пламени, а также снижает коробление металла вследствие большей сосредоточенности нагрева.

Левый способ целесообразно применять для сварки металлов толщиной до 4-

5 мм, а также металлов с пониженной (по сравнению со сталью) температурой плавления. Кроме того, при левом способе лучше формируется шов.

Качество сварных соединений и производительность процесса сварки в значительной степени зависят от мощности пламени (т. е. от часового расхода горючего газа), которая может быть определена по формуле М - СЬ, где - мощность пламени, л/ч; С - удельный коэффициент мощности пламени (табл. 4);

6 - толщина свариваемого металла, мм.

4. Удельный коэффициент мощности пламени

При сварке листов разной толщины разделку кромок производят при толщине металла > 5 мм и на высоту, равную толщине тонкого листа. Деталь обрабатывают так, чтобы ее толщина постепенно изменялась до толщины тонкой детали - этим достигается одновременность их расплавления при сварке. Постепенное утонение более толстого элемента должно быть на длине, равной пятикратной разнице толщин стыкуемых элементов. Допускается применение стыковых швов без предварительного утонения толстой стенки, если разность толщин соединяемых элементов не превышает 30% толщины тонкого элемента, но не более 5 мм.

Перед сваркой кромки соединяемых элементов и примыкающие к ним поверхности на участке 20-40 мм (с каждой стороны) должны быть зачищены до металлического блеска от ржавчины, масла и других загрязнений. Очистку выполняют металлическими или круглыми приводными щетками, иногда напильниками или наждачной бумагой. При сварке ответственных изделий или газопорошковой наплавке самофлюсующимися материалами поверхности деталей в месте наплавки должны быть тщательно обработаны пескоструйной (в камерах) или дробеструй ной установкой или механическим режущим инструментом. Реже применяют химическую очистку специальными пастами на кислотной основе.

Во избежание деформации свариваемых деталей их собирают и прихватывают короткими швами для обеспечения правильного взаимного расположения при сварке. Длину прихваток принимают, в зависимости от толщины свариваемых элементов, равной (3-6) б, а расстояние между ними равным (20-40) б. Прихватку предпочтительно выполнять на тех же режимах, что и сварку. Порядок и последовательность наложения прихваток зависят от толщины основного металла и протяженности сварного шва.

Мощность пламени зависит от толщины и состава свариваемого металла. Увеличение мощности приводит к повышению скорости сварки, но одновременно возрастает и опасность пережога металла, натекания расплавленного металла на ненагретые кромки стыка и расширяется зона термического влияния. Поэтому мощность пламени можно увеличивать до определенных пределов. Состав пламени устанавливают по его внешнему виду и в зависимости от свариваемого металла. Угол наклона мундштука горелки к поверхности металла зависит от толщины свариваемых листов и теплофизических свойств металла. Чем толще металл, тем

этот угол больше. Больше он и в начале процесса сварки, когда изделие холодное , затем он уменьшается до 30-40°. К концу сварки, когда кромки изделия сильно прогреты, во избежание пережога металла угол еще меньше.

В процессе формирования сварного шва горелке придают два вида движения: поперечное по отношению к оси шва и поступательное вдоль оси шва. Поперечное движение необходимо для равномерного прогрева кромок свариваемого металла, одновременного их расплавления и равномерного распределения присадочного металла. При зигзагообразном движении средняя зона пламени прогревает обе кромки на одинаковом расстоянии от оси шва. Зигзаги должны быть непрерывными, нельзя допускать прерывистого движения - это ведет к окислению и образованию шлаковых включений.

При спиралеобразном движении горелки средняя зона пламени также захватывает обе кромки. Горелкой описывают эллипсы, перекрывающие предыдущие витки.

ДЗижемае рроВолока

Рис. 5. Положение горелки при сварке

дбижение горелка

Рис. 6. Движение горелки и присадочной проволоки при сварке угловых швов

Траектории движения горелки и сварочной проволоки зависят от толщины свариваемого металла, требуемых размеров сварного шва и его расположения в пространстве.

Диаметр сварочной проволоки определяют по эмпирическим формулам: для левого способа d = ---1;

для правого способа а = -,

где б - толщины элементов, мм; d - диаметр проволоки, мм.

Сварку производят при непрерывном нагреве кромок металла пламенем горелки и подаче в зону нагрева присадочной проволоки (рис. 5). При сварке образуется сварочная ванна расплавленного металла, который собирается в валик сварного шва давлением газов и сварочной проволокой.

Сварочную проволоку располагают под углом ~ 45° в сторону, противоположную наклону мундштука горелки. Ей сообщают колебательные зигзагообразные движения в направлении, противоположном движению горелки, что способствует хорошему перемешиванию металла в ванне и равномерному его распределению.

Угловые швы сваривают по схеме, приведенной на рис. 6. Пламя и конец присадочной проволоки перемещают так же, как и в первом случае, но с большей их задержкой по краям шва и меньшей посередине,

Движение горелки

движение горелки

Направление сборки )

Рис. 7. Движение горелки при сварке по отбортовке: а - спиралеобразное; б - колебательное

Сущность его основана на периодическом введении в расплавленный металл сварочной ванны присадочной проволоки и ускорении тем самым ее кристаллизации.

Сварку в наклонном положении выполняют снизу вверх и значительно реже сверху вниз. Мундштук горелки располагают под углом 45° к оси шва, ему сообщают спиралеобразные или зигзагообразные движения. Сварку ведут небольшими участками во избежание отекания жидкого расплавленного металла из зоны сварки.

Сварку в вертикальном положении осуществляют снизу вверх всегда левым способом. Пламя направляют на кромки и проплавляют в них отверстие, равное толщине листа, затем

Прихватка

Направление сварки

Рис. 8. Схема сварки методом последовательного образования сварочных ванночек

Рис. 9. Вид нормальных швов, выполненных газовой сваркой

присадочной проволокой заплавляют нижний край отверстия, перемещая горелку вверх, при этом верхняя часть отверстия подплавляется, поэтому обеспечивается непрерывность процесса. Сварной шов формируется с двух сторон и получается более плотным, чем при сварке в нижнем положении.

Горизонтальные швы (на вертикальной плоскости) заваривают правым способом, препятствующим стеканию металла из сварочной ванны.

Потолочные швы лучше формируются при правом способе сварки, так как конец присадочной проволоки и давление газового потока препятствуют стеканию металла. При вьшатнении этих швов левым способом, как правило, образуются значительные натеки металла и валик плохо формируется.

Хорошо выполненные сварные швы (рис. 9) имеют провар по всему сечению, плавное примыкание краев наплавки к основному металлу и нормальное усиление шва в средней его части.

Большое количество теплоты, вводимой в металл при сварке, и значительная ширина зоны теплового влияния пламени создают условия, соответствующие медленному охлаждению металла и возникновению в нем крупнокристаллической структуры, типичной для литого металла. Столбчатая структура образуется при сварке меди и алюминия из-за высокой их теплопроводности и интенсивного отвода теплоты от шва в основной металл.

Свариваемость металлов. Низкоуглеродистая сталь хорошо сваривается нейтральным пламенем при содержании углерода до 0,2%, удовлетворительно - до 0,35% (нормализацию аыполняют повторным нагревом сварного шва до 930-950° С).

Низколегированную конструкционную сталь сваривают так же, как и низкоуглеродистую. При сварке легированной стали наибольшее влияние на свариваемость оказывает углерод. При 0,2% углерода свариваемость хорошая; при 0,2- 0,3% - удовлетворительная; при 0,3-0,4% - ограниченная (требуется подогрев деталей); свыше 0,4% - плохая. Для сталей, содержащих 0,3% углерода, сварочное пламя устанавливают с небольшим количеством избытка горючего в пламени. Термически обрабатываемая сталь перлитного класса при содержании углерода не более 0,3-0,35% сваривается удовлетворительно. Подогрев до 150- 250° С предупреждает образование закалочных трещин в зоне шва. Мартенситная сталь сваривается плохо, требует общего подогрева до 400-500° С. Аустенитная сталь при низком содержании углерода сваривается хорошо. Карбидная инструментальная сталь допускает сварку только в малых объемах, но достаточно хорошо наплавляется.

Легирующие элементы при невысоком их и углерода содержании содействуют получению высокого качества сварного соединения.

В средне- и высоколегированной стали при содержании углерода > 0,25% многие элементы (Мп, Сг, Ni, Мо, W) повышают склонность стали к закалке и образованию трещин.

Для присадки используется проволока по ГОСТ 2246-70.

Серый чугун сваривается качественно нейтральным пламенем (присадочные прутки по ГОСТ 2671-70 и флюс № 209). Во избежание образования трещин при сварке чугунных деталей сложной формы производят общий подогрев их до 450-550° С с последующим охлаждением после сварки в печи или под теплоизолирующим чехлом.

Детали простой формы сваривают без общего подогрева. Сварка чугуна латунью или присадочными материалами на ее основе дает хорошие результаты.

Медь марок Ml и М2 качественно сварить можно только нейтральным пламенем. Из-за высокой теплопроводности ее требуется большая мощность пламени горелки. В качестве присадки используют проволоку из электрической меди. Применяют флюсы. После сварки рекомендуется горячая проковка сварного шва. Перегрев ведет к окислению и охрупчиванию сварного шва. При сварке медь и все ее сплавы поглощают водород, являющийся источником пор и так называемой водородной хрупкости.

Латунь сваривается пламенем, содержащим избыток кислорода в средней (восстановительной) зоне. Применяют флюсы те же, что и для меди. Присадочный материал- проволока типа ЛОК-1-62 и др.

Оловянистая бронза сваривается хорошо при содержании олова до 7%.

Кремнистая или марганцовистая бронза относятся к хорошо свариваемым материалам.

Алюминий сваривается хорошо нейтральным пламенем при обязательном применении флюса для удаления поверхностной пленки из тугоплавкой окиси алюминия. После сварки необходима тщательная очистка соединения от флюса, остатки которого вызывают быструю коррозию сварных швов. Алюминиевая бронза сва ривается удовлетворительно с применением активных флюсов.

Свинец сваривается хорошо, но требует высокой квалификации сварщика.

Кислородная резка. Кислородной резкой называют способ разделения металла, основанный на использовании для его нагрева до температуры воспламенения теплоты газового пламени и экзотермической реакции окисления металла, а для удаления окислов - кинетической энергии струи режущего кислорода. Для повышения количества теплоты, выделяющейся в полости реза, и перегрева образующихся тугоплавких окислов с целью повышения их жидкотекучести, облегчающей эвакуацию из полости реза, в последнюю подается флюс - порошок железа с добавками. Такой процесс носит название кислородно-флюсовой резки.

Резка может осуществляться на всю толщину металла (разделительная) или на ее часть (поверхностная) вручную или с помощью машин, обеспечивающих

различную степень механизации и автоматизации основных и вспомогательных операций.

Кислородную резку наиболее широко применяют в машиностроении, судостроении, металлургии, при выполнении монтажных и строительных работ [1, 4, 5]. Чаще всего резке подвергают черные металлы и сплавы титана в виде листового и фасонного проката, прибылей литья, труб, поковок и отливок.

Поверхностную резку применяют для удаления дефектов на литье и прокате, выплавки корня шва и образования канавок.

Схема процесса резки. Процесс разделительной кислородной резки схематично представлен на рис. 10. Подогревающее пламя нагревает поверхностные слои металла, которые затем контактируют со струей чистого кислорода и окисляются. Выделяющаяся при этом теплота совместно с теплотой подогревающего пламени постоянно нагревает за счет теплопроводности металл впереди резака до температуры его воспламенения в кислороде, обеспечивая непрерывность процесса. Под действием кинетической энергии струи кислорода слой окислов, а также частично жидкий металл удаляются из разреза. На поверхности реза остаются характерные линии отставания, представляющие собой чередующиеся выступы и впадины глубиной в десятые доли миллиметра.

Кислородная резка - совокупность взаимосвязанных тепловых, физико-химических и газогидродинамических процессов.

Распределение температур в твердом металле рассчитывают по формулам теории тепловых процессов, разработанной Н. Н. Рыкалиным причем чаще Всего применяют схему линейного быстродвижущегося или подвижного источника теплоты в пластине или плоском слое. При расчетах, как правило, не учитывается теплоотдача с поверхности листа и изменение теплофизических свойств металла от температуры.

Температуру жидкого металла и шлака непосредственно в разрезе не вычисляют из-за отсутствия надежных методов и значений необходимых теплофизических характеристик металла.

Экспериментальные измерения температуры металла в зоне теплового влияния согласуются с расчетами и показывают зависимость термических циклов резки от состава и толщины стали, скорости резки, мощности подогревающего пламени и других параметров.

Источником теплоты при резке служит подогревающее пламя резака к экзотермическая реакция окисления железа и примесей стали. В зависимости от тол-

Рис. 10. Схема процесса разделительной кислородной резки:

/ - мундштук; 2 - направление резки; 3 - подогревающее пламя; 4 - жидкий металл; 5 - разрезаемый металл; 6 - линии отставания; 7 - слой окислов; 8 - струя кислорода

щины стали изменяются доли их участия в тепловом балансе: чем меньше толщина разрезаемого металла, тем больше роль подогревающего пламени (при толщине 5 мм до 80% общего количества теплоты, выделяемой при резке, при толщине >50 мм - только до 10%).

Эффективная тепловая мощность источника тепла при резке, определенная экспериментально, зависит от толщины стали, мощности пламени и скорости резки. Для стали толщиной 10--20 мм она составляет 1,5-2 ккал/с, толщиной 40-50 мм - 3-4 ккал/с.

В соответствии с диаграммой состояния Fe-О при окислении железа возможно образование трех окислов: FeO, FcgOg и Еез04. Окисление при температурах > 680 С идет с преимущественным образованием FeO, причем скорость реакции бесконечно высока и не может ограничивать скорость процесса резки. На границе ядра кислородной струи и шлака образуется слой кислорода толщиной 0,01- 0,15 мм, содержащий значительное количество других газов (N2, COg, Аг, SO2, Р2О5). Азот и аргон входят в состав примесей кислорода, остальные газы образуются в результате окисления примесей стали. Содержание примесей, а значит и толщина слоя загрязненного кислорода, тем больше, чем ниже чистота режущего кислорода и больше примесей в стали. Ядро кислородной струи турбулентно, а граничный загрязненный слой, соприкасающийся с жидким шлаком, имеет ламинарное строение. Жидкий шлак, состоящий из смеси железа и его окислов, имеет турбулентное или близкое к нему истечение, т. е. частицы FeO и Fe могут перемещаться как вдоль, так и поперек потока, обеспечивая контакт между вступающими в реакцию кислородом и железом. Слой турбулентного шлакового потока постепенно переходит в ламинарный поток жидкого железа.

Скорость процесса резки ограничивается скоростью диффузии кислорода из ядра струи через загрязненный слой, а также процессами турбулентного (или близко к турбулентному) переноса железа и кислорода в шлаковом расплаве. Для увеличения производительности резки необходимо интенсифицировать доставку кислорода к жидкому металлу.

В последние годы в связи с быстрым развитием процесса газолазерной резки, при которой в качестве источника тепла используется луч лазера, обеспечивающий высокую плотность энергии на поверхности разрезаемого материала (более 10® Вт/см), была сделана попытка комплексного аналитического решения задачи нагрева металла лучом лазера с учетом термогазогидродинамических условий процесса.

Условия резки и разрезаемость. Прежде всего теплоты должно быть достаточно для того, чтобы обеспечить температуру реакции порядка 1000-1150° С. Следовательно, источник теплоты должен иметь необходимую мощность и интенсивность. Если, например, при кислородной резке стали теплоты выделяется достаточно, то иначе обстоит дело при обработке меди и ее сплавов. Помимо высокой теплопроводности меди, сильно затрудняющей начало процесса резки, другой причиной, делающей процесс кислородной резки невозможным, является низкое тепловыделение при окислении. Поэтому резку меди можно производить, применяя более мощный тепловой источник - электрическую дугу.

Второе условие - температура плавления металла должна быть выше температуры его интенсивного окисления в кислороде, иначе металл при нагреве будет плавиться и принудительно удаляться из разреза без характерного для процесса резки окисления. У низкоуглеродистой стали температура плавления составляет 1500° С, а температура воспламенения - около 1350° С, т. е. это условие соблюдается. По мере повышения содержания углерода в стали процесс резки ухудшается из-за снижения температуры плавления и повышения температуры воспламенения. Чугун, содержащий более 1,7% углерода, кислородной резкой не обрабатывается.

Третье условие - температура плавления металла должна быть выше температуры плавления образуемых в процессе резки окислов, иначе тугоплавкие окислы изолируют металл от контакта с кислородом. Это условие не удовлет-