2. ДУГОВАЯ СВАРКА
В настоящее время дуговая сварка наиболее широко используется для ремонтных целей, так как позволяет выполнять работы при любом положении шва, что расширяет возможности проведения работ без демонтажа оборудования. Большой ассортимент электродов, выпускаемых промышленностью, обеспечивает возможность подбора металла шва по механическим свойствам и химическому составу, близким к основному металлу. При дуговой сварке легче регулировать тепловое поле сварки и связанные с ним усадочные напряжения, уменьшая коробление детали при сварке за счет применения многослойных швов, изменения направления и порядка наложения швов, проковки многослойных швов, применения двухсторонних швов и ряда других технологических приемов.
При ручной дуговой сварке не требуется сложного сварочного оборудования, ее можно выполнять в различных производственных условиях, как на месте установки ремонтируемого оборудования, так и в ремонтном цехе.
ЭЛЕКТРОДЫ для ремонтной сварки стальных деталей
В настоящее время промышленностью выпускается значительное количество электродов разнообразных марок, применяемых для сварки углеродистых сталей. При выборе электродов для конкретного случая ремонта следует прежде всего определить тип покрытия рассматриваемой марки электродов. В соответствии с ГОСТом 9467—60 предусмотрены следующие типы электродных покрытий.
Рудно-кислые покрытия, имеющие условный индекс «Р». Главными компонентами этих покрытий являются железные, марганцовые или железо-титановые руды. Покрытия этого типа обеспечивают устойчивое горение дуги, возможность сварки от источника переменного тока во всех пространственных положениях шва, удовлетворительное формирование шва. К числу недостатков этих покрытий относятся: большая токсичность при сварке вследствие значительного выделения сварочных аэрозолей и окислов марганца; невозможность легирования металла шва через покрытие; относительно высокое насыщение шва кислородом и водородом; грубо чешуйчатая поверхность шва; сравнительно плохое отделение шлаков, особенно у швов с малым углом разделки кромок. К этой группе относятся электроды ЦМ-7, ОММ-5 и др., предназначенные для сварки углеродистых сталей марок не выше, чем сталь Ст. 4.
Рудно-кислые покрытия применяют для электродов типа Э42. Для ремонтных целей их можно рекомендовать для сварки металлоконструкций и сосудов, изготовленных из сталей до Ст. 3 включительно. Электроды с этим покрытием не могут быть рекомендованы для сварки литых стальных изделий большой толщины.
Рутиловые покрытия, имеющие условный индекс «Т». Основной составляющей частью этого покрытия является титановая руда (рутил). Электроды этого типа с покрытиями МР-3, ОЗС-З, ОЗС-4, ОЗС-5, ОЗС-6, АНО-1, АНО-3, АНО-4 обеспечивают получение наплавленного металла с механическими свойствами, предусматриваемыми ГОСТом 9467—60 для электродов типа Э42 п Э46. Эти покрытия дают устойчивое горение дуги, позволяют использовать при сварке источники переменного тока, хорошо формируют шов, обеспечивая его мелкочешуйчатое строение, значительно увеличивают производительность и обладают в 2—3 раза меньшей токсичностью по сравнению с электродными покрытиями типа «Р». Электроды с покрытиями типа «Т» следует широко применять при ремонтной сварке различных конструкций и сосудов из обычных углеродистых сталей.
Электроды с рутиловыми покрытиями дают металл шва, насыщенный некоторым количеством вредных газов — кислородом, азотом и водородом. Наплавленный ими металл шва обычно имеет значение ударной вязкости в пределах 8—14 кГм1см2. Такой наплавленный металл при сварке сложных и* тяжелых стальных деталей в условиях жесткого контура может не обеспечить нужной вязкости. Поэтому не рекомендуется применять эти электроды при ремонтных работах для сварки стального литья и поковок с толщиной стенки более 50 мм.
Фтористо-кальциевые покрытия, имеющие условный индекс «Ф». Эти покрытия, состоящие из углекислого кальция (мрамора) и плавикового шпата, позволяют в широких пределах легировать металл шва через покрытия, обеспечивают получение наплавленного металла, свободного от кислорода, азота, водорода и обладающего весьма высокими пластическими свойствами, а также высокой ударной вязкостью. С покрытиями типа «Ф» из готовляются электроды УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, УОНИ-13/85 и ряд других, относящихся к типам Э42А, Э46А, Э55А, Э65 и Э85. С покрытиями этого
типа выпускаются все современные электроды для сварки нержавеющих, окалиностойких, жаропрочных сталей и специальных высоколегированных сплавов; для выполнения всех ответственных сложных ремонтных работ •различных стальных изделий, изготовленных из низколегированных сталей. Электроды с покрытиями типа «Ф» требуют применения для сварки постоянного тока и обратной полярности. При сварке выделяется некоторое количество аэрозолей, содержащих в себе фтористые соединения, поэтому сварка должна производиться при наличии местных отсосов или общеобменной цеховой вентиляции. Электроды с этими покрытиями позволяют получить наплавленный металл с высокими значениями предела прочности н ударной вязкости без трещин и других дефектов. Выбор марки электрода производится в зависимости от марки свариваемой стали.
Органические покрытия, имеющие условный индекс «О». Основой покрытий этого типа являются органические вещества, которые, распадаясь и сгорая в дуге, создают газовую защиту дугового пространства. Электроды с таким покрытием особенно удобны для сварки монтажных швов, выполняемых во всех пространственных положениях. Эта группа электродных покрытий осваивается промышленностью и не выпускается в массовом производстве. Изготовляются небольшие количества электродов с покрытиями ВСП-1, ВСП-2, разработанных ВНИИСТ* и предназначенных для сварки первого шва в кольцевых стыках труб магистральных трубопроводов. Эти электроды обеспечивают хорошее формирование валика с обратной стороны шва. Сварка ведется постоянным током, при обратной полярности.
Общие сведения об электродах перечисленных выше типов даны в табл. 7.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Ремонтные работы можно выполнять, применяя стандартное сварочное оборудование, выпускаемое промышленностью. Для сварки переменным током наиболее удобны трансформаторы СТЭ-24 и СТЭ-34 с отдельной дроссельной катушкой. Можно применять также трансформаторы ТС-300, ТС-500, ТСК-300, ТСК-500 и СТН-500.
В связи с расширением применения легированных сталей в машиностроении и строительстве, а также электродов с покрытиями типа «Ф» резко возрастает потребность в источниках питания дуги постоянного тока. Для ремонтных работ очень удобны полупроводниковые сварочные выпрямители ВСС-300 и ВСС-500. Они питаются от трехфазной сети напряжением 220— 380 в, позволяют регулировать сварочный ток в широких пределах, обладают высокими динамическими свойствами, хорошо стабилизируют горение сварочной дуги и уменьшают разбрызгивание металла. Можно пользоваться также сварочными преобразователями ПС-300, ПС-500, ПСО-ЗОО, ПСО-500, ПСО-800 и др.
Для сварки тяжелых изделий применяют сварочные многопостовые преобразователи ВСК.М-1000 и ПСМ-1000.
ПОДГОТОВКА И СВАРКА СЛОЖНЫХ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Подготовка к сварке. Разделка кромок трещин и мест изломов должна производиться так, чтобы обеспечить провар всего сечения. При разделке кромок следует особенно тщательно контролировать направление трещины и производить разделку так, чтобы трещина была «удалена» полностью. При этом следует стремиться, чтобы объем удаляемого металла, который определяет и объем наплавляемого металла, был минимальным. Это особенно важно при разделке дефектов у изделии с большой толщиной стенки и значительной жесткостью, когда можно опасаться возникновения значительных внутренних напряжений при сварке. В ряде случаев, когда объем дефектного металла значителен, целесообразно этот участок удалить полностью и на его место вварить вставку из металла, близкого по составу к основному металлу. Разделку можно выполнять механическими способами (фрезерованием, строжкой), рубкой пневматическим или ручным зубилом, проточкой на станках и способами разделительной и поверхностной резки (кислородом, воздушно-дуговой, резкой дуговой плазмой, выплавкой электрической дугой).
Практика показывает, что кислородная резка наиболее удобна. Преимущества ее перед механическими способами следующие: быстрота процесса, возможность получения оптимальной формы разделки с минимальным объемом наплавленного металла; хорошая видимость процесса и возможность наблюдения за расположением трещины; возможность легкого маневрирования инструментом при изломах и трещинах криволинейного очертания; гарантия полного удаления всего дефектного участка. При ремонте деталей (при подготовке их под сварку) способы разделки с применением резки и выплавки металла должны широко использоваться. Кислородно-газовая резка выполняется обычными резаками РР-53 и «Пламя», а также резаками типа РВП и другими для удаления пороков поверхностной выплавкой.
Резак и схема выплавки и разделки трещин показаны на рис. 3. Если выплавка и резка производятся на изделиях из сталей, содержащих более 0,23% С, а также на изделиях большой толщины и жесткости, то необходим местный или общий подогрев изделия перед резкой до 200—350° С. После резки требуется тщательная зачистка кромок реза от окалины.
Выполнение сварки. Сварка стальных изделий большой толщины (50 мм и более) и большой жесткости из стали, содержащей более 0,23% С, производится, как правило, с общим или местным подогревом до 200—450° С. Нагрев может быть индукционный (токами промышленной или высокой частоты); в электрических печах; в горнах (с твердым, жидким или газообразным горючим); многопламенными горелками. Когда по условиям технологии требуется общая термообработка всего изделия после сварки, наиболее удобным является выполнение работ в специальных электропечах без извлечения изделия из печи во время работы. Печь должна быть построена так, чтобы место, где производится сварка, было доступно для работы и надежно изолировано от общего объема печи. Мощность печи обычно выбирается из расчета 8—12 кет на 1 т изделия. Схемы нагрева деталей приведены на рис. 4.
Сварка производится электродами с покрытиями типа «Ф» марок УОНП-13/45, УОНИ-13/55, УОН11-13/65 и УОНИ-13/85. Марка электрода выбирается в зависимости от марки свариваемой стали.
При сварке больших толщин применяются электроды диаметром 5, 6 и 8 мм. При отсутствии электродов большого диаметра рекомендуется соединять электроды в пучки по два, три и четыре (рис. 5). Сварка производится от источников постоянного тока при обратной полярности.
Для уменьшения внутренних напряжений и короблений при сварке стальных изделий большой толщины и жесткости применяются следующие способы:
1. Наложение многослойных швов «каскадом» или «горкой». В этом случае шов желательно располагать в наклонном или вертикальном положении. Сварку начинают с нижней части разделки и постепенно заполняют металлом все сечение. При таком способе заполнения разделки шва наплавленным металлом жесткость завариваемого контура возрастает постепенно, сечение шва Ei месте сварки заполняется полностью, заваренный участок шва приобретает нужную прочность и опасность появления трещин при сварке существенно уменьшается. •
2. Применение двухсторонней разделки кромок во всех случаях, когда это возможно, особенно, если сварка выполняется при вертикальном положении шва; при этом сварку «горкой» нужно выполнять одновременно двумя дугами. Мощность дуг и диаметры электродов берут одинаковыми. Такое выполнение сварки обеспечивает равномерную усадку и почти полное отсутствие короблений.
3. Выполнение сварки за один тепловой цикл, до полного окончания всех операций по сварке. В том случае, если объем наплавляемого металла велик, сварку можно выполнять в несколько смен или же при перерывах в работе поддерживать требуемый равномерный нагрев детали.
4. Применение послойной проковки (чеканки) металла швов. Проковка выполняется пневматическим молотком, снабженным зубилом с закругленной режущей! кромкой по радиусу 2 мм. Проковка производится сразу же после наложения каждого шва или слоя металла, состоящего из нескольких швов, но рас-
положенных в один ряд на плоскости разделки. Проковка вызывает деформацию металла шва, уплотняет и изменяет его объем. Такая проковка уменьшает внутренние напряжения и позволяет почти полностью избежать коробления свариваемой детали.
При использовании для сварки электродов с фтористо-каль-циевыми покрытиями проковку можно проводить в любом интервале температур от +20 до 650 °C и выше. В случае применения электродов с другими покрытиями следует избегать проковки в интервале температур 200—400° С, так как при этих температурах понижается пластичность металла и появляется опасность возникновения в нем трещин. В этом случае проковка обычно заканчивается при охлаждении металла шва уже до 450° С. Обычно первый шов в разделке кромок и последний облицовочный шов проковке не подвергают; для этих швов пневматический инструмент применяют только для удаления шлака. Интенсивность проковки зависит от толщины свариваемой детали, марки стали, жесткости свариваемого контура, заданной и допустимой величины деформации.
При сварке массивных деталей больших толщин (200— 400 мм) весом в десятки тонн успешно применяли отбойные молотки, используемые обычно для ломки бетона. При сварке коленчатых валов желательно применять более легкие отбойные молотки. Обычно проковка ведется до полного уничтожения рисунка шва. Зубилом с длиной бойка 10—12 мм производится 4—8 ударов по одному участку. Если ширина ударной части зубила составляет 2 мм, то в этом случае на 1 см2 площади шва приходится от 8 до 16 ударов.
Необходимо учитывать, что при такой проковке (типа чеканки) швов требуются специальный инструктаж рабочих и постоянный технический надзор. Эту работу нельзя поручать сварщику, ведущему процесс, так как после проковки повышается утомляемость рук и сварщик не сможет качественно выполнять сварку. В ряде случаев, когда производится особо ответственный ремонт, сварщик и рабочий, ведущий проковку швов, выполняют опытную работу по сварке контрольного образца с применением проковки. Для проковки швов желательно использовать рабочих, постоянно работающих с пневматическим инструментом, например, обрубщиков металла. При неправильной проковке и при несоблюдении установленных для ее применения температур можно вызвать появление наклепа и трещин в металле шва.
5. Применение тепловых режимов сварки в соответствии с химическим составом свариваемой стали, размерами и весом детали, объемом наплавляемого металла и жесткостью свариваемого узла.
Для литых и кованых стальных деталей, содержащих 0,23— 0,50% С, п при толщине стенки более 30 мм рекомендуется местный или общий подогрев перед сваркой до 250—450° С. Все сварочные работы в этом случае производятся в указанном интервале температур. По окончании сварочных работ необходимо произвести высокотемпературный отпуск сваренного изделия при 600—650° С для снятия внутренних напряжений. Такой отпуск ослабляет связи между кристаллами и зернами металла и позволяет полностью устранить внутренние напряжения, возникшие в детали в процессе эксплуатации и выполнения сварки. Время выдержки при температурах отпуска обычно составляет 2—2,5 мин на 1 мм толщины стенки.
В том случае, если вес наплавляемого металла достигает 100 кг и более, а место сварки расположено внутри жесткого контура, целесообразно в процессе сварки произвести 1—2 промежуточных высокотемпературных отпуска при 600—650° С.
Когда общий нагрев изделия осуществить нельзя, необходимо произвести местную термообработку путем нагревания до 600—650° С сварного соединения и прилегающей зоны основного металла на расстоянии 100—150 мм в каждую сторону от оси шва. При этой температуре деталь выдерживается в течение 15— 30 мин, а затем изолируется асбестом или сухим шамотным порошком и медленно охлаждается. Общая или местная термообработка обеспечивает полную работоспособность сваренной детали при длительной эксплуатации. Нагрев может осуществляться в электрических и газовых печах, от индукторов токами промышленной или высокой частоты, газовыми многопламенными горелками, переносными временными горнами с нагреванием в них детали коксом или древесным углем.