3.3 Загальні відомості

Вперше застосував електричну дугу, відкриту академіком В.В. Петровим в 1802 р. для зварювання металів вугільним електродом, що не плавиться, у 1882 р. російський інженер М.М. Бенардос, а в 1888 р. інженер М.Г. Славянов запропонував для зварювання металевий електрод, що плавиться. Особливі досягнення в області електродугового зварювання металів належать академіку Є.О. Патону та його учням.

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;

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

–   контактне зварювання — із використанням тиску та нагрівання при проходженні 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.

Електродугове зварювання – найбільш розповсюджений метод з’єднання металевих деталей, який використовує теплоту електричної дуги. Електрична дуга – це безперервний потік електронів та іонів, які утворюються між електродами в тому або іншому середовищі як постійним так і змінним електричними струмами. В дуговому розряді емісія електронів з катода проходить під дією двох факторів (рисунок 3.1): високої температури (термоелектронна емісія) та напруженості електричного поля (автоелектронна емісія).

На рис. 3.1 прийняті такі позначення: е₁ е₂ – швидкі електрони; А, А' – нейтральні атоми газу; е₂ - повільні електрони; -U – негативний та +U – позитивний іони.

Процес запалювання дуги при зварюванні складається з трьох етапів: короткого замикання електрода на заготовку, відведення електроду на відстань 3...5 мм та виникнення стійкого дугового розряду. При короткому замиканні внаслідок високої густини струму в місці контакту кінець електрода та ділянка заготовки, що торкається до нього, нагріваються. Це забезпечує утворення дугового розряду при відведенні електрода від поверхні виробу.

Рис.3.1. – Схема процесу об’ємної іонізації електронами

На рис. 3.2. зображена схема ручного дугового зварювання металів. Дуга виникає при пропусканні струму між металевим стержнем електрода 7 та основним металом 1. Дуговий розряд 8 має форму стовпа, що розширюється до поверхні виробу стовпа, в основі якого в товщі виробу утворюється кратер дуги або зварювальна ванна 9. При горінні дуги стержень електрод плавиться, розплавлений метал краплями стікае в металеву ванну. Разом зі стержнем плавиться і покриття (обмазка) електрода 6, утворюючи захисну газову атмосферу 5 навколо дуги та рідку шлакову ванну 4 на поверхні розплавленого металу. Металева та шлакова ванни разом утворюють зварювальну ванну. При русі дуги в напрямі зварювання зварювальна ванна твердіє з утворюванням зварювального шва 2 та шлакової кірки 3. Величину проплавлення металу називають глибиною зварювання «в».

При зварюванні металевими електродами температура на катоді дорівнює 2400°С; на аноді – 2600°С; у стовпі дуги температура сягає 6000...7000°С. При будь-якому методі зварювання та положенні шва в просторі метал завжди переходить з електрода на виріб у вигляді крапель, які переносяться в результаті спільної дії сил тяжіння, поверхневої дії електромагнітних сил на метал електрода (пінч-ефект) та ін.

Рис.3.2. – Схема зварювання металевим електродом з товстою обмазкою

Сталеві електроди для ручного дугового зварювання виготовляють зі спеціального зварювального дроту (вуглецевого, легованого та високолегованого) діаметром 1..12 . Для захисту розплавленого металу від насичення його киснем та азотом з повітря, створення стійкого горіння дуги та надання наплавленому металу необхідних властивостей сталеві електроди покривають спеціальними обмазками, до складу яких входять шлако- та газоутворюючі, легуючі, клеючі або зв'язуючі речовини та розкислювачі. До особливостей металургійних процесів при зварюванні плавленням відносяться високі температури та нетривалість всіх процесів.

Будова зварювального шва після затвердіння наплавленого металу в низьковуглецевій сталі показана на рисунку 3.3.

При зварюванні деяких конструкційних сталей у зоні термічного впливу утворюються гартувальні структури, які дуже зменшують пластичні властивості шва та спричиняють утворення тріщин. При зварюванні низьковуглецевої сталі структурні зміни в зоні термічного впливу слабко відображаються на механічних властивостях. Розміри зони термічного впливу залежать від методу, технології зварювання та особливостей зварюваного металу.

Утворення зварних з'єднань відбувається в цьому випадку при нагріванні в вузькій зоні кристалізації з утворенням зварного шва за рахунок зварюваного (основного) і присадного металів. Метал зони зварного з'єднання характеризується таким же комплексом властивостей, як і зварюваний метал: малою пластичністю, в'язкістю, протикорозійною стійкістю тощо. На якість зварного шва впливають хімічний склад сталі, фізичні властивості та термічна обробка сталі перед зварюванням. Добре зварюються всіма способами вуглецеві конструкційні сталі, які містять до 0,25 % вуглецю. Підвищення вмісту вуглецю сталі вище 0,3 % призводить до самогартування перехідної зони основного металу і вона стає більш крихкою. Тому сталі з підвищеним вмістом вуглецю в більшості випадків зварюються з попереднім підігріванням, а іноді з наступною термічною обробкою-нормалізацією або відпалюванням.

При дуговому зварюванні плавленням теплота від зони зварювання поширюється в

бік від шва, утворює в пришовній зоні основного металу перепад температур від температури плавлення на зварюваних кромках до початкової, при цьому в зоні утворення зварного шва можна виділити ділянки, які складаються з неоплавленого металу і зварного.

Рис. 3.3 Зміна структури металу в зоні термічного впливу

при дуговому зварюванні

Частина металу, яка розплавляється і кристалізується під час термічного циклу, називається металом шва. Метал шва являє собою суміш в рідкому стані наплавленого (присадного) і розплавленого основного металу з урахуванням змін, які обумовлені процесами, що супроводжуються зварювання (випаровування, окислення тощо).

Метал однопрохідного шва має структуру ливарної сталі – крупнокристалічна дендритна; у більшості випадків має форму стовпчастих кристалів. Стовпчасті кристали направлені від зони неповного розплавлення в глибину шва. Вигляд будови стовпчастих кристалів дозволяє встановити, що кожний з них складається з окремих дендритів. Дендрити в межах стовпчастого кристалу мають одну спрямованість, але можуть мати різну розгалуженість, між такими дендритами немає виразної межі. Група дендритів, яка має чітку межу, являє собою стовпчастий кристал. Структура стовпчастого кристалу металу шва це ділянка з рівномірно розподіленим перлітом, обрамлена феритною сіткою.

У випадку, коли шов зварного з’єднання складеться з декількох проходів, в місцях термічного впливу на попередніх проходах є зони, в яких має місце перекристалізація. При повторному нагріванні металу шва вище 900°С і швидкому охолодженні стовпчаста структура перетворюється в дрібнозернисту рівноважну. Тому при багатошаровому електродуговому зварюванні структура наступних шарів дрібнозерниста і рівноважна, а в останньому шарі зберігається стовпчаста, що має знижені механічні властивості.

Зона основного металу, в якій в результаті нагрівання і охолодження відбуваються зміни структури і властивостей, називається зоною термічного впливу (ЗТВ). У ЗТВ можна виділити такі ділянки:

1. Ділянка неповного розплавлення. Вона включає вузьку смужку основного металу, який нагрівається при зварюванні до температурної області, що знаходиться між температурами початку і кінця плавлення сталі. Температурний інтервал ліквідус-солідус у низьковуглецевих сталей невеликий (30...40°С), тому ділянка неповного плавлення (іноді називається зоною сплавлення) має, як правило, невелику ширину: 0,08...0,1 мм – для дугового і 0,15...0,20 мм – для газового та електрошлакового зварювання. Внаслідок незначної довжини цю зону важко відрізнити від інших.

2.Ділянка перегріву. Метал, який розташований в цій ділянці, нагрівається до температур, близьких до температури плавлення (1100... 1200°С). Внаслідок перегріву метал має крупнокристалічну будову.

Ділянка неповного розплавлення і ділянка перегріву називаються разом пришовною зоною. В цій зоні в результаті нагрівання та охолодження найбільш різко змінюються структура та властивості основного металу – знижуються пластичність та ударна в'язкість, утворюються гарячі тріщини. Метал цієї зони має найвищу крихкість і є найбільш слабким місцем зварного з’єднання.

З.Ділянка нормалізації. Метал цієї області нагрівається до температури, яка відповідає критичній точці А₃ (900... 1100°С). Ділянка нормалізації існує тільки в тому випадку, коли зварювана сталь мала початкову крупнозернисту структуру. Внаслідок проходження процесів перекристалізації кінцева структура цієї ділянки має дрібні рівноважні зерна фериту та перліту. Ця структура характеризується достатньо високими механічними властивостями (міцність, пластичність, в'язкість).

4.Ділянка неповної перекристалізації. Метал на цьому відрізку нагрівається до температур від А₁ до А₃ (723...900°С). Його структура надзвичайно своєрідна. Тут поряд із старими більш крупними зернами фериту, які не пройшли перекристалізацію, існують нові, значно дрібніші зерна фериту і перліту, які пройшли перекристалізацію. Внаслідок достатньо різкої різниці в розмірах зерен ця ділянка має невисокі механічні властивості.

5.Ділянка рекристалізації. Для гарячедеформованої або випаленої перед зварюванням сталі частина металу, яка нагрівалася до температур нижче Ас_ь не змінює своєї структури. Якщо метал перед зварюванням був наклепаний, то в ньому будуть спостерігатися структурні перетворення. В цьому випадку проходить рекристалізація, яка призводить до значного росту зерна. Як правило, рекристалізована структура в зварному з'єднанні спостерігається на ділянках, які нагріваються вище температури рекристалізації (450...725°С). Для ділянки рекристалізації характерні рівноважні укрупнені зерна фериту та перліту, причому розмір зерен буде залежати від ступеня пластичної деформації основного металу. Відрізнити їх від початкової структури можна по відсутності волокнистості. В литій та гарячедеформованій сталях ділянка рекристалізації відсутня.

6. Ділянка синьоламкості. Структура цієї ділянки металографічно не відрізняється від структури початкового металу. В процесі зварювання метал цієї ділянки нагрівається до температур 200... 400°С, при яких з’являться синій колір. Нагрівання до вказаних температур спричиняє у деяких сталей підвищення міцності, а також зменшення пластичності і ударної в'язкості Це обумовлено, найвірогідніше, виділенням із твердого розчину субмікроскопічних частинок по границях зерен. При зварюванні конструкційних сталей в ЗТВ можливе утворення структур гартування, які різко знижують характеристики пластичності зварного з’єднання, що часто буває причиною виникнення холодних тріщин.

Для виготовлення зварювальних конструкцій використовують такі основні методи з’єднань (рисунок 3.4): стикові (1); внакладку (2), таврові (3), кутові (4), види швів по відношенню до напряму діючих на них зусиль (5) та при різних положеннях у просторі (6).

Стикові з’єднання розрізняють за видами попередньої підготовки кромок зварюваних поверхонь (рисунок 3.4а-ж). В залежності від товщини зварюваного металу стандартами регламентується різна підготовка кромок поверхонь. Так, при товщині металу до 3 мм застосовують відбортовку без зазору (рисунок 3.4а); при товщині листів від 3 до 8 мм зварюють без підготовки кромок при зазорі до 2 мм (рисунок 3.4б); для листів товщиною до 15 мм застосовують зварювання з одностороннім У-подібним розділом кромок (рисунок 3.4г), а при товщині листа 15 мм бажано використовувати двосторонній Х-подібний розділ кромок (рисунок 3.4д). Листи товщиною понад 20 мм зварюють з чашоподібним (У-подібним) розділом кромок, який може бути одно- та двосторонім (рисунок 3.46, ж).

З’єднання внакладку (рисунок 3.4з) характеризуються наявністю перекриття країв зварюваних листів: розміри накладки дорівнюють 3-5-кратній товщині зварюваних елементів. Різновидами з’єднань внакладку є прорізні (рисунок 3.4и) та електрозаклепочні (рисунок 3.4к).

Таврові з’єднання виконуються приварюванням одного елемента виробу до іншого (рисунок 3.4л). Без скосу кромок зварюють конструкції з малим навантаженням. При виготовленні відповідальних конструкції з елементами товщиною 10...20 мм використовують односторонній скіс, а при товщині елементів понад 20 мм – двосторонній.

Рис.3.4. – Зварювальні з’єднання

Кутові з’єднання (рисунок 3.4м) при будь-якій товщині можливо отримати без підготовки кромок. Зварювання з кромками для кутових з’єднань застосовується рідко.

Залежно від розташування швів до напряму діючої на них сили Р розрізняють флангові шви 1, лобові 2 та косі 3 (рисунок 3.4н).

За положенням шва в просторі, яке він займає під час зварювання, розрізняють нижні шви 1, вертикальні 2, та стелеві 3 (рисунок 3.4о).

Шви, які накладаються горизонтально при вертикальному положенні виробу, називаються горизонтальними.

Шви виконуються безперервними або перервними залежно від діючого навантаження.

Типи електродів

Тип електрода характеризує мінімально гарантований тимчасовий опір наплавленого металу електродами даного типу. Умовне позначення: Э — електрод, число після букви означає мінімальний опір, а буква А після них — високу пластичність наплавленого металу Наприклад, Э46А означає тип електрода із мінімальним тимчасовим опором 460 МПа (46 кгс/мм²) і високими пластичними властивостями наплавленого металу порівняно з електродами відповідного типу без цієї букви. 

За типом електроди класифікують:

• для зварювання низьковуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей передбачаються типи електродів — Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55 Э60;

• для зварювання легованих конструкційних сталей з тимчасовим опором розриву більше 600 МПа - Э70, Э85, Э100, Э125, Э150;

• для зварювання легованих теплостійких сталей — Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х5МФ, Э-10Х1М1НБФ, Э-10ХЗМ1БФ;

• для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями - 49 типів Э-12X13, Э-06Х13Н, Э-08Х20Н9Г2Б та ін.;

• для наплавлення поверхневих шарів з особливими властивостями - 44 типи Э-10Г2,3-30Г2ХМ, Э-65X1ШЗ та ін. 

В умовних позначеннях типів електродів теплостійких, легованих і для наплавлення цифри після дефісу вказують вміст вуглецю у сотих частках відсотка, а наступні букви й цифри — умовні позначення легуючих елементів та їх вміст у відсотках. Наприклад, умовне позначення типу електрода Э-08Х20Н9Г2Б означає хімічний склад наплавленого металу: 0,08% С, 20% Сг, 9% Ni, 2% Мn, 1% Nb.

Марка електрода характеризується складом покриття, маркою електродного дроту, властивостями металу шва. Кожному типу може відповідати одна або декілька марок електродів. Наприклад, марки АНО-21, УОНИ-13/45, ОЗС-3 та ін. відповідають типу електрода Э46.

Діаметр електрода  може бути від 1,6 до 12 мм (довжиною від 225 до 450 мм). Наприклад, 4,0 — діаметр електрода 4 мм. На упаковках електродів в умовному позначенні часто проставляють тільки знак — Ø (діаметр), а числове значення вказують окремо в іншому місці. Діаметри електродів, мм: 1,6; 1,8; 2,0;  2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0.

За видом покриття (обмазки) електроди класифікують:

1. А (А) — кисле;

2. Б (В) — основне;

3. Р (R) — рутилове;

4. Ц (С) — целюлозне;

5. П (S) — інше;

6. Ж — в покритті більше 20% залізного порошку (в дужках — іноземні умовні позначення виду покриття електродів).

Кисле покриття  складається з кислих компонентів (кремнезем, марганцева руда, феромарганець, гематит). При нормальній товщині покриття електроди використовуються у всіх просторових положеннях, а при великій товщині — тільки для зварювання у нижньому положенні. Зварювання виконують постійним і змінним струмом, довгою дугою, на кромках з іржею, без утворення пop. Наявність феромарганцю й оксидів заліза сприяє виділенню токсичних газів, тому виробництво електродів з кислим покриттям скоротилося.

Основне покриття  складається з плавикового шпату, карбонатів кальцію й магнію (крейда, магнезит, мармур). Метал шва характеризується високою ударною в'язкістю, стійкістю проти утворення кристалізаційних тріщин. Електроди з основним покриттям використовують для зварювання товстих металів із підвищеним вмістом сірки та фосфору, жорстких конструкцій виробів. Зварюють на постійному струмі зворотної полярності. При добавці калію електроди з основним покриттям використовують на змінному струмі.

Недоліком основного покриття є висока чутливість щодо утворення пop при збільшенні довжини дуги, наявності іржі, масла, окалини й вологи на кромках металу.

Рутилове покриття  складається з титанових сполук (рутил, титановий концентрат, ільменіт), які призначені для шлакового захисту, а також целюлози, крейди, мармуру, декстрину - для газового захисту. Розкиснення й легування проводиться феромарганцем. Рутилове покриття забезпечує стабільне горіння дуги на змінному та постійному струмі, легке відділення шлаку, якісне формування шва, низькі витрати металу на розбризкування. Метал шва мало схильний до утворення пop при зварюванні іржавого, вологого та окисненого металу при змінах довжини дуги.

 Целюлозне покриття  складається з органічних складових (целюлоза, крохмаль, харчове борошно, декстрин), які призначені для газового захисту шлакоутворюючих складових (рутил, карбонати, марганцева руда, алюмосилікати, титановий концентрат). Електроди цього вид}' мають мале покриття й тому їх використовують для зварювання у всіх просторових положеннях на змінному та постійному струмі. Недоліком електродів із целюлозним покриттям є вигоряння органічних компонентів і великі витрати на розбризкування.

 Електроди змішаного покриття мають подвійне умовне позначення, яке складається з двох букв. Наприклад, РА — змішане рутилове і кисле покриття. Якщо в покритті міститься більше 20% залізного порошку, то до позначення виду покриття додається буква Ж.