих розмірів. Каркас кабіни висотою 1800-2000 мм виготовляють із сталі. Для кращої вентиляції стіни кабіни піднімають над підлогою на 200-250 мм. їх виготовляють із сталі, азбестоцементних плит, інших негорючих матеріалів і фарбують вогнетривкою фарбою (цинкові, титанові білила, жовтий крон), яка добре поглинає ультрафіолетові промені зварювальної дуги. Дверний проміжок закривають брезентовою ширмою. Підлогу роблять з бетону, цегли, цементу. Кабіни повинні освітлюватись денним і штучним світлом і добре провітрюватись. Для роботи сидячи, використовують столи висотою 500-600 мм, а при роботі стоячи — близько 900 мм. Кришку стола площею 1 м2 виготовляють із сталі товщиною 15-20 мм або з чавуну товщиною 25 мм. До стола під'єднують струмопровідний кабель від джерела живлення. Поряд із столом розміщують кишені для електродів та їх відходів, інструменти (молоток, зубило, сталева щітка тощо) й технологічну документацію. Для зручності при зварюванні встановлюють металеве крісло з діелектричним сидінням. Під ногами має бути гумовий килимок, а все обладнання кабіни — надійно заземлене.

Пересувні пости використовують при зварюванні великих виробів безпосередньо на виробничих ділянках.

Перспективи розвитку зварювання

Важливою науково-технічною проблемою є створення економічних, надійних і довговічних зварних конструкцій, що можуть працювати на землі, під водою і в космосі, при великій різниці температур, в агресивних середовищах і при інтенсивному опромінюванні. За допомогою зварювання і споріднених технологій створюється більше половини валового національного продукту промислово розвинутих країн. У зварювальному виробництві зайнято близько 5 млн людей, переважна більшість яких (70-80%) виконують електродугові процеси. 

Основою зварювального виробництва є зварювання плавленням. Техніка і технологія цього процесу постійно вдосконалюються. На ринку зварювального обладнання перше місце займає апаратура для дугового зварювання. Зростає виробництво апаратури для зварювання порошковими і суцільними дротами при зменшенні частки обладнання для ручного дугового зварювання покритими електродами. У промислово розвинених країнах частка металу, наплавленого ручним дуговим зварюванням, зменшилась майже в З рази і становить 20-30%, в інших країнах таке зниження менш інтенсивне. Друге місце займає виробництво обладнання для контактного зварювання. При цьому частка обладнання для газового зварювання і різання зменшується. У світовій практиці останнім часом почали широко використовувати інверторні джерела живлення, що мають великі можливості для автоматичного керування зварювальними процесами.

 Розширюються галузі застосування лазерних технологій, зокрема потужних діодних зварювальних лазерів з високим к.к.д. Широкі можливості використання електронно-променевого зварювання, яким за один прохід можна зварювати метали товщиною до 200-300 мм. Для розвитку важкого машинобудування велике значення має електрошлакове зварювання при виготовленні крупнога-баритних товстостінних виробів. Успішно розвивається контактне зварювання (роликове, точкове й рельєфне).

 Розвиток електронної техніки й приладобудування призвів до створення ультразвукового, дифузійного, пресового та зварювання інших видів. Забезпечення з'єднань високої якості у складних умовах вимагає вдосконалення техніки та засобів підготовки до ремонтного зварювання. Невід'ємною частиною зварювального виробництва є наплавлення, для якого використовують 8-10% електродів і суцільних дротів та 30% порошкових дротів від загального об'єму зварювальних матеріалів і практично всі спечені й порошкові стрічки. Удосконалюються технології нанесення спеціального та захисного покриття методами плазмо-дугового. електронно-променевого, газотермічного й динамічного напилення. Особливе значення мають технології склеювання. Створено значну кількість клеєвих композицій, які дають можливість з'єднувати одно- та різнорідні матеріали.

Основні види зварювання

Зварювання — це процес одержання нероз'ємного з'єднання шляхом встановлення міжатомних зв'язків між зварюваними частинами при їх місцевому або загальному нагріванні, пластичною деформацією або їх спільною дією.

Залежно від виду енергії зварювання поділяють на три класи: термічний, термомеханічний та механічний. До термічного класу належать види зварювання за допомогою плавлення, в яких для розплавлення металу використовують теплову енергію:

•  дугове зварювання — нагрівання здійснюється електричною дугою; 
• плазмове зварювання — нагрівання здійснюється стиснутою дугою; 
• газове зварювання — нагрівання здійснюється полум'ям газів; 
• електрошлакове зварювання — для нагрівання використовують тепло, яке виділяється при проходженні електричного струму через розплавлений електропровідний шлак; 
• електронно-променеве зварювання — для нагрівання використовують тепло електричного променя, яке виділяється за рахунок бомбардування зони зварювання направленим потоком електронів; 
• лазерне зварювання — розплавлення здійснюється енергією світлового променя, одержаного від оптичного квантового генератора; 
• термітне зварювання — використовується тепло, утворене в результаті спалювання термітного порошку, який складається з суміші алюмінію та оксиду заліза. 

До термомеханічного класу належать види зварювання, в яких використовується теплова енергія й тиск:

• контактне зварювання — із використанням тиску та нагрівання при проходжені електричного струму через контактні поверхні; 
• дифузійне зварювання проходить через взаємну дифузію атомів контактних поверхонь при тривалому впливі підвищеної температури і незначній пластичній деформації; 
• пресове зварювання — нагрівання здійснюється полум'ям газів (газопресове зварювання), дугою (дугопресове зварювання), електрошлаковим процесом (шлакопресове зварювання), індукційним нагріванням (індукційно-пресове зварювання), термітом (термітно-пресове зварювання). 

До механічного класу належить зварювання, яке виконується з використанням механічної енергії й тиску:

• ультразвукове зварювання — тиск створюється ультразвуковими коливаннями; 
• холодне зварювання — використовується тиск при значній пластичній деформації без нагрівання; 
• зварювання вибухом відбувається в результаті викликаного вибухом удару швидко рухомих частин; 
• зварювання тертям відбувається в результаті стискання і нагрівання зварюваних деталей за рахунок тертя при їх обертанні; 
• імпульсно-магнітне зварювання — тиск електрода підсилюється імпульсним магнітним полем, завдяки чому подача електрода в період стискання прискорюється настільки, що набирає ударного характеру. 

Процеси дугового зварювання називаються механізованими у випадку, коли за допомогою різних приводів і механізмів (електричних, пневматичних, гідравлічних та ін.) виконуються основні зварювальні операції, наприклад, подача електродного дроту в зону зварювання, підвід електричного струму, подача захисного газу, переміщення зварювальної дуги вздовж шва, подача флюсу тощо. Із механізованих способів зварювання плавленням широко використовуються автоматичне і напівавтоматичне зварювання під флюсом, у захисних газах, електрозаклепками, електрошлакове та ін.

Історія розвитку зварювання

Історія розвитку зварювання бере свій початок в XIX ст. У 1802 р. російський вчений В. В. Петров відкрив явище електричної дуги і вказав на можливість її використання для розплавлення металів. Але тільки в 1882 р. російський інженер II. Н. Бенардос відкрив спосіб електродугового зварювання неплавким вугільним електродом і запропонував конструкції простих зварювальних автоматів.

У 1888 р. російський інженер Н. Г. Слав'янов запропонував виконувати зварювання плавким металевим електродом. Він першим у світі виготовив зварювальний генератор, створив автоматичний регулятор довжини дуги і розробив металургійні основи зварювання. Широке промислове застосування і розвиток зварювання почалися в 30-ті роки XX ст. З'явились нові види зварювання: електрошлакове, під шаром флюсу, у вуглекислому газі, електронне променеве, підводне.

У 1924-1935 pp. використовувались електроди без покриття або з тонким іонізуючим покриттям. З 1935-1939 pp. почали широко використовувати зварювання на базі електродів з товстим покриттям і стрижнів із легованих сталей.

У 1939 р. під керівництвом академіка АН УРСР Євгена Оскаровича.

 Патона (1870-1953) були запроваджені автоматичне та напівавтоматичне зварювання під шаром флюсу. З 1948 р. промислове застосування отримав спосіб дугового зварювання в інертних захисних газах.

На початку 50-х років XX ст. під керівництвом  академіка Бориса Євгеновича Патона в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона було розроблене електрошлакове зварювання.


У 1950-1952 pp. впроваджене зварювання сталей у середовищі вуглекислого газу.

Для з'єднання хімічно активних і тугоплавких металів наприкінці 50-х років XX ст. французькими вченими створено електронно-променеве зварювання.

Розвиток зварювального виробництва значною мірою залежить від обсягів випуску сталі й прокату. У 2002 р. Україна виготовила 33,5 млн т сталі і 25,58 млн т прокату. Загальний об'єм виробництва електродів дорівнював 44 276 т, із них з рутил-ільменітовим покриттям — 36 399, із основним — 7 311 і спеціальних електродів — 566 т. Було виготовлено 790 г порошкового дроту, 278 зварювального і 512 для наплавлення, а також 19 334 т флюсів. Експорт українських зварювальних матеріалів становив 1 780 т.
 
Сучасний стан зварювального виробництва України характеризується наявністю значних потужностей з випуску зварних конструкцій, зварювальних матеріалів й обладнання.

У третьому тисячолітті зварювання — один з провідних технологічних процесів. До 2/3 світового споживання сталевого прокату йде на виробництво зварних конструкцій. Практично зварюють майже всі метали на землі, в морських глибинах і в космосі. Маса зварюваних конструкцій становить від частки грама до сотень і тисяч тонн.

Більше половини валового національного продукту промислово розвинутих країн створюється за допомогою зварювання і споріднених технологій, до яких відносять наплавлення, паяння, різання, нанесення покриття, склеювання різних матеріалів. Науково-технічне поняття «зварювання» охоплює такі суміжні напрями, як заготовка й складання, діагностика та неруйнуючий контроль, техніка безпеки й екологія зварювальних процесів.