Cварка под флюсом: принцип работы и особенности оборудования

Cварка под флюсом: принцип работы и особенности оборудования

Сварка под слоем флюса – одна из наиболее производительных промышленных технологий сборки металлоконструкций. Ее используют для получения неразъемных соединений деталей из углеродистых и легированных сталей, а также цветных металлов. Современное технологическое оборудование для сварки под флюсом позволяет добиться высокой степени автоматизации процессов. Поэтому целесообразность применения метода определяется длиной шва и толщиной свариваемых деталей.

Особенности технологии сварки под флюсом

В зависимости от материала соединяемых деталей сварка может выполняться как переменным, так и постоянным током. В качестве электрода используется проволока или лента, намотанная на бобину. Для защиты сварочной ванны от воздействия атмосферного кислорода используется флюс – гранулированный или порошкообразный материал. Как правило, его основу составляют силикаты. Возбуждение, прерывание дуги и подача электрода выполняются автоматически, а флюс засыпается из бункера через воронку под собственным весом. В процессе сварки перемещение головки вдоль шва может выполняться оператором при помощи механических средств или приводом используемого оборудования.

Расплавление электрода и флюса происходит под воздействием температуры электрической дуги. Образующиеся пузыри газа являются защитной атмосферой для ванны. Сварочный шлак оказывается легче металла и всегда остается на поверхности шва, а после остывания механически удаляется. Слой флюса и газы создают избыточное давление, достаточное для того, чтобы предотвратить разбрызгивание металла. Поэтому полученный шов оказывается значительно чище, чем при аргонодуговой или ручной сварке штучными электродами. Оставшийся флюс может быть использован повторно. Технология широко применяется в промышленном производстве и восстановлении деталей.

Сферы применения сварки под флюсом

• Производство труб большого диаметра. Сварка под флюсом позволяет получать кольцевые, прямолинейные и спиральные швы. Оборудование дает возможность полностью автоматизировать процесс.
• Изготовление емкостей и резервуаров. Метод сварки под флюсом позволяет получить шов практически без пор и шлаковых вкраплений. Резервуары подходят для хранения и транспортировки жидкостей и газообразных веществ, а также используются в аппаратах, работающих под давлением.
• Производство металлоконструкций. Сварка под флюсом позволяет значительно снизить себестоимость монтажа.
• Производство и восстановление деталей. Технология сварки дает возможность наносить слой металла на всю поверхность изделия. Метод наплавки используется для восстановления поверхностей деталей и нанесения износостойких покрытий.

Виды оборудования для сварки под флюсом

Современное оборудование для сварки под флюсом сделано так, чтобы оператор мог выбрать положение аппарата и настроить режим. Остальные операции выполняются автоматически. Производителями разработано множество серийных и уникальных конструкций для сварки под флюсом, позволяющих решать широкий спектр задач в производственных и полевых условиях. Наибольшее распространение получили следующие виды оборудования.

• Тракторы. Эти мобильные аппараты для сварки под флюсом имеют сравнительно небольшие габариты и массу. При настройке они перемещаются вручную, а при прохождении шва – автоматически. Также существуют аппараты с механическим приводом: в режиме сварки оператор регулирует скорость перемещения тележки вручную, а подача флюса и проволоки выполняется приводом. В зависимости от конструкции тележка может перемещаться по рельсам либо по самой детали.
  Решение для промышленной сварки под флюсом: STTNF-II + ASAW 1000
• Мобильные сварочные установки. Такие аппараты применяются как в производственных цехах, так и в полевых условиях (например, при прокладке трубопроводов). Чаше всего они имеют модульную конструкцию и состоят из консоли, на которой расположена сварочная головка, роликовых опор с приводом для установки и вращения детали, а также источника тока.
• Стационарные сварочные установки. Для серийного изготовления металлоконструкций чаще всего создается уникальный проект, учитывающий особенности производства. Однако существует ряд универсальных аппаратов для сварки под флюсом, которые можно адаптировать под любые задачи. Степень автоматизации таких устройств позволяет автоматически менять направления перемещения детали и головки во всех осях, а также изменять направление и скорость вращения. Существует возможность создания технологических линий, в состав которых входит сразу несколько таких аппаратов.

Преимущества и недостатки технологии

Среди преимуществ сварки под флюсом можно выделить следующие.

• Использование высоких токов (1000–2000 А) и проволоки позволяет добиться высокой производительности аппаратов.
• Применение флюса помогает снизить потери металла на разбрызгивание, улучшить условия защиты шва и сократить затраты электроэнергии.
• Сварка на высоких токах позволяет контролируемо увеличить глубину проплавления основного металла.
• Шлаковая корка, образующаяся в результате плавления флюса, снижает скорость остывания шва и предохраняет его от растрескивания.
• Зона сварки закрыта, что позволяет оператору работать без щитка.

У технологии также есть недостатки. К ним относят следующие.

• Высокая начальная стоимость оборудования для сварки под флюсом.
• Сложность коррекции положения дуги относительно кромок деталей.
• Невидимость зоны сварки создает повышенные требования к качеству подготовительных операций.
• Флюс является источником пыли.

Как выбрать оборудование

Наиболее важными критериями служат геометрические параметры и материал деталей, которые предстоит соединять, а также массовость и условия производства. Для сварки под флюсом применяются универсальные источники. Их выбирают в зависимости от сечения электрода по максимальной силе тока.

Чтобы оборудование для сварки под флюсом соответствовало всем рабочим параметрам, лучше всего обратиться к производителям или официальным дилерам. У них всегда есть возможность адаптации устройств под конкретные задачи.

Сварка под флюсом

При этом способе сварки (рис. X.I) электрическая дуга горит между концом электродной (сварочной) проволоки и свариваемым металлом под слоем гранулированного флюса. Ролики специального механизма подают электродную проволоку в дугу. Сварочный ток, переменный или постоянный прямой или обратной полярности от источника подводится скользящим контактом к электродной проволоке и постоянным контактом — к изделию. Сварочная дуга горит в газовом пузыре, образованном в результате плавления флюса и металла и заполненном парами металла, флюса и газами. По мере удаления дуги расплавленный флюс при остывании образует шлаковую корку, которая легко отделяется от поверхности шва. Флюс засыпается впереди дуги из бункера слоем толщиной 40—80 и шириной 40—100 мм (чем больше толщина свариваемого металла и ширина шва, тем больше толщина и ширина слоя флюса). Масса флюса, идущего на шлаковую корку, обычно равна массе расплавленной сварочной проволоки. Нерасплавившаяся часть флюса собирается специальным пневмоотсосом в бункер и повторно используется. Потери металла на угар и разбрызгивание при горении дуги под флюсом значительно меньше, чем при ручной дуговой и сварке в защитных газах.

Расплавленные электродный и основной металлы в сварочной ванне перемешиваются и при кристаллизации образуют сварной шов.

В промышленности преимущественное применение находит способ сварки проволочными электродами (сварочной проволокой). Однако в некоторых случаях сварку н особенно наплавку целесообразно выполнять ленточными или комбинированными электродами (рис. Х.2). Лента, применяемая для этих электродов имеет толщину до 2 мм и ширину до 40 мм. Дуга, перемещаясь от одного края ленты к другому, равномерно оплавляет ее торец и расплавляет основной металл. Изменяя форму ленты, можно изменить и форму поперечного сечения шва, достигая повышенной глубины проплавления по его оси (см. рис. Х.2, б) или получая более равномерную глубину проплавления по всему сечению шва (см. рис. Х.2, в). Ленточный электрод целесообразно использовать при сварке корневых швов стыковых соединений на весу при зазорах свыше 1 мм, при сварке последних слоев широкой части разделки, при сварке толстого металла. При сварке корневых швов по отношению к оси стыка лента может располагаться под углом от 30 до 90 o в зависимости от зазора между кромками.

Для повышения производительности сварки стыковых с разделкой кромок и угловых швов, где требуется повышенное количество наплавленного металла, в разделку до начала сварки или в процессе сварки специальным дозирующим устройством засыпают рубленую сварочную проволоку (крупку). Длина кусков крупки не превышает диаметра проволоки, из которой ее изготовляли. Этой же цели служит и сварка с увеличенным до 100 мм вылетом электрода. Это позволяет иа 50—70 % увеличить количество наплавляемого металла. Однако при этих способах сварки снижается глубина проплавления основного металла.

Наиболее часто сварку ведут одним электродом или одной дугой. Для расширения технологических возможностей способа и повышения производительности сварки можно использовать две одновременно горящие дуги и более. При двухэлектродной сварке (сварке сдвоенным, расщепленным электродом) применяют две электродные проволоки (рис. ХЗ, а), одновременно подаваемые в зону сварки обычно одним механизмом подачи. Питание дуг сварочным током производится от одного источника. При расстоянии между электродами до 20 мм две дуги горят в одном газовом пузыре, образуя единую сварочную ванну. Электроды могут располагаться поперек (см. рис. Х.3, б), вдоль стыка кромок или занимать промежуточное положение. В первом случае возможна сварка при увеличенных зазорах в стыке между кромками, при сварке отдельных слоев многослойных швов, при наплавке. При последовательном расположении электродов глубина проплавления увеличивается.

При двухдуговой сварке (см. рис. Х.З, в) каждый электрод присоединен к отдельному источнику постоянного, переменного тока или дуги питаются разнородными токами. Образовавшиеся две дуги могут гореть в одном газовом пузыре. Электроды располагаются перпендикулярно свариваемой поверхности (углы α₁ = α₂ = 90 o ) или наклонно в плоскости, параллельной направлению сварки. При отклонении первой дуги на угол α₂ растет глубина проплавления, определяемая этой дугой; при отклонении второй дуги на угол α₁ увеличивается ширина шва, определяемая этой дугой, благодаря чему можно избежать подреза по кромкам шва. Сварка по такой схеме даст возможность резко повысить скорость, а значит производительность процесса. При увеличенном расстоянии между электродами дуги горят в раздельные сварочные ванны. Обычно в таком случае электроды располагаются перпендикулярно поверхности изделия. Сварка по этой схеме позволяет уменьшить вероятность появления закалочных структур в металлах шва и околошовной зоны при сварке закаливающихся сталей и толстого металла. Это объясняется тем, что первая дуга не только формирует шов, но и выполняет как бы предварительный подогрев, который уменьшает скорость охлаждения металлов шва и околошовной зоны, после прохода второй дуги. Вторая дуга частично переплавляет первый шов и термически обрабатывает его. Варьируя необходимым сварочным током для каждой дуги и расстоянием между ними, можно получать требуемый термический цикл сварки и таким образом регулировать структуры и свойства металла сварного соединения. Сварка под флюсом может выполняться автоматически или механизированно.

Преимущества и недостатки сварки под флюсом

Сущность процесса сварки под флюсом определяет его особенности по сравнению с ручной дуговой сваркой.

Производительность по сравнению с ручной сваркой увеличивается в 5—12 раз. При сварке под флюсом ток по электродной проволоке проходит только в ее вылете (место от токоподвода до дуги). Поэтому можно использовать повышенные (25—100 А/мм 2 ) по сравнению с ручной дуговой сваркой (10—20 А/мм 2 ) плотности сварочного тока без опасения значительного перегрева электрода в вылете в отслаивания обмазки, как в покрытом электроде. Использование больших сварочных токов резко повышает глубину проплавления основного металла И появляется возможность сварки металла повышенной толщины без разделки кромок. При сварке с разделкой кромок уменьшается угол разделки и увеличивается величина их притупления, т. е. уменьшается количество электродного металла, необходимого для заполнения разделки. Металл шва обычно состоит приблизительно на 2/3 из переплавленного основного металла (при ручной дуговой сварке соотношение обратное). В результате вышесказанного растут скорость и производительность сварки (рис. Х.4). Под флюсом сваривают металл толщиной 2— 60 мм при скорости однодуговой сварки до 0,07 км/ч. Применение многодуговой сварки позволяет повысить ее скорость до 0,3 км/ч.

Высокое качество металлов шва и сварного соединения достигается за счет надежной защиты расплавленного металла от взаимодействия с воздухом, его металлургической обработки и легирования расплавленным шлаком. Наличие шлака на поверхности шва уменьшает скорость кристаллизации металла сварочной ванны и скорость охлаждения металла шва В результате металл шва не имеет пор, содержит пониженное количество неметаллических включений. Улучшение формы шва и стабильности его размеров, особенно глубины проплавления, обеспечивает постоянные химический состав и другие свойства па всей длине шва. Сварку под флюсом применяют для изготовления крупногабаритных резервуаров, строительных конструкций, труб и т.д. из сталей, никелевых сплавов, меди, алюминия, титана и их сплавов.

Экономичность процесса определяется снижением расхода сварочных материалов за счет сокращения потерь металла на угар и разбрызгивание (не более 3 %, а при ручной сварке достигают 15%), отсутствием потерь на огарки. Лучшее использование тепла дуги при сварке под флюсом по сравнению с ручной сваркой уменьшает расход электроэнергии на 30—40 %, Повышению экономичности способствует и снижение трудоемкости работ по разделке кромок под сварку, зачистке шва от брызг и шлака. Сварка выполняется с применением специальных автоматов или полуавтоматов. Условия работы позволяют сварщику обходиться без щитков для защиты глаз и лица. Повышаются общий уровень и культура производства.

Недостатками способа является повышенная жидкотекучесть расплавленного металла и флюса. Поэтому сварка возможна только в нижнем положении при отклонении плоскости шва от горизонтали не более чем на 10—15 o . В противном случае нарушится формирование шва, могут образоваться подрезы и другие дефекты. Это одна из причин, почему сварку под флюсом не применяют для соединения поворотных кольцевых стыков труб диаметром менее 150 мм. Кроме того, этот способ сварки требует и более тщательной сборки кромок под сварку и использования специальных приемов сварки. При увеличенном зазоре между кромками возможно вытекание в него расплавленного металла и флюса и образование в шве дефектов.

Подготовка кромок деталей и сборка конструкций под сварку

Подготовка деталей и сборка конструкции для сварки под флюсом должны выполняться особенно тщательно. Это вызвано жидкотекучестью расплавленного металла и флюса, глубоким проваром. Поэтому требуется соблюдать высокую точность размеров разделки кромок и равномерности зазора между ними. Тип разделок кромок и их размеры, а также условия их сборки и сварки зависят от конструкции сварного соединения, состава (марки) свариваемого материала, условий сварки и т, д. и обычно указываются в технических условиях на изготовление конструкций или должны соответствовать ГОСТ 8713—79*. После разметки деталей их вырезают, используя механические способы, газовую или плазменную резку. После этого, если необходимо, разделывают кромки согласно чертежу. Иногда операции вырезки детали и подготовки кромок совмещают. Кромки подготовляют также механическими способами, газовой или плазменной резкой. Перед сборкой деталей свариваемые кромки зачищают по всей длине на ширину 25—30 мм металлическими щетками, шлифовальными кругами и т. д. от грата, масла и других загрязнений до металлического блеска. Влага и образующийся при пониженных температурах конденсат должны удаляться подогревом или обдувкой горячим воздухом. Особенно тщательно следует зачищать торцы свариваемых кромок, предупреждать попадание в зазор между кромками остатков шлаковой корки, грязи и др. При сборке соединения под сварку используют струбцины, скобы в другие приспособления для фиксации кромок в требуемом положении. Для сборки стыка на прихватках их длина должна быть 50—80 мм, а сечение должно быть около 1/3 сечения шва, но не более 25—30 мм 2 . Расстояние между прихватками 300—800 мм.

Прихватки можно заменять сплошным швом небольшого сечения («беглым» швом), выполняемым вручную электродом хорошего качества или механизированно в защитных газах или под флюсом. Сварку желательно начинать со стороны, обратной «беглому» шву. После сварки поверхность прихваток и «беглого» шва, а также кромок зачищают и осматривают. Не допускаются подрезы и трещины, которые следует исправлять выплавкой или вырубкой н подваркой. При сварке прихватки и «беглый» шов должны полностью перевариваться.

В начале шва, где возможен непровар, и в его конце, где образуется кратер, если они находятся на краю изделия, устанавливают эаходные и выходные планки размером до 100×150 мм с толщиной, равной толщине свариваемого металла. При сварке с разделкой кромок в заходной и выходной планках кромки также разделывают. Требуемый режим сварки необходимо проверять сваркой опытных образцов и контролем размеров полученного шва.

Перед началом автоматической сварки желательно на холостом перемещении автомата проверить правильность направления электрода относительно свариваемых кромок. В процессе сварки положение электрода корректируют с помощью указателей или копиров.

При механизированной сварке различных типов сварных соединений держатель полуавтомата может находиться на весу или опираться костылем на изделие. Поперечные колебания электрододержателем позволяют получить уширенные швы, но глубина провара при этом уменьшается. Качество шва зависит от умения сварщика равномерно перемещать электрододержатель со скоростью, обеспечивающей необходимые размеры шва.

Техника сварки электрозаклепок, прорезных швов и приварки шпилек

На электрозаклепках обычно выполняют соединения внахлестку, втавр, угловые и прорезные. Основной трудностью сварки подобных соединений является обеспечение плотного прилегания поверхностей свариваемых деталей. Для предупреждения вытекания расплавленного флюса и металла зазор не должен превышать 1 мм. Электрозаклепки можно сваривать с предварительно полученным отверстием в верхнем листе толщиной до 10 мм или с проплавленисм верхнего листа толщиной до 10 мм. При сварке с отверстием диаметр электрода должен быть равен 1/4-1/5 диаметра отверстия. Сварка может сопровождаться подачей электрода в процессе сварки или без его подачи до естественного обрыва дуги, В первом случае используют обычные полуавтоматы для сварки под флюсом, во втором — специальные электрозаклепочники. При сварке электрозаклепками на полуавтоматах держатель перемещают от одной точки к другой рывком без выключения подачи и сварочного тока.

Прорезные швы также могут выполняться с предварительно полученными отверстиями удлиненной формы или при проплавлении верхнего листа при его толщине до 10 мм.

Общим недостатком рассмотренных типов швов является трудность контроля их качества, и в частности провара нижнего листа.

Для приварки шпилек используют специальные установки и флюсовые шайбы высотой 6—10 мм с наружным диаметром 15—20 мм. При диаметре шпильки более 8 мм для облегчения возбуждения дуги привариваемый конец затачивают на угол 90 o . При приварке шпилек в вертикальном и потолочном положениях силу сварочного тока снижают на 25—30 % по сравнению со сваркой в нижнем положении. После обрыва дуги и образования достаточной сварочной ванны шпилька быстро подается до упора.

Материалы для сварки под флюсом

Создание промышленного способа автоматической сварки под флюсом и внедрение его в производство в нашей стране неразрывно связано с именем Героя Социалистического Труда академика Е.О. Патона. Им лично и руководимым им коллективом сотрудников Института электросварки Академии наук Украинской ССР проделана огромная работа по изучению, развитию и промышленному внедрению автоматической сварки под флюсом. В результате многолетней упорной работы коллектива Института создана технология сварки под флюсом, разработаны составы и методы производства флюсов, созданы оригинальные конструкции автоматов, в результате чего наша страна далеко опередила другие страны в разработке и освоении этого важнейшего технологического процесса и в этой области занимает сейчас ведущее положение в мировой технике. В развитии способа автоматической сварки под флюсом деятельное участие принимали и принимают коллективы многих заводов, исследовательских институтов и лабораторий нашей страны.

Сущность и особенности сварки под флюсом

При сварке под флюсом сварочная дуга между концом электрода и изделием горит под слоем сыпучего вещества, называемого флюсом.

Под действием тепла дуги расплавляются электродная проволока и основной металл, а также часть флюса в зоне сварки образуется полость, заполненная парами металла, флюса и газами. Газовая полость ограничена в верхней части оболочкой расплавленного флюса. Расплавленный флюс, окружая газовую полость, защищает дугу и расплавленный металл в зоне сварки от вредного воздействия окружающей среды, осуществляет металлургическую обработку металла в сварочной ванне. По мере удаления сварочной дуги расплавленный флюс, прореагировавший с расплавленным металлом, затвердевает, образуя на шве шлаковую корку. После прекращения процесса сварки и охлаждения металла шлаковая корка легко отделяется от металла шва. Не израсходованная часть флюса специальным пневматическим устройством собирается во флюсоаппарат и используется в дальнейшем при сварке.

— Сварка в цеховых и монтажных условиях

— Сварка металлов от 1,5 до 150 мм и более;

— Сварка всех металлов и сплавов, разнородных металлов.

Оборудование для сварки под флюсом

Промышленность выпускает два типа аппаратов для дуговой сварки под флюсом:

— с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, не зависимой от напряжения на дуге (основанные на принципе саморегулирования сварочной дуги);

— аппараты с автоматическим регулированием напряжения на дуге и зависимой от него скоростью подачи электродной проволоки (аппараты с авторегулированием).

В сварочных головках с постоянной скоростью подачи при изменении длины дугового промежутка восстановление режима происходит за счет временного изменения скорости плавления электрода вследствие саморегулирования дуги. При увеличении дугового промежутка (увеличение напряжения на дуге) уменьшается сила сварочного тока, что приводит к уменьшению скорости плавления электрода.

Уменьшение длины дуги вызывает увеличение сварочного тока и скорости плавления. В этом случае используют источники питания с жёсткой вольтамперной характеристикой.

В сварочных головках с автоматическим регулятором напряжения на дуге нарушение длины дугового промежутка вызывает такое изменение скорости подачи электродной проволоки (воздействуя на электродвигатель постоянного тока), при котором восстанавливается заданное напряжение на дуге. При этом используют аппараты с падающей вольтампер ной характеристикой.

Аппараты этих двух типов отличаются и настройкой на заданный режим основных параметров: сварочного тока и напряжения на дуге. На аппаратах с постоянной скоростью подачи заданное значение сварочного тока настраивают подбором соответствующего значения скорости подачи электродной проволоки. Напряжение на дуге настраивают изменением крутизны внешней характеристики источника питания.

Необходимую скорость подачи электродной проволоки устанавливают или сменными зубчатыми шестернями (ступенчатое регулирование), или изменением числа оборотов двигателя постоянного тока (плавное регулирование). Для расширения пределов регулирования скорости подачи в последнее время — часто используют плавно-ступенчатое регулирование (двигатель постоянного тока и редуктор со сменными шестернями).

На аппаратах с автоматическим регулятором напряжение на дуге задается и автоматически поддерживается постоянным во время сварки.

Заданное значение сварочного тока настраивают изменением крутизны внешней характеристики источника питания.

Настройка других параметров режима сварки (скорости сварки, вылета электрода, вы соты слоя флюса и др.) аналогична для аппаратов обоих типов и определяется конструктивными особенностями конкретного аппарата.

Материалы для сварки под флюсом

Электродная проволока. Правильный выбор марки электродной проволоки для сварки — один из главных элементов разработки технологии механизированной сварки под флюсом. Химический состав электродной проволоки определяет состав металла шва и, следовательно, его механические свойства.

Для сварки сталей предназначена проволока по ГОСТ 2246—70 Проволока стальная сварочная». В соответствии с этим ГОСТом выпускают низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную проволоку диаметром 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 мм. Проволока поставляется в бухтах массой до 80 кг. На каждой бухте крепят металлическую бирку с указанием завода-изготовителя, условного обозначения проволоки, номера партии и клейма технического контроля. По соглашению сторон проволоку могут поставлять намотанной на катушки или кассеты. Транспортировать и хранить про волоку следует в условиях, исключающих ее ржавление, загрязнение и механическое повреждение. Если же поверхность проволоки загрязнена или покрыта ржавчиной, то перед употреблением ее необходимо очистить. Проволоку очищают при намотке ее на кассеты в специальных станках, используя наждачные круги. Для удаления масел используют керосин, уайт-спирит, бензин и др. Для устранения влаги применяют термическую обработку: прокалку при температуре 100 — 150 °С. ЦНИИТМАШ рекомендует обрабатывать проволоку в 20%-ном растворе серной кислоты с последующей прокалкой при температуре 250 °С 2 — 2,5 ч. Необходимость в обработке электродной проволоки перед сваркой отпадает, если использовать омедненную проволоку .Для механизированной сварки под флюсом и по флюсу алюминия и его сплавов используют сварочную проволоку, выпускаемую по ГОСТ 7871-75 «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов». ГОСТ 16130-72 «Проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные» предъявляет требования к проволоке для сварки меди и ее сплавов. Подготовка этих проволок к сварке во многом определяет качество сварного соединения. Как правило, подготовка этих проволок к сварке такая же, как и основного металла. Наилучшие результаты обеспечивает химическая обработка или электролитическое полирование.

Сварочные флюсы. Сварочный флюс — один из важнейших элементов, определяющих качество металла шва и условия протекания процесса сварки. От состава флюса зависят составы жидкого шлака и газовой атмосферы. Взаимодействие шлака с металлом обусловливает определенный химический состав металла шва. От состава металла шва зависят его структура, стойкость против образования трещин. Состав газовой атмосферы обусловливает устойчивость горения дуги, стойкость против появления пор и количество выделяемых при сварке вредных газов.

Функции флюсов. Флюсы выполняют следующие функции: физическую изоляцию сварочной ванны от атмосферы, стабилизацию дугового разряда, химическое взаимодействие с жидким металлом, легирование металла шва, формирование поверхности шва.

Лучшая изолирующая способность — у флюсов с плотным строением частиц мелкой грануляции. Однако при плотной укладке частиц флюса ухудшается формирование поверхности шва. Достаточно эффективная защита сварочной ванны от атмосферного воздействия обеспечивается при определенной толщине слоя флюса.

Таинственная сварка под флюсом

Если не предпринять специальных мер, расплавленный металл после охлаждения и затвердевания будет иметь физические свойства, отличные от свойств основного металла, и место соединения будет абсолютно непрочным. Хорошее соединение возможно только в случае совпадения свойств сварного соединения и основного металла.

Ухудшение свойств сварного шва происходит вследствие контакта с атмосферным воздухом. При этом происходит выгорание кремния и магния, образуются окислы железа, что приводит к снижению прочности, пластичности и коррозионной стойкости стали. Насыщение металла азотом увеличивает его хрупкость.

Поэтому при сварке необходимо защищать сварочную ванну от воздействия воздуха.

Принцип метода

Основная особенность данного способа дуговой сварки состоит в том, что электрическая дуга горит в пространстве под слоем минерального рассыпчатого вещества – флюса. В результате расплавления металла и флюса выделяются газы и пары, которые образуют газовую полость, прикрытую сверху расплавленным флюсом. Таким образом, дуга горит внутри газового пузыря, находящегося под «одеялом» из флюса.

Давление в полости выше атмосферного, поэтому сварочная ванна полностью защищена от соприкосновения с воздухом. Механическое давление дуги и повышенное давление газов приводят к оттеснению жидкого металла в сторону от дуги, в результате возрастает теплопередача от нее к основному металлу.

Электрод при такой сварке применяется в виде длинной проволоки, автоматическая подача которой производится с заданной скоростью. Для подачи флюса также используется автоматическая система, обеспечивающая перемещение его из бункера в зону сварки. Флюс для дуговой сварки при этом образует слой толщиной 40-80 мм.

Вещества, обеспечивающие качество шва

Флюс, применяемый для сварки, содержит компоненты различного назначения. Ионизирующие вещества, с низким потенциалом ионизации, обеспечивают стабильность дуги. Газообразующие вещества, разлагающиеся при высокой температуре, способствуют созданию газовой защиты над сварочной ванной. Шлакообразующие составляющие флюса при расплавлении образуют жидкий шлак.

Легирующие материалы улучшают качество металла в расплаве, благодаря чему шов после застывания приобретает свойства жаропрочности, коррозионной стойкости и другие полезные качества. Раскисляющие элементы, сродство к кислороду которых больше, чем к железу (в случае сваривания стали), необходимы для восстановления металла из оксидов, содержащихся в расплаве.

Преимущества применения технологии

Сварочный ток подается на сварочную проволоку через скользящий токопроводящий мундштук, который располагается на коротком расстоянии от ее конца, обычно меньше 70 мм. Благодаря этому электрод не перегревается, так что можно применять токи большой силы с высокой плотностью тока в электроде. Это позволяет достигнуть глубокого провара и высокой скорости сварки или наплавки металла. Большая сила тока позволяет производить сварку металла значительной толщины, не выполняя разделку кромок с одной стороны или с обеих.

Такая дуговая сварка, выполняемая автоматическим способом под флюсом, обеспечивает высокую однородность химического состава металла шва, постоянство размеров и формы шва по всей его длине. Это позволяет получить сварное соединение высокого качества, с высокой стабильностью его свойств на всем протяжении шва.

При этой технологии очень мала вероятность непроваров (участков, где детали не сплавились), подрезов (канавки в основном металле вдоль границы сварного шва) и других дефектов.

Дуга и сварочная ванна хорошо защищены от воздуха, поэтому отсутствует разбрызгивание металла, и нет необходимости очищать поверхность материала от брызг, что является довольно трудоемкой операцией.

По сравнению с ручной сваркой меньше расход сварочных материалов и электроэнергии. Экономия сварочного материала составляет 30-40%.

Сваривание под флюсом создает улучшенные условия работы. Рабочему, производящему сварку, не нужна защита глаз и лица. Выделение вредных газов меньше, чем в процессе ручной сварки. Для обучения сварке, при которой основные функции выполняет аппарат, затрачивается меньше времени и средств.

Области применения

Сварка, производящаяся под флюсом, автоматическая и полуавтоматическая, чаще всего применяется для швов, выполняемых в нижнем положении, когда свариваемые детали располагаются встык в одной плоскости, близкой к горизонтальной. Она также широко применяется для наплавки, чтобы восстановить размеры изношенных деталей или сформировать поверхностный слой с необходимыми свойствами.

Под флюсом сваривают самые различные металлы, в том числе сталь, титан и его сплавы, а также медь и сплавы на ее основе. Сваренные таким способом изделия могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур и давлений, в агрессивных средах.

В некоторых отраслях автоматическая сварка под флюсом привела к существенному изменению технологии производства.

• В кораблестроении дуговая сварка такого типа открыла возможность секционного строительства корпуса судна. Крупные секции свариваются в заводских условиях, а затем соединяются в единое целое на стапеле. Это позволило сократить сроки строительства кораблей.
• Благодаря применению этого способа сварки была внедрена новая технология строительства крупных резервуаров для нефти, позволяющая значительно ускорить процесс монтажа изделий.
• Внедрение этой технологии в производстве труб большого диаметра позволило создать высокопроизводительные комплексы по выпуску труб для магистральных газо- и нефтепроводов.

Техническое обеспечение процесса

Дуговая сварка под флюсом в большинстве случаев производится автоматическим способом, когда весь процесс выполняется без вмешательства человека. Реже используется полуавтоматический способ, при котором перемещение дуги вдоль шва производится вручную. В обоих способах для подачи электрода и флюса используются специальный аппарат – сварочная головка.

Аппарат для сварки под флюсом

Автоматическая дуговая сварка подразумевает использование сварочной головки, которая обеспечивает подачу проволоки в зону дуги, возбуждение дуги, поддержание напряжения и тока, обрыв дуги при достижении конце шва. При полуавтоматической сварке для продвижения проволоки применяют подающий аппарат, размещающийся на некотором удалении от места сварки. Электрод проталкивается внутри шланга, прикрепленного к держателю, которым оперирует сварщик. При этом вручную производится возбуждение дуги, поддержание напряжения и тока дуги, перемещение дуги вдоль шва, прекращение процесса сварки.

Сварочная головка и подающее устройство работают обычно по принципу саморегулирования. Скорость подачи электрода, которая должна быть равна скорости его плавления, устанавливается до начала сварки и остается постоянной на всем протяжении шва. Если дуговой промежуток уменьшается или увеличивается, сила тока тоже изменяется. При этом электрод начинает плавиться сильнее или слабее, и дуговой промежуток восстанавливает первоначальную длину.

Применяются также механизмы подачи и сварочные головки, которые осуществляют принудительное регулирование. Аппарат для подачи электрода в этом случае регулирует скорость по заданному алгоритму в зависимости от величины тока и других параметров.

Сварочный аппарат автоматического типа включает сварочную головку и устройство для ее перемещения относительно свариваемого изделия. При этом двигаться может либо изделие, либо сама головка. В последнем случае аппарат называется сварочным трактором. Он передвигается либо непосредственно по поверхности изделия, либо по специально уложенным направляющим. Тракторы могут оснащаться механическими или лазерными следящими системами, отслеживающими траекторию шва. Сварочные тракторы широко применяются в мостостроении, строительстве, судостроении, химическом машиностроении.

Режимы сварки под флюсом

Режимы сварки под флюсом имеют основные и дополнительные параметры. К основным относят: ток, его род и полярность, напряжение дуги, диаметр электродной проволоки, скорость сварки. Дополнительные параметры режима — вылет электродной проволоки, состав и строение флюса (плотность, размеры частиц), положение изделия и электрода при сварке.

Параметры режима сварки зависят от толщины и свойств свариваемого металла и обычно приводятся в технических условиях на сварку конкретного изделия и корректируются при сварке опытных образцов. При отсутствии таких данных режимы подбирают экспериментально. Основным условием для успешного ведения процесса сварки является поддержание стабильного горения дуги . Для этого определенной силе сварочного тока должна соответствовать своя скорость подачи электродной проволоки . Скорость подачи должна повышаться с увеличением вылета электрода. При его постоянном вылете увеличение скорости подачи уменьшает напряжение дуги. При использовании легированных проволок, имеющих повышенное электросопротивление, скорость подачи должна возрастать.

На рис . 1 показано влияние изменения основных параметров сварки на размеры шва. Закономерности относятся к случаю наплавки , когда глубина провара ≤0 ,8 толщины основного металла. При большей глубине провара ухудшение теплоотвода от нижней части шва при водит к резкому росту провара — вплоть до прожога.

Рисунок 1. Изменение ширины е и выпуклости q шва и глубины проплавления h в зависимости от параметров режима (а — в) и вылета электрода (г): Uд — напряжение дуги; Iсв — сварочный ток ; Vсв — скорость сварки.

Наибольшее влияние на форму и размеры шва оказывает сварочный ток. При его увеличении (см . рис . 1, а) интенсивно повышаются глубина проплавления и высота усиления шва, а его ширина в озрастает незначительно.

Повышение напряжения на дуге увеличивает ширину сварного шва, глубина проплавления практически не меняется , высота выпуклости снижается (см. рис. 1, б).

Влияние скорости сварки (см . рис. 1, в) на глубину проплавления и ширину шва носит сложный характер . Сначала при увеличении скорости сварки давление дуги в се больше вытесняет жидкий металл, толщина прослойки жидкого металла под дугой уменьшается и глубина проплавления возрастает. При дальнейшем увеличении скорости сварки (>20 м/ч) заметно снижается погонная энергия и глубина проплавления начинает уменьшаться . В о всех случаях при увеличении скорости свар ки ширина шва уменьшается . При скорости сварки >70. 80 м/ч по обеим сторонам шва возможны несплавления с кромкой или подрезы. Если необходимо вести сварку на больших скоростях, применяют специальные методы (сварка трехфазной дугой , двухдуговая и др .).

Диаметр электродной проволоки заметно влияет на форму и размеры шва, особенно на глубину проплавления. Как видно из табл . 1, при отсутствии источников, обеспечиваюших необходимый сварочный ток, требуемая глубина проплавления может быть достигнута при уменьшении диаметра используемой электродной проволоки.

Таблица 1. Глубина проплавления шва при различных диаметрах электродной проволоки и величинах сварочного тока (А) (сварка под флюсом).