Раздел 4. ТЕХНОЛОГИЯ НА ЗАВАРЯВАНЕТОНиков, Н., Заваряване Част I. Теория на заваръчните процеси, Варна, 1990, тема 1Тончев, Н., Технология на материалите, глава 6, 7Рафаилов, А., Д. Минчева, Технология на заваряването, Ръководство за лабораторни упражнения, Варна, 2014

4.1. КЛАСИФИКАЦИЯ НА МЕТОДИТЕ НА ЗАВАРЯВАНЕ И ОСНОВНИ КРИТЕРИИ ЗА ИЗБОРА ИМ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИ ТЕХНОЛОГИЧНИ УСЛОВИЯ. ОСНОВНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ЗАВАРЪЧНИЯ ШЕВ. ДЕФЕКТИ.

Заваряването е технологичен процес, при който се получава монолитно неразглобяемо съединение на материали за сметка на въвеждане и необратимо преобразуване на енергия и вещество в мястото на преобразуване. В резултат на това протичат на физикохимични процеси и се образуват междуатомни и междумолекулни връзки между частиците на съединяваните заготовки по повърхността на контакт. За всяко устойчиво положение на системата съществува определен минимум енергия на атомите и преходът от едно устойчиво положение в друго изисква въвеждането на определена допълнителна енергия. Различават се два вида междуатомни и междумолекулни връзки – физични (Вандервалсови) и химични (йонни, ковалентни, метални, водородни), като и двата имат електрическа природа. При заваряване винаги се образуват съединения с химични връзки, а при запояване – с физични. Образуването на химическа връзка е свързано с преобразуване на електронната обвивка на съединяваните частици и е възможно само в случай, че се внесе допълнителна механична и топлинна енергия (енергия на активация), необходима за преодоляването на силите на отблъскване. Изискванията за образуването на заваръчно съединение са предварително почистване на повърхностните слоеве и премахване на чуждите атоми, създаване на физически контакт (приближаване на частиците от контактната повърхност на разстояния, съизмерими с междуатомните), активиране на частиците от контактуващите повърхности. Етапите включват физически контакт на подготвените за заваряване повърхнини и приближаването им на достатъчно разстояние за протичане на квантомеханични процеси, химично взаимодействие и образуване на съединение, протичане на дифузионни процеси и окончателно формиране на завареното съединение.Всички способи за заваряване се осъществяват чрез въвеждане на топлинна и механична механична енергия. В зависимост от вида на подадената енергия и агрегатното състояние на метала в зоната на заваряване се разделят на две основни групи:

1. Методи за заваряване със стопяванеЗаваряването със стопяване е най-разпространеният и универсален начин за получаване на неразглобяеми съединения. При този метод в зоната на заваряване (краищата на заваряваните части) металът се довежда до течно състояние чрез концентриран източник на топлина (най-често електрическа дъга). Заваряването може да се извърши като се стопи метала само на съединяваните части или при стопяване на основния метал с допълнителен метал, добавян във вид на тел, пръчка, лента и друга форма. Стопеният основен и добавъчен метал образуват заваръчна вана, чийто метал след охлаждане кристализира и се образува заваръчен шев. В зависимост от енергийния източник заваряването със стопяване се дели на:

- Електродъгово заваряване - ръчно електродъгово заваряване /РЕДЗ/, подфлюсово заваряване, заваряване в защитна газова среда – МИГ/МАГ, ВИГ, плазмено заваряване

- Електрошлаково заваряване- Газокислородно заваряване

2. Методи за заваряване без стопяване

Способите за заваряването без стопяване се характеризират със съвместна пластична деформация на метала в мястото на съединяване. За целта се прилагат външни сили (налягане). За да се улесни пластичната деформация, материалът в зоната на съединяване обикновено се нагрява предварително до определена температура, по-ниска от точката на топене. Физически контакт се осъществява в резултат на деформиране на грапавините на съединяваните повърхнини. Изтичането на материала в процеса на деформация води до разрушаване на окисните слоеве и частичното им отделяне извън зоната на контакта. В резултат се получава плътен контакт между заваряваните части и възникват условия за образуване на междуатомни връзки. При достатъчно добра пластичност заваряването може да се извърши и без нагряване (т.нар. студено заваряване).Нагряването на метала до сравнително ниски температури при заваряването чрез налягане и затрудненият достъп на въздух в зоната на заваряване дават възможност да се запазят почти неизменни химичният състав и структурата, а следователно и механичните свойства на метала на завареното съединение.Основните методи за заваряване без стопяване са Електросъпротивително заваряване, дифузионно заваряване, Ултразвуково заваряване, Взривно заваряване.

Основните видове заваръчни шевове са:• Челни • Ъглови, Т-образни и с припокриване • Точкови

Под въздействие на заваръчните процеси в заваряваните детайли се образуват зони с различна структура, химичен състав и механични свойства. Металът на заваръчния шев след кристализация се различава от основния материал – той има лята структура, като е възможно химичният състав също да се промени, поради въвеждането на добавъчен метал във ваната, както и поради взаимодействие с околната среда в течно състояние. Под действие на нагряването в метала на околошевната зона настъпват изменения на структурата и свойствата. Зоната от основния метал, в която са настъпили такива изменения, се нарича зона на термично влияние (ЗТВ). Зоната на сплавяване (област на непълно стопяване) е преходна между заваръчния шев и зоната на термично влияние.

В зависимост от температурата на нагряване и следователно, структурата и физико-механичните изменения, в ЗТВ се различават следните участъци:1 - непълно стопяване;2 - прегряване;3 - нормализация;4 - непълна прекристализация;5 – рекристализация6 - стареене.

Основните геометрични характеристики на заваръчния шев са:+ Коефициент на формата на провара – отношението на широчината на шева към

дълбочината на провара: φ= bhпр

2

+ Ширина на шева b,+ дълбочина на провара hпр,+ дебелина на шева a - + катет на шева z -

От най-голямо значение за получаването на висококачествено заварено съединение с определени свойства е осигуряването на пълен провар. При челни съединения това може да се контролира чрез междината между двата метала. А при по-голяма дебелина може да се прави подходяща подготовка на краищата – скосяване. Пълният провар може да се получи по различни начини. За най-разпространените методи на заваряване чрез стопяване, той се осъществява чрез нанасяне на "подвар", т.е. заваръчна ивица от обратната страна на заваръчния шев, което понякога създава значителна технологична трудност.

Заваряемостта е технологично свойство на метала или сплавта да образува в процеса на заваряване съединения, отговарящи на определени конструктивни и експлоатационни изисквания. Под физична заваряемост се разбира способността на материалите да образуват монолитно съединение с химически връзки при използване на някой от способите за заваряване. Технологичната заваряемост характеризира възможността за получаване на заваръчно съединение с необходимите качества, използвайки съществуващи способи и средства за заваряване, при употреба на минимално количество труд, време и средства. Факторите, които влияят най-силно на заваряемостта на стоманите са:

- Химичен състав – определя температурния интервал на кристализация, фазовите превръщания и структурните промени при нагряване и охлаждане. Стомани, съдържащи повече от 0,35% C се заваряват лошо.

- Топлофизични свойства - Механични свойства – влияят на способността на метала да понася механичните

въздействия от неравномерното нагряване и охлаждане- Специални физико-химични свойства, които определят активността на на реакциите в

заваръчната вана. Колкото по-лоша е заваряемостта на металите, толкова по-сложна е технологията, обезпечаваща получаването на качествено заваръчно съединение.

Дефекти се наричат отклоненията и несъответствията от техническите норми и изисквания към изпълнените заваръчни съединения. Наличието им намалява якостта и работоспособността на заваръчните съединения. В заваръчното производство дефектите се разделят на: дефекти при подготовката и монтажа на заваряваното изделие и заваръчни дефекти. Заваръчните дефекти се разделят на външни (или повърхностни) и вътрешни.

Дефекти при подготовката и монтажаПри заваряването чрез стопяване най-характерни дефекти от този вид са: неправилен ъгъл на скосяване на краищата в съединенията със скосяване (V-, U- и Х-образно); голям или много малък размер на нескосената част по дължината на челно допиращите се краища; неравномерна заваръчна междина; разминаване (разместване) на краищата на челните повърхнини (стика); замърсяване на краищата и др.

Външни (повърхностни) заваръчни дефекти на шева: - дефекти на формата и размерите на шева - отклонения от техническите условия, означени в чертежа. Отклонения по широчината или по височината на шева и размера на катета обикновено се дължат на неравномерната заваръчна междина по дължината на краищата, неравномерното преместване на електрода или горелката. Шевовете могат да имат още неравномерна широчина и височина по дължината на шева, непълномерност на шева,

3

хълмистост, натичания, грапавини, седловини и др. Тези дефекти най-често се дължат на ниското качество на електродите или квалификацията на заварчика.- Подрези - вдлъбнатини в основния метал по дължина на шева, разположени в мястото на прехода от шева към основния метал. Подрезите намаляват носещото сечение на съединението, предизвикват концентрация на напреженията и може да доведат до възникването на пукнатини. Образуват се поради излишък на подвежданата топлина (заваряване с повишена стойност на тока или с повишена мощност на газовата горелка), с много дълга дъга, неравномерно подаване на добавъчния материал. Подрезите се коригират с допълнително положени тънки шевове. - Кратери - образуват се при неправилно прекъсване на дъгата и остават във вид на незапълнени вдлъбнатини в края на шева или в местата на прекъсване на заваряването. Дължат се на ниска квалификация на заварчика. Те намаляват якостта и корозионната устойчивост и са източник на пукнатини.- Пробивите представляват прогаряне на метала по цялата дебелина на основния или наварения метал вследствие наличието на голяма междина между заваряваните краища, прекомерно голяма сила на заваръчния ток или малка дебелина на заготовките.- Натрупвания – стичане или пръски на наварен метал върху повърхността на основния метал, вследствие повишена сила на заваръчния ток, голяма дължина на дъгата, неправилен наклон на електрода. Отстраняват се механично с инструменти.- Люспестост на повърхността се образува при заваряване с некачествени електроди, неравномерно преместване на добавъчния материал.

Вътрешни заваръчни дефекти- Непровари - местна неплътност или незапълване (незаваряване / несплавяване) между шева и основния метал и недостатъчна дълбочина на проникване на наварения метал в основния. Образуват се в корена, по сечението и по стените на шева вследствие на лошо почистване на краищата (ръжда, масло и замърсявания, окалина) или неподходяща подготовка (малък ъгъл на скосяване, малка не скосена част), неправилно избран режим на заваряване (малка стойност на тока, голяма скорост на заваряване, голям диаметър на електрода, неправилно избрана полярност за дадена марка електрод), магнитно духане при заваряване с постоянен ток. Непроварите могат да понижат работоспособността на съединението поради намаляване на носещото сечение на шева. Освен това, острите непровари са концентратори на напрежения и източник на заваръчни пукнатини. - Пукнатините са най-опасният и недопустим дефект при заваряване. Възникват в шева и околошевната зона вследствие големите свивания и структурни напрежения в метала поради неравномерното му нагряване, охлаждане и свиване, повишено съдържание на C и вредни примеси (S, P). В зависимост от размерите си биват макро- и микропукнатини, външни и вътрешни. - Пористост се получава при пренасищането на течната заваръчна вана с газове, които при бързо охлаждане не успяват да излязат навън и образуват кухини (вътре) или шупли (на повърхността). Дължи се на лошо почистване на заваръчните краища от окалина и ръжда, заваряване с дълга дъга, влага в обмазката на електрода, в заваръчния флюс или в защитния газ. Порите разположени по цялата дебелина на шева водят до неплътност на шева. - Твърди включвания – шлакови и метални, обикновено се дължат на замърсявания в заваръчните краища с окалина, ръжда, шлакова кора, неравномерно топене на обмазката на електрода и прекомерно високи скорости на заваряване. При газо-кислородното заваряване се получават шлакови включвания, когато се работи с окисляващ пламък. Шлаковите включвания отслабват сечението на шева и намаляват неговата якост.

Дефектите могат да се контролират чрез външен оглед (визуален контрол), безразрушителен контрол, контрол чрез разрушаване. Чрез външен оглед се проверяват качеството на подготовката (чистотата на повърхността на метала в мястото на заваряване, габаритните размери на заготовките, качеството на подготовка на краищата, ъглите на

4

скосяване) и монтажа на заготовките за заваряване; качеството на изпълнение на шевовете в процеса на заваряване и качеството на готовите заваръчни шевове. Контролът на готовите заваръчни шевове включва проверка за наличието на пукнатини, подрези, натичания, непровари в корена, както и размерите на шева. Най-често, размерите на шева се определят с контролни шаблони.Методите за контрол без разрушаване се разделят на контрол на плътността, радиографичен, ултразвуков, капилярен, магнитен, електромагнитен контрол (с вихрови токове) и др. Съществуват няколко метода за контрол на плътността (непроницаемостта) на заваръчните шевове:- Хидравлично изпитване – херметизирания съд се напълва с вода и чрез помпа или хидравлична преса се създава свръх налягане. Наличието на дефекти се определя по появата на течове, капки или изпотяване. - Пневматично изпитване - в изпитвания съд се подават сгъстен газ (въздух, азот или инертен газ) и се потопяват във вана с вода или на заваръчните шевове се нанася пенлив индикатор. Дефектните места се откриват по излизащите през неплътностите в шевовете газови мехурчета. - Изпитване с керосин (варо-нафтова проба) - едната страна на шева се покрива с воден разтвор на тебешир или вар и като изсъхне, другата страна се намокря с керосин. След известно време при наличието на неплътности, по покритата с варов разтвор страна се появяват жълтеникави петна.

При радиационните методи на контрол се използват рентгенови лъчи или гама-лъчи. Източникът на излъчване (рентгенова тръба или радиоактивни изотопи) се поставя на известно разстояние от шева, така че лъчите да бъдат насочени перпендикулярно на неговата ос. На противоположната страна се поставя касета с рентгенов филм, който след пролъчване и проявяване дава устойчиво фотографско изображение. Лъчите, които попадат върху филма, след преминаване през дефект се поглъщат в по-малка степен в сравнение с лъчите, преминали през плътен метал и съответно първите ще предизвикат по-силно потъмняване на определен участък от филма. С рентгенографския контрол могат да се откриват повечето от вътрешните дефекти: непровари, пори, включвания, макро-пукнатини.

При заварените съединения може да се изпълнява и пенетрантен (капилярен) контрол. При този метод повърхностните дефекти се запълват под действието на капилярните сили със специални свето или цветоконтрастни вещества във вид на течности или суспензии (пенетранти, проникващи вещества). Излишъкът от пенетрант след нанасяне се отстранява и почиства. След това с други вещества, наречени проявители, пенетрантът, намиращ се в дефектите, се извлича на повърхността на изделието под действието на капилярни сили. Шевът (изделието) се осветява с ултравиолетови лъчи в затъмнено помещение (луминисцентен метод) или със светлина от видимия спектър (цветен метод), при което пенетрантът започва да луминисцира или се оцветява. По такъв начин се установява наличието на повърхностни дефекти.

Методът на ултразвуковия контрол се основава на способността на ултразвуковите вълни с честота над 20kHz да проникват в метала на голяма дълбочина и да се отразяват с различна интензивност от среда с различни акустични свойства. Отразените колебания се улавят, преобразуват се в електрически и се подават към екрана на дефектоскопа. По характера на импулса се съди за дължината на дефектите и дълбочината на разполагането им.

5

4.2. ТЕХНОЛОГИИ И РЕЖИМИ ПРИ РЪЧНО, ПОЛУАВТОМАТИЧНО И АВТОМАТИЧНО ЗАВАРЯВАНЕ С ТОПИМИ И НЕТОПИМИ ЕЛЕКТРОДИ.

При електродъговото заваряване източник на топлината за нагряването и топенето е електрическата заваръчна дъга. Заваръчната дъга е мощен устойчив ел. разряд при значителна плътност на тока в йонизирана газова среда между електрода и изделието. Заваръчната дъга се състои от катодна област, анодна област, стълб и ореол (смес от газове и пари). За възбуждане на дъгата е необходимо осъществяване на контакт между метален електрод и заварявания метал, при което се осъществява късо съединение. След изтегляне на електрода и възникване на шийка възниква електрическата дъга. Температурата на дъгата значително превишава температурата на топене на металите. При захранване с постоянен ток дъга с права полярност означава, че електродът е свързан с отрицателния полюс на токоизточника (катод -минус), а заготовката – с положителния (анод, плюс). На анода се отделя по-голямо количество топлина. В дъга на променлив ток вследствие периодичната смяна на полярността с честота равна на честотата на тока, температурите на анодното и катодното петна се изравняват. В зависимост от условията на горене нагряването на метала може да се осъществи от три различни вида дъга – пряка, косвена или смесена (трифазна). Косвената дъга гори между два независими от заварявания детайл електрода. Обикновено се работи с директната дъга, която гори между електрода (топим или нетопим) свързан към един от полюсите и изделието, което е свързано към другия полюс на електрическата верига.

В процеса на заваряване параметрите на заваръчната дъга се изменят в широки граници. Напрежението U зависи от дължината на дъгата. Зависимостта между тока и напрежението на дъгата при неизменни други нейни параметри се нарича статична волтамперна характеристика на дъгата. В зависимост от плътността на тока V-A характеристика на дъгата може да бъде падаща, твърда или нарастваща. В областта на малките токове (<100А) характеристиката на дъгата има падащ характер. На тази област съответстват методите РЕДЗ и аргонодъгово заваряване с нетопим електрод (ВИГ). Във втората област с увеличаване на тока напрежението на дъгата почти не се изменя и придобива твърд характер. Плътностите на тока в дъгите от тази област са характерни за автоматичното заваряване под слой от флюс и електрошлаковото заваряване. В третата област с нарастване на тока се увелича температурата и концентрацията на заредени частици в стълба на дъгата. При недостатъчно напречно сечение съпротивлението нараства и се увеличава напрежението, с което характеристиката придобива нарастващ характер. На плътностите на тока в тази област съответстват полуавтоматичното и автоматичното заваряване в защитна газова среда и плазмено заваряване. Статичните свойства на захранващия източник на ток отразяват неговата външна волт-амперна характеристика и съответствието й с волт-амперната характеристика на дъгата. Способността на енергетичната система токоизточник-дъга-вана да поддържа устойчиво горене на дъгата и зададения режим зависи от вида и взаимното положение на двете характеристики.

6

Технология на Ръчно ЕлектроДъгово Заваряване с топим обмазан електрод1

При РЕДЗ се работи най-често с пряка дъга, като електродът служи едновременно за подвеждане на дъгата и доставяне на добавъчен материал. В качеството на топим електрод се използват обмазани електроди, заваръчна тел с плътно кръгло сечение, тръбнофлюсова тел, ленти и др. Източниците на ток са с падаща характеристика.Електродите за ръчно електродъгово заваряване представляват метални пръчки, които са обмазани със смес от подходящи материали. Обмазката на електрода стабилизира горенето на дъгата, създава защитни газове около дъгата, като течната шлака по повърхността защитава стопения метал от въздействието на околната среда, има дезоксидираща и легираща функция (изменя се химичния състав на металната вана).Ръчното електродъгово заваряване има три важни преимущества, които го правят един от основните начини на електродъгово заваряване:- възможност да се заварява във всички пространствени положения;- възможност да се работи в монтажни условия и на труднодостъпни места;- разходите за заваръчно обзавеждане са малки.

При съставяне на технология за РЕДЗ е необходимо да се избере начин на подготовка на краищата, вид и диаметър на електрода, заваръчен токоизточник, да се определят силата на тока, скоростта на заваряване, последователността на нанасяне на шевовете и др.Формата и размерите на краищата зависят от дебелината на изделието и вида на съединението. При избора на електрода се изхожда основно от вида на основния метал, като се търси еднаквост в химическия състав на наварения и основния метали. Видът на електрода се избира и в зависимост от предназначението на конструкцията, изискването за механични характеристики на метала на шева. Изборът на обмазката определя до голяма степен структурата и химичния състав на шева, както и технологичните свойства на електрода – стабилност на горене на дъгата, отделяне на шлаковата кора и т.н. Подходящ диаметър на електрода се избира с оглед на дебелината на материала, вида на шева (челен, ъглов) и подготовката на краищата, заваръчното положение. При големи дебелини на материала заваряването се извършва многослойно. Изборът на режим за електродъгово заваряване обхваща определяне на стойността на тока след предварително уточнен електрод по тип и диаметър. Стойността на заваръчния ток се пресмята в зависимост от дебелината на електрода, вида и дебелината на обмазката, състава на металната пръчка и основния метал, пространственото положение на заваряване. При заваряване в долно положение най-често силата на тока може да се пресметне по следната емпирична формула: I = К.dел, Където К е експериментално установен коефициент, който се приема стойност m = 30 при диаметър на електрода <3 mm и К = 40-50 при диаметри над 4 mm. При заваряване във вертикално положение силата на тока се намалява с 15-20%.

Качеството на завареното съединение зависи до голяма степен от техниката на заваряване – запалване на дъгата, дължина на дъгата, движенията на електрода и последователността на нанасяне на заваръчните шевове. Възбуждането на дъгата се осъществява чрез допиране на електрода под напрежение към заваряваното изделие. В този момент токът достига високи стойности, стопява точките на допиране и при отдалечаване на електрода се установява дъга. Съществуването и стабилността на дъгата зависят от наличието на достатъчно йонизирани елементи в дъговата междина. Дължината на дъгата по време на заваряване трябва да остане постоянна – условно може да се приеме равна на dел/2. В процеса на заваряване електродът извършва три движения – подавателно към изделието (скорост равна на скоростта на топене) постъпателно (скорост на заваряване) и колебателно за оформяна на шева. Характерно за ръчното електродъгово заваряване е, че и двете основни движения - оформянето на

1 Shielded metal arc welding (SMAW), stick welding

7

заваръчния шев по неговата дължина и подаването на електрода за поддържане на постоянна дъга, се извършват ръчно.

Ръчно електродъгово заваряване с нетопим електрод в среда от инертен газ - ВИГ 2 и плазмено заваряванеВИГ е метод за електродъгово заваряване с нетопим електрод в защитна среда от неутрален инертен газ. Дъгата се възбужда между електрода и изделието, което става с помощта на осцилатор. Защитният газ е инертен – аргон, хелий или смес. Електродите са с различни диаметри и са изработени от волфрам, легиран с торий, церий, циркон или др. Формата и вида на електрода влияят върху степента на износването им и стабилността на заваръчната дъга. При заваряване с постоянен ток се използват конусно заточени електроди 15-30° и притъпен връх, а при променлив ток – сферичен връх. Технологичните свойства на метода се определят от начина на захранване на дъгата (постоянен ток с права или обратна полярност, променлив ток). Дъгата има задачата да стопява основния метал, което предполага този начин да се използва за заваряване предимно на тънки ламарини (от 1 до 5 mm). При ъглови съединения или ако се налага запълване на скосена част, в заваръчната зона може да се добавя и допълнителен метал под формата на пръчки за ръчно или тел за механизирано заваряване. Методът се прилага при заваряване на високолегирани неръждаеми стомани, цветни метали и техните сплави. Токоизточникът е с падаща волт-амперна характеристика. При големи стойности на заваръчния ток се използва водоохлаждаема горелка. Основните параметри на режима на ВИГ заваряването са род и сила на тока, разход на газ, скорост на заваряване, брой преходи. Те могат да се определят таблично в зависимост от вида и дебелината на материала, вида на шева, начин и положение на заваряване. Изборът на рода на заваръчния ток се определя от вида на заварявания материал. Почти всички метали и сплави се заваряват на постоянен ток с права полярност, с изключение на алуминия, магнезия и сплавите им. При този начин се осигурява стабилно горене на дъгата, по-голяма концентрация на топлината върху заваряваното съединение (анод) и се избягва прегаряне на електрода. Заваръчната вана е по-тясна и дълбока с възможност за по-големи скорости на заваряване. Може да се работи със сравнително ниски стойности на тока и да се заваряват много малки дебелини. Електродът запазва заострения си връх. При заваряване на метали, които образуват оксиди с висока точка на топене (алуминий, магнезий и др.) се използва променлив ток. По време на фазата на обратната полярност се проявява важното за технологията очистващо действие на дъгата – разрушава се оксидния слой (катодно разпрашаване), а по време на фазата на правата полярност се намалява термичното натоварване на електрода. При заваряване на тези метали може да се използва и постоянен ток с обратна полярност, но устойчивостта на дъгата е влошена и нараства напрежението й. Поради силното износване на електрода обаче на практика обратната полярност се прилага само при заваряване на малки дебелини. Излазът на електрода от отвора на газовата дюза се определя от диаметъра на електрода и от типа на заваръчното съединение. Оптималният излаз е 5-12мм.

При метода на електродъгово плазмено заваряване отново се използва защитна газова среда, но той се характеризира със значително по-голяма концентрация на топлинния източник, като може да бъде реализирано с или без добавъчен материал. При този метод на заваряване дъгата гори между нетопим волфрамов електрод (катод) и изделието (анод). Запалването на дъгата става чрез подаване напрежение към вътрешната дюза на плазмотрона и възбуждане на дежурна дъга. Дежурната дъга гори между електрода и вътрешната дюза, след което се прехвърля към основния метал в резултат на йонизация на плазмообразуващия газ. В качеството на плазмообразуващ газ се използва аргон или смес аргон с хелий или водород. Освен защита на зоната на заваряване, защитният газ служи и за охлаждане стълба на дъгата. Охлаждането на стълба води до неговото свиване и повишаване концентрацията на

2 Gas tungsten arc welding (GTAW), TIG – процес 141 съгл. ISO 4063

8

топлинния източник. Повишената плътност на тока позволява да се заваряват съединения с голяма дебелина и без подготовка на краищата. При този метод линейната енергия е по-малка, скоростта на заваряване е по-голяма, което води до по-малки деформации по време на заваряване. С плазмена дъга се заваряват неръждаеми стомани, никелови сплави, титанови сплави, молибден, волфрам. В сравнение с ВИГ процесът се отличава с по-устойчива дъга, равномерна дълбочина на провара и по-тясна зона на термично влияние.

Полуавтоматичното заваряване в среда на защитен газ3 При полуавтоматичното заваряване в защитна газова среда дъгата гори между топим електрода и изделието. Електродът, дъгата и заваръчната вана са изолирани от въздействието на околната среда посредством защитен газ. В зависимост от използвания газ на защитната среда се различават 2 метода - МИГ (инертен газ) и МАГ метод с активен газ, който взаимодейства с основния метал. Защитният газ постъпва в зоната на заваряване по отделен шлаух, като се включва и изключва чрез електромагнитен клапан. Електродът под формата на заваръчна тел от ролка се подава автоматично от телоподаващо устройство в заваръчната зона със зададена скорост, а горелката се премества ръчно от заварчика - процесът е полу-автоматичен. Освен плътни телове, могат да се използват и тръбни телове. Скоростта на подаване на телта се определят от диаметъра и ъгловата скорост на ролките на телеподаващото устройство. По време на заваряване се поддържа постоянна скорост на подаване на тела. Чрез този метод обикновено се заварява на обратна полярност – изделието е свързано като катод с отрицателния полюс на токоизточника, а заваръчния шланг – с положителния извод. В шланга са разположени спиралата за водене на електродния тел и шлаухът за доставяне на защитния газ. Шлангът завършва със заваръчна горелка, в която се намират контактната дюза, подаваща тока към тела, газовата дюза и газодифузора, подаващ защитния газ в пространството между газовата и контактната дюзи. Горелката е снабдена с бутон за едновременно включване на телеподаващото устройство, заваръчния ток и защитния газ. Характерен за полуавтомачиното заваряване е процесът на саморегулиране дължината на дъгата, при което заваръчният ток зависи от скоростта на телеподаване. Поради голяма плътност на заваръчния ток се работи в третата (нарастваща) част на волт-амперната характеристика на дъгата и се използват токоизточници с твърди, нарастващи или леко-падащи характеристики.

При МИГ метода защитният газ е аргон, хелий или смес. МИГ методът се използва за заваряване на високолегирани стомани и сплави на цветни метали. При заваряване на мед и медни сплави се използва азот, тъй като той не се разтваря в тях. Плътността на тока достига до 100-400 А/mm², което предизвиква появата на слабо йонизирана плазма с повишена температура (12000 до 15000 °С в дъгата). Това от своя страна осигурява голям провар и висока производителност. Поради невъзможност за протичане на активни металургични процеси в заваръчната зона, се използва допълнителен метал с химичен състав, идентичен с този на основния метал.Заваряването в защитна среда от активен газ (МАГ) се изпълнява със същото оборудване, както и заваряването с инертен газ. Като защитен активен газ може да се използва въглероден двуокис или смес от CO2 и аргон. Процесът има особености, които се отразяват на технологията на заваряване. В заваръчната дъга под действие на високата температура CO2 се разпада, което води до окислително въздействие на защитната среда върху течния метал във ваната. За да се предотврати окисляване на метала на шева заваръчните телове се легират с дезоксидиращи елементи. Дезоксидирането става главно за сметка на мангана и силиция, а при заваряване на алуминий и алуминиеви сплави се използва титан. Параметри на режима на процеса са големина на ток, напрежение, скорост и подаване на газ. Дълбочината на провара се определя от големината на тока, а широчината на шева зависи от

3 Gas metal arc welding (GMAW), MIG/MAG

9

напрежението на дъгата. Скоростта на заваряване оказва влияние върху провара и широчината на шева. Параметрите на режима на заваряване се изчисляват по методика. Методът на полуавтоматичното заваряване в среда на защитен газ има и някои недостатъци:- необходима е сравнително сложна апаратура;- аргонът е скъп защитен газ;- заваряваните части изискват добра подготовка и в повечето от случаите се налага използването на спомагателно обзавеждане - различни видове приспособления.

Технология за автоматично заваряване под слой от флюс4.При този начин на електродъгово заваряване дъгата гори между заваряваното изделие и необмазана електродна тел под слой от флюс, който се подава в насипно състояние в зоната на заваряване пред дъгата. Така дъгата е защитена от атмосферата чрез от образувалия се газов мехур, течната шлака и насипвания флюс. Това дава основание този метод на електродъгово заваряване да се класифицира като метод с покрита дъга. Методът на заваряване под слой от флюс е механизиран и осигурява синхронизирано осъществяване на всички процеси - непрекъснато подаване на електродния тел, запалване и поддържане на дъгата, придвижване по продължение на образуващия се шев.Подфлюсовото заваряване може да се използва единствено при заваряване в долно положение. Други характерните особености на подфлюсовото заваряване са:- дъгата гори в газов мехур, обграден с течна шлака и насипан флюс, което изключва съприкосновение на метала с въздуха и гарантира отличната му защита;- получава се високо качество на метала на шева поради добрата защита и поради поддържаните постоянни стойности на параметрите на режима и забавеното охлаждане на метала;- качеството на шева по-малко зависи от субективния фактор.- намалените загуби на топлина повишават КПД до 0,9, докато при заваряването с открита дъга той е от 0,6 до 0,8; - при подфлюсовото заваряване токът се подава на електрода в непосредствена близост до дъгата. Затова могат да се използват по-високи плътности. - голямата плътност на тока и концентрацията на топлина, увеличава чувствително провара;- покритата дъга осигурява чист метал и ограничава пръскането; при нея липсва светлинно излъчване; - висока производителност и висока скорост на заваряване. - висок коефициент на наваряване;Основните недостатъци са свързани с наличие на голяма заваръчна вана, едрозърнеста кристализация и опасност от образуване на горещи пукнатини. Механизираното подфлюсово заваряване изисква съответни допълнителни съоръжения и спомагателно заваръчно обзавеждане като манипулатори и други.

Разработването на технология за автоматично заваряване под слой от флюс е свързано с подготовка на краищата, избор на материали и апаратура, пресмятане на заваръчните режими и техниката на заваряване. Параметри на режима на заваряване са големина на тока, напрежение на дъгата и скоростта на заваряване. Процесът се реализира както с променлив, така и с постоянен ток. Видът на тока се определя от типа на флюса. Големината на заваръчния ток влияе главно върху дълбочината на провара и се определя в зависимост от дебелината на заварявания материал. Производителността на стопяване нараства пропорционално на големината на тока, което води до увеличаване усилването на шева g. При заваряване с права полярност се осигурява по-дълбок провар и по-добро формиране на шева, дъгата е по-устойчива. При заваряване на обратна полярност производителността на процеса е по-голяма, поради по-високата скорост на топене на електродния материал (анода). С повишаване на напрежението на дъгата се увеличава дължината на дъгата. Скоростта на заваряване влияе върху линейната енергия, формата на шева, разхода на флюс,

4 Submerged arc welding (SAW)

10

образуването на надрези и пори. За пресмятане параметрите на режима при челни съединения като изходен параметър служи дебелината на провара. Основната област на приложение на механизираното подфлюсово заваряване е изработването на заварени съединения с дълги шевове в заводски условия, т.е. главно при голямо габаритни изделия, каквито има в корабостроенето, транспортното машиностроене, в производството на резервоари, заварени тръби и голямогабаритни строителни конструкции.

4.3. ТЕХНОЛОГИИ ЗА ЗАВАРЯВАНЕ БЕЗ СТОПЯВАНЕ. ЕЛЕКТРОСЪПРОТИВИТЕЛНО ЗАВАРЯВАНЕ И ЗАВАРЯВАНЕ ЧРЕЗ ТРИЕНЕ.

ЕЛЕКТРОСЪПРОТИВИТЕЛНО ЗАВАРЯВАНЕЕлектросъпротивителното заваряване е метод за съединяване на металите в твърдо състояние (без стопяване). Заваряваните части се загряват в мястото на съединяване (контакта) от топлината, която се получава при преминаването на електрическия ток съгласно Закона на Джаул, след което се притискат силно една към друга. Притискането на заваряваните детайли, се осъществява от подавателно-сбиващ механизъм. В зависимост от начина (способа), по който се извършва, електро-съпротивителното заваряване се разделя основно на три вида: челно, точково и ролково.

При челното електросъпротивително заваряване съединяването на частите се извършва по цялата площ на контакта (техните челни повърхнини). За тази цел те се захващат в специални механизми или приспособления на машините за челно заваряване. Практически челното електросъпротивително заваряване може да се извършва по два начина: без стопяване и със стопяване на заваряваните краища (непрекъсвано и прекъсвано стопяване). Заваряването без стопяване на повърхностите се извършва като частите се допират и притискат една към друга и се пропуска електрически ток, който загрява метала. След достатъчно загряване и размекване на краищата токът се изключва и едновременно с това се извършва силно притискане (сбиване). Вследствие на това в мястото на съединяването металът силно се деформира и се получава удебеление. Този начин на заваряване дава добри резултати при нисковъглеродна стомана, а също и когато изделията са с прости компактни сечения. При заваряването с прекъсвано стопяване след притискане на двете части през тях се пропуска ток и се извършва неколкократно допиране и малко отдалечаване на заваряваните повърхности чрез възвратно-постъпателни движения. При това се получават малки дъги, които стопяват метала по повърхността. Когато се получи достатъчно разтопяване, двете части силно се притискат една към друга и токът се изключва. Вследствие силното притискане почти целият стопен метал се изтласква навън и се получава израстък. При непрекъснато разтопяване на краищата след като детайлите се закрепят се пуска тока и детайлите се допират. През контактната повърхност протича ток с висока плътност, който моментално нагрява и разтопява метала. Течният метал, съединяващ двата детайла се взривява и изхвърля от междината в течно и парообразно състояние. В процеса на по-нататъшното сближаване на детайлите се образуват контакти в други места и процеса се повтаря. В края на процеса при разтопяване на цялото напречно сечение се създава натисково усилие, което с помощта на пластично деформиране изтласква разтопения метал между детайлите и след кристализацията се получава монолитно съединение.Заваряването с разтопяване предлага редица предимства - могат да се заваряват метали, които имат лоша заваряемост в пластично състояние (напр. технически чисти мед и алуминий. В процеса на топене се изглаждат всички неравномерности на повърхността на заваряване, поради което челните повърхности не се нуждаят от особена подготовка или точна предварителна обработка на краищата. В процеса на топене изгарят и се изхвърлят заедно с разтопения метал и замърсяванията от повърхностите. Този вид заваряване позволява да се съединяват сечения със сложна форма и различни физико-механични

11

качества, като могат да се заваряват разнородни метали - напр. бързорежеща и въглеродна стомана, мед и алуминий и др.

Точковото електросъпротивително заваряване се осъществява с местно разтопяване в мястото на съединяване на двата детайла. При него заваряваните детайли се поставят един върху друг и се притискат между два медни електрода, които са съединени с вторичната верига на трансформатор. При протичането на електрическия ток част от обема на детайлите, намиращ се между електродите, се нагрява интензивно с образуване зона от разтопен метал в мястото на контакта. След достигане на необходимата степен на нагряване токът се изключва и електродите се притискат силно един към. В резултат на това двете части се съединяват по една сравнително малка повърхност - точка. Трябва да се отбележи, че точковото заваряване обезпечава необходимата якост на съединението, но не създава плътност. То се използва при заваряване на плътни листове, пресичащи се прътове и др. При най-често използвания цикъл токът се включва кратковременно, след като частите се притискат с максимални сила, и се изключва, преди да се премахне налягането. Налягането не трябва да се снема много бързо, тъй като горещата точка може да се скъса под действието на вътрешните усилия, а освен това механичните свойства на метала се подобряват. Точковото заваряване може да се извършва с т. нар. меки (по-ниска мощност) и твърди режими с увеличена сила на притискане и концентрирано загряване. Разновидност на точковото заваряване е т. нар. релефно заваряване. При него частите се съединяват едновременно в няколко точки. За тази цел единият от детайлите (по-тънката от заваряваните части) има предварителен щампован релеф с еднаква височина и диаметър. Релефът определя мястото на заваряването - заваряваните части се притискат между две плочи, заваръчният ток преминава през релефите, стопява ги частично и вследствие налягането се получава метално съединение.Точковото заваряване широко се прилага за изработване на комбинирани щамповано-заварени съединения, т. е. при съединяване чрез заваряване на щамповани детайли. По този начин се опростява технологията на изработване на заварените възли и се повишава производителността.

Ролковото заваряване (наричано още шевно) се отличава от точковото по това, че при него вместо от отделните точки, разположени на известно разстояние една от друга, съединението се получава посредством непрекъснат ред от точки, които се застъпват и препокриват. По този начин се получава плътен шев, който обезпечава достатъчно висока механична якост и непроницаемост на съединението.При ролковото заваряване двата детайла се притискат между два ролкови електрода, през които се пуска електрически ток. Единият или двата електрода принудително се въртят от електродвигател като обезпечават преместването на заваръчното съединение. Едновременно с това ролките, които са свързани с вторичната верига на трансформатора, служат за подаване на заваръчния ток. Съществуват два цикъла на ролково заваряване: с непрекъснато и с прекъснато протичане на тока. Цикълът с непрекъснато протичане на тока се използва за заваряване на къси шевове от нисковъглеродна и нисколегирана стомана с дебелина под 1 mm. Цикълът с прекъснато протичане на тока осигурява по-висока стабилност на процеса, по-високо качество на завареното съединение, а също така по-малка зона на термично влияние. Той се прилага при заваряване на дълги шевове на части от неръждаема стомана, алуминиеви и медни сплави.Тъй като при ролковото заваряване отделните точки се допират и препокриват, налице е значително шунтиране на тока - част от електрическия заваръчен ток преминава през съседната точка и се изразходва за безполезно нагряване на метала извън мястото на заваряването. Ето защо при ролковото заваряване могат да се съединяват части с дебелина до 3 mm.

12

Кондензаторното заваряване е още една разновидност на електросъпротивителното заваряване. Това е метод на заваряване с използване на акумулирана енергия. Същността му се състои в мигновеното използване на електрическата енергия, която е запасена (акумулирана) в кондензатор, по схемите на електросъпротивителното заваряване. Съществуват два основни вида кондензаторно заваряване: с непосредствено разреждане на кондензатора върху заваряваните части и с разреждане на кондензатора върху първичната намотка на заваръчния трансформатор.С машините, работещи на принципа на непосредствено разреждане на кондензатора, могат да се заваряват челно прътови изделия с малко сечение и тел от разнородни метали - волфрам-никел, молибден-никел, мед-константан. Заваряваните детайли се включват към кондензатора, като при бързото си преместване подвижният детайл се удря в неподвижно закрепения и между тях възниква мощен разряд, краищата на детайлите се стопяват и под действието на силата на удара металът се уплътнява (сбива), а детайлите се заваряват. Вторият вид кондензаторно заваряване (разреждане на кондензатора в първичната верига на трансформатора) се използва в машините работещи на принципа на точковото и ролковото заваряване. Най-важните предимства на кондензаторното заваряване са следните: много малка консумация на енергия от мрежата и равномерно натоварване на същата; кратковременен импулс на заваръчния ток (няколко хилядни от секундата), поради което могат да се съединяват много тънки изделия; възможност за заваряване на разнообразни по форма изделия. Всичко това предопределя приложимостта на метода - главно при производството на електроизмервателни и механични уреди.

ЗАВАРЯВАНЕ ЧРЕЗ ТРИЕНЕЗаваряването чрез триене се отнася към групата технологични процеси за заваряване в твърдо състояние (без стопяване). Заваряването чрез триене може да се разглежда като разновидност на заваряването чрез натиск. Завареното съединение се образува в твърдо състояние без стопяване на заваряваните повърхнини. Енергията, необходима за реализиране на съединението се отделя в зоната на контакт на заваряваните детайли в резултат на относителното им движение и работата на силите на триене. Условието за формиране на качествено съединение е металът да бъде доведен до пластично течение. В резултат на отделяната енергия зоната на съединението се нагрява, което облекчава процесът на съвместна пластична деформация на заваряваните части. Детайлите се притискат един към друг, като същевременно извършват относително движение. В резултат на триенето зоната на контакта се нагрява. След достигане на необходимата температура относителното движение на детайлите се прекратява, а приложената сила се увеличава. Под действие на температурата и приложената сила протича локална пластична деформация и се образува завареното съединение. Основните разновидности на метода са ротационно (вкл. инерционно) заваряване, вибрационно (линейно) заваряване, заваряване чрез трето тяло (инструмент).

Заваряването чрез ротационно триене5 е метод за челно съединяване на метални части, при който се използва топлината, отделяна в резултат на триене и съвместно пластично деформиране на съединяваните краища под действие на осов натиск. При този метод едната съединявана част се върти с висока скорост и се притиска челно към другата, която е закрепена неподвижно. Получената в резултат на триенето топлина нагрява детайлите в мястото на съединяване до пластично състояние, въртеливото движение се преустановява, частите се притискат и се заваряват една към друга докато се охлаждат.По време на процеса на заваряване натисковата сила изтласква метала в пластично състояние от мястото на съединяване, премахвайки повърхностния оксиден слой и другите включвания, което способства за осъществяване на механизмите на свързване. При този процес на деформация се образува израстък с формата на пръстен, което води до намаляване

5 Rotary friction welding (RFW)

13

дължината на обработваните заготовки по направление на натисковата сила. След като необходимото скъсяване е достигнато, въртеливото движение се прекратява и често притискащата сила се поддържа (или увеличава) за период от време, за да подпомогне формирането на плътно заваръчно съединение.Съществуват два основни механизма за предаване на енергията до зоната на заваряване:

- Директно задвижване – въртящата се част непрекъснато се задвижва от вретеното на оборудването.

- Чрез инерция - въртящата се част е свързана с маховик, който се отцепва от задвижващия мотор когато бъде достигната желаната скорост. Обработваните детайли се допират и маховикът осигурява енергията към съединението. При този подход скоростта на въртене плавно намалява до пълно спиране на движението.

Процесът се характеризира с висока производителност в резултат на високата концентрация на топлинния източник и едновременното нагряване на цялата заварявана повърхнина, по-ниски енергийни разходи в сравнение с челното електро-съпротивително заваряване, високо качество на завареното съединение. В резултат на високите скорости на нагряване и охлаждане и голямата осева сила структурата на шева е дребнозърнеста. Този метод предлага възможност за заваряване на разнородни метали и сплави - в резултат на формирането на съединението в твърдо състояние. При него качеството на съединението практически не зависи от почистването на заваряваните повърхнини, липсват излъчвания, пръски и др.

Заваряването чрез линейно (вибрационно) триене6 е метод за създаване на съединения в твърдо състояние, при който едната заготовка извършва относително странично възвратно-постъпателно движение спрямо неподвижния компонент при прилагане на значителна осова натискова сила. Триенето между вибриращите повърхности генерира топлина, която нагрява материала в зоната на контакт и го довежда до пластично състояние. В края на процеса, амплитудата на осцилиране (трептене) намалява до нула и в резултат на силата на сбиване размекнатият метал се изтласква навън, при което заготовките се скъсяват по направление на натисковата сила. На този етап замърсяванията в контакта, като окиси и включвания на чужди частици, се отвеждат в израстъка. При последващия чист контакт метал-метал се формира съединението. Общата продължителност на цикъла е много кратка, обикновено между 4 и 10 секунди при заваряване на титаниеви сплави. Процесът може да се раздели на три етапа – подготвителна фаза, триене и заваряване. По време на подготвителната фаза двете заварявани части се трият заедно под предварително определено натоварване, но не е налице значимо осово изместване. Разрушават се микроскопичните грапавини и устойчивите оксидни слоеве на повърхността. Зададените променливи на процеса са честота на трептене на подвижната заварявана част, амплитуда на осцилация и форма на вълната (синусоида, квадратна и тн.), приложената осова сила.Фрикционната топлина се генерира от контактуващите повърхнини по време на етапа на триене. Материалът в близост до зоната на контакт се размеква вследствие на повишената температура и се изхвърля под формата на израстък. В резултат на това протича значително осово изместване. Допълнителни променливи за този етап на процеса са дължината на скъсения участък на детайлите или времето за протичането му, както и времето, за което амплитудата намалява до нула.След като амплитудата намалее до нула (трептенето затихне) и когато заваряваните части са идеално подравнени се прилага и силата на сбиване. При етапа на заваряване пластифицираният материал се изтласква под формата на грат, предизвиквайки допълнително осово изместване и укрепване на съединението. Времето за задържане следва да продължи достатъчно дълго, за да доведе съединението до състояние, в което вече не може да протича пластична деформация. Параметри на този етап от процеса включват големината на приложената аксиална сила и времето на задържане на силата на сбиване.

6 Linear friction welding, LFW

14

Чрез изменение на скоростта на повърхностното триене посочените параметри на процеса могат да варират с цел да се въведе в системата повече или по-малко топлинна енергия. Това се постига като се настройват честотата и амплитудата на трептенето. Материали с ниска топлопроводност могат да се съединяват с различни параметри на нагряване, докато сплавите с висока топлопроводност изискват бързо генериране на топлинна енергия по време на етапа на триене.Аксиалното натоварване приложено по време на етапите на триене и заваряване трябва да бъде достатъчно по големина, за да задържа двете заготовки в близък контакт през подготвителната фаза и да изтласква пластифицирания материал в зоната на заваръчното съединение. Темпът, с който амплитудата на осцилиране спада до нула, е важен фактор за осигуряване на добро качество на съединението в най-крайните участъци на напречното сечение. По-продължителните периоди на затихване спомагат за формиране на връзката в тези зони. Силите на реакция в оборудването за заваряване с триене също са по-ниски когато се прилага продължително затихване. В края на етапа на триене, когато трептенето затихне, двата заварявани компонента се довеждат до предварително определена позиция. Задачата на заваръчната машина и приспособленията за захващане е да осигурят точното позициониране на подвижната заготовка когато линейното ѝ движение спре. Съвременните машини разполагат с технология позволяваща изпълнението на тази задача да бъде повторяемо и прецизно.Методът на заваряване чрез вибрационно триене е най-ефективен при свързването на метали и сплави, които имат добри механични свойства при висока температура (якост на натиск и срязване) и ниска термопроводимост. Това позволява генерираната топлина да се задържа в зоната на контакт на повърхностите и бързо да нагрява метала до пластично състояние. Такива условия правят титаниевите сплави особено подходящи за този процес. Методът намира приложение в авиационната индустрия за заваряване на лопатки от титаниеви сплави при производство на турбини.

Методът на заваряване чрез триене с трето тяло (разбъркване7) е без стопяване (в твърдо състояние), който създава съединения с високо качество, висока якост и малки деформации при трудно заваряеми материали като алуминий. С този процес е възможност да се произвеждат както челни, така и заварки със застъпване при различни дебелини и дължини на материала. Методът се осъществява чрез инструмент (pin tool), който се върти и подава в контактната повърхност между двете заготовки. Топлината в резултат на триенето нагрява материала и го размеква. Въртящият се инструмент се придвижва по продължение на линията на контакт и механично разбърква пластичния материал, при което се създава съединение в твърдо състояние. Тъй като се извършва в твърдо състояние, при него се избягват много от дефектите присъщи на методите за заваряване с разтопяване, като например свиване на метала, пукнатини при втвърдяване и пористост. Ротационният инструмент използван в процеса се състои от конично оформена профилна сонда (probe), която при въртенето си разбърква двата свързвани материала. Върху сондата е разположена глава (shoulder) с по-голям диаметър, която осигурява фрикционната топлина и силата за насочване на потока на разбърквания материал.В началото на процеса сондата на инструмента се врязва в двете съединявани части. Специалната геометрия и въртеливото движение създават триене, което нагрява метала до пластично състояние, но не го стопява. Обхождайки линията на контакт между заготовките, инструментът завихря пластичния материал и заварява участъците, през които е преминал. Металът на двете заготовки буквално се разбърква и смесва в тази зона. Полученото съединение в твърдо състояние е формирано изцяло от основните материали на обработваните детайли. Структурата на заварената зона е по-дребнозърнеста в сравнение с тази на основния метал и има сходни якостни характеристики при огъване и умора.Методът на Заваряване чрез триене с разбъркване се използва предимно за свързване на алуминиеви сплави от всички класове в лято, валцовано или екструдирано състояние в

7 Friction Stir Welding, FSW

15

автомобилната, аерокосмическата, железопътната индустрия и корабостроенето. Сред другите материали, които успешно са заварявани по метода, са магнезий, титаний, мед и стомана. Характерно за този способ на заваряване е, че въртящата сонда на инструмента трябва да излезе от зоната на шева, при което остава технологичен отвор. Обикновено той се предвижда в неотговорна част на компонента. Процесът се влияе от множество фактори включително сложната геометрия на инструмента, скоростта на въртене, надлъжната скорост на подаване, ъгълът на наклона на вретеното, материала и дебелината на заготовката. Геометрията на инструмента играе много важна роля за получаването на качествено съединение.

4.4. ОСОБЕНОСТИ НА ТЕХНОЛОГИЧНИТЕ ПРОЦЕСИ ПРИ ЗАВАРЯВАНЕ НА ВЪГЛЕРОДНИ, ЛЕГИРАНИ СТОМАНИ И ЦВЕТНИ СПЛАВИ.

ЗАВАРЯЕМОСТ НА ВЪГЛЕРОДНИ КОНСТРУКЦИОННИ СТОМАНИВъглеродни конструкционни стомани са тези, в които съдържанието на въглерод (С) е в границите 0,1-0,6%. Обикновено за заваръчни конструкции се използва мартенова стомана с понижено съдържание на вредни газове и примеси (азот, сяра, фосфор). В зависимост от съдържанието на С въглеродните конструкционни стомани се разделят на ниско-, средно- и високовъглеродни.Към нисковъглеродните стомани се отнасят тези със съдържание на С до 0,25% (СтЗ, стоманите 10, 15, 20, М16С, 22К и др.). Те имат добра заваряемост. Металът на шева по химическия си състав обикновено се отличава малко от основния метал. За да се избегне снижаване якостта на заваръчния шев, в него се въвеждат допълнително Mn и Si. При заваряване на нисковъглеродни стомани е лесно да се осигури равна якост на ЗШ и ОМ.Към средновъглеродните конструкционни стомани се отнасят спокойните стомани, в които съдържанието на С се колебае в границите 0,26-0,45% (Ст5, стоманите 25, 30, 35, 40, 25Г, 30Г, 35Г и др.). Повишеното му съдържание влошава заваряемостта на тези стомани, тъй като то снижава устойчивостта на МШ към образуване на кристализационни пукнатини и прави възможно появяването в околошевната зона на нископластични структури и студени пукнатини. Въглеродът повишава степента на дендритна нееднородност на разпределение на S и способства за отделянето й по границите на кристалитите във вид на леснотопими сулфидни включвания, увеличаващи температурния интервал на крехкост. За да се получи качествен шев трябва да се намали съдържанието на С в него за сметка на използване на съответстващи заваръчни материали и намаляване участието на основния метал в наварения. Нужната равна якост на ЗШ и ОМ се получава с допълнително легиране с елементи, уякчаващи ферита (Mn, Si). Повишеното съдържание на С в средновъглеродните стомани облекчава възможността за поява на мартензит в зоната на термично влияние. За да се предотврати образуването на нископластични и крехки структури при заваряване на средновъглеродните стомани следва да се забавя охлаждането на метала като се регулира режима на заваряване, а ако е необходимо и предварително се подгрява изделието. В редица случаи за осигуряване на висока деформационна способност на заваръчното съединение и неговата равна якост с основния метал, след заваряването се провежда термообработка (закаляване с отвръщане, нормализация). Според металургичната обработка стоманите биват спокойни (сп), полуспокойни (пс) и кипящи (кп). За заваряване най-подходящи са спокойните стомани. Според способа на производство стоманите са мартенови и конверторни. В общия случай за заваряване по-добри са мартеновите.Към високовъглеродните конструкционни стомани се отнасят стомани, съдържащи 0,46-0,7% С. Заваряемостта им е още по-затруднена по същите причини, както и заваряемостта на средновъглеродните стомани. За преодоляване на трудностите се препоръчват същите способи.

16

Избор на заваръчни материали и особености на технологията на заваряванеИзборът на метод, заваръчни материали, режими и технологична последователност на заваряване се прави съобразно химическия състав и структурния клас на стоманата дебелината, особеностите на конструкцията и пространственото положение на заваръчните шевове. Използват се данни от справочници, каталози, както и структурната диаграма на Шефлер.Нисковъглеродните конструкционни стомани имат добра заваряемост и не изискват използването на специални технологични условия при заваряване. От тях се изработват по-голяма част от заварените конструкции. Обикновено те се заваряват с електроди тип Е46 с рутилова, базична или целулозна обмазка.Главното изискване, което се поставя при заваряването на нисковъглеродните стомани, е завареното съединение и основният метал да имат еднаква якост Това се постига с почти всички прилагани в практиката методи и начини на заваряване. Допълнителна термообработка се налага само когато трябва да се отстранят вътрешните напрежения и да се повиши пластичността на завареното съединение.При средновъглеродни конструкционни стомани (Ст 4, Ст 5, стомани 25, 35, 40, 25Г и други), повишеното съдържание на въглерод и относително високата скорост на охлаждане активизират склонността към образуване на пукнатини и на нископластични структури. Горещите пукнатини при заваряването на тези стомани се избягват като се употребяват електроди с нисковъглеродно съдържание или като се намали участието на основния метал в метала на шева. Това се постига чрез скосяване на краищата на заваряваното съединение или чрез заваряване с режими, осигуряващи минимално проваряване на основния метал (например с минимална стойност на заваръчния ток). Образуването на нископластични структури и на студени пукнатини се избягва, като се намали скоростта на охлаждане посредством предварително нагряване от 100-200°С. Освен това, за да се избегне образуването на студени пукнатини при ръчното заваряване, трябва да се използват добре изсушени базични електроди.Високовъглеродните конструкционни стомани не се използват за изработване на заварени конструкции, тъй като спадат към групата на труднозаваряемите материали. Тяхното заваряване се налага главно при ремонтни дейности. Необходимо е предварително нагряване на заваряваните части до 350-400 °С и задължителна термообработка след заваряване.

ЛЕГИРАНИ СТОМАНИЛегирани стомани са стомани, в състава на които са въведени легиращи елементи, отсъстващи във въглеродните стомани или Si и Mn в по-големи количества. Легиращите елементи взаимодействат с Fe и С и по този начин изменят механичните и физико-химичните свойства на метала. Легираните стомани се характеризират с високи механични свойства, наред с топлоустойчивост, корозионна устойчивост и повишена устойчивост срещу крехко разрушаване. Тези стомани се разделят на три групи: ниско-, средно- и високолегирани. В зависимост от микроструктурата, получавана при охлаждане на спокоен въздух на стандартни образци, нагрети над АC3, тези стомани се подразделят на четири структурни класа: перлитен, мартензитен, феритен, аустенитен.

НИСКОЛЕГИРАНИТЕ СТОМАНИ се отнасят към перлитния клас. Те са легирани с един или няколко елемента при съдържание на всеки от тях <2% и сумарно съдържание на легиращи елементи <5%. Тези стомани се делят на три групи:

1. Нисковъглеродни нисколегирани конструкционни стомани са стоманите с повишена якост и високояките стомани.

В нисковъглеродните нисколегирани конструкционни стомани с повишена якост (НЛ1, НЛ2, 10Г2СД, 14ХГС, 10ХСНД, 12ХГН, 09Г2ТД и др.), съдържанието на С не превишава 0,23%. Тези стомани се използват в машиностроенето и в строителството, като обикновено са горещо валцовани. Легиращите елементи (Mn, Si, Ni, Cr, Cu, Ti) се разтварят във ферита, уякчават го и издребняват перлита. По тази причина якостните характеристики на такива

17

стомани се повишават. Тези стоманите имат добра заваряемост, но са по-склонни към нарастване на зърната в околошевната зона (ЗТВ), а при високи скорости на охлаждане в нея може да се появят неравновесни структури със закалъчен характер.Нисковъглеродните нисколегирани високояки стомани (14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 16Г2АФ, 12ХГ2СМФ и др.) се отнасят към термично уякчаемите стомани, за които наред с високата якост са характерни достатъчна пластичност, жилавост, повишено съпротивление на крехко разрушаване, корозионна устойчивост и др. Уякчаване на тези стомани се достига като се съчетава минимално легиране с термообработка (закаляване и отвръщане). По този начин се създава много издребнена структура със ситнодисперсни уякчаващи частици от карбиди или нитриди. Заваряемостта на високояките стомани е по-лоша от тази на нисковъглеродните нисколегирани стомани, тъй като в околошевната зона на заваръчните съединения е възможно образуване на студени пукнатини или появяване на участък на разякчаване, намаляващ якостта на заваръчното съединение.Вследствие наличието на легиращи елементи, повишаващи устойчивостта на аустенита, тези стомани са чувствителни към скоростта на охлаждане. Намаляването на скоростта на охлаждане в околошевната зона, както и средствата за намаляване количествата на разтворения в метала на заваръчната вана водород, позволяват да се получи устойчив по отношение на студените пукнатини метал.Разякчаването в зоната на термично влияние е свързано с действието на нагряването по време на заваряване и се отнася за тези участъци от зоната, в които максималната температура достига границите 500°С-АC3 (участък на рекристализация и непълна прекристализация). Разякчаването е свързано с два процеса - разпад на преситения твърд разтвор и обедняването му на уякчаващи ЛЕ, образуване на карбидни фази и коагулацията им (окрупняване, сгъстяване). Степента на разякчаване зависи от химическия състав на стоманата и ТО й, като се увеличава с повишаване линейната енергия на заваряване.

2. Топлоустойчивите нисколегирани стомани (15М, 15ХМА, 20ХМА, 20ХМФЛ и др.) притежават повишена техническа якост при високи температури и продължителни постоянни натоварвания. Топлоустойчивостта им се оценява със стойността на границата на пълзене (напрежението, при което през определен период от време при зададена температура деформацията от пълзене получава предварително установена стойност) и границата на продължителна якост (минималното напрежение, предизвикващо разрушение на метала при зададена температура за определен отрязък от време). Тези стомани се прилагат за изготвяне на конструкции, работещи в условия на високи температури (350-450°С) и значителни напрежения, както и в среди, причиняващи химично и механично разрушение на метала (парни котли, нефтоапаратура и др.).

За повишаване топлоустойчивостта на тези стомани се въвеждат специални легиращи елементи (Mo, V, W), които повишават температурата на разякчаване на метала при нагряване и устойчивостта му към разякчаване. За едновременно повишаване на топлоустойчивостта и окалиноустойчивостта се въвежда Cr, създаващ защитна оксидна кора на повърхността на метала. Топлоустойчивите нисколегирани стомани се използват обикновено след термообработка (нормализация с отвръщане, закаляване с отвръщане и др.). За да се получи удовлетворителна заваряемост е нужно да се получи метал на шева, близък по състав с основния метал, за да се предотврати развитието на дифузионни процеси в условията на високи температури. По този начин се постига и необходимата равна якост на шева с основния метал.Топлоустойчивите нисколегирани стомани се характеризират с повишена чувствителност към закаляване. Затова в ЗТВ могат да се образуват метастабилни крехки структури от мартензит и студени пукнатини. За да се създадат в заварявания метал условия, при които околошевната зона да се охлажда със скорост, по-малка от допустимата, се прилага предварително подгряване на изделието. Обикновено температурата на подгряване на хром-молибденови топлоустойчиви стомани е в границите (200-300°С. След заваряване всички изделия от такива стомани се подлагат на термообработка (нормализация с отвръщане, а

18

понякога високо отвръщане за изравняване на структурата и снемане на заваръчните напрежения).

3. Средновъглеродните нисколегирани конструкционни стомани (25ХГСА, ЗОХГСА, 35ХМ и др.) се използват предимно в термообработено състояние. Такива стомани притежават високи механични свойства и якостни характеристики. Заваряемостта на средновъглеродните нисколегирани конструкционни стомани е значително по-лоша от останалите групи, което е свързано с повишена склонност на метала на шева и ЗТВ към образуване на пукнатини. Заваряемостта на тези стомани има много общи черти със заваряемостта на среднолегираните стомани от перлитен клас.

Основната трудност при заваряване на нисколегирани стомани е възможността за образуването на закалъчни структури в зоната на термично влияние и на студени пукнатини. Това може да се избегне чрез предварително нагряване на заваряваните части от 100-300°С. Точната температура на загряване зависи от химичния състав на стоманата и дебелината на заварявания материал. За да се намали скоростта на охлаждане на завареното съединение, се препоръчва изпълняването на многослойни шевове. Всеки следващ слой трябва да се изпълнява преди съединението да е изстинало под определена температура. При многослойното заваряване всеки следващ слой термообработва лежащия под него слой. Поради това многослойните шевове имат повишена пластичност и жилавост. След приключване на заваряването се провежда отгряване за отстраняване на напреженията или отвръщане при температура не по-ниска от 300°С. За заваряване на нисколегирани стомани се препоръчват базични електроди, които осигуряват най-висока пластичност на метала на шева.

ЗАВАРЯЕМОСТ НА СРЕДНОЛЕГИРАНИ СТОМАНИСреднолегирани са тези стомани, които са легирани с един или няколко елемента, като при това съдържанието на всеки от тях трябва да е от 2 до 5%, а сумарното съдържание на легиращи елементи (ЛЕ) - от 5 до 10%. За изготвяне на заваръчни конструкции се използват среднолегирани конструкционни стомани (30ХГСНА, 45Х и др.), съдържанието на С в които не превишава 0,5%, а така също и среднолегирани топлоустойчиви стомани (12Х5МА, 25Х3НМ и др.), в състава на които влиза до 0,25% С и задължително до 5% Cr. Среднолегираните стомани принадлежат към перлитния (предимно) или мартензитния клас.По правило при среднолегираните стомани се използва комплексно легиране, облекчаващо възможността за достигане на високи механични свойства. Легиращите елементи уякчават ферита и повишават прокаляемостта на стоманите, което позволява при съответната термообработка да се получат нужните свойства. Такива стомани често се подлагат на подобряване (закаляване с последващо високо отвръщане) или закаляване в съчетание с ниско отвръщане. Тогава якостта на опън на стоманата се повишава значително, но пластичните свойства остават достатъчно високи и се наблюдава повишена устойчивост на метала срещу преход към крехко състояние. Среднолегираните стомани се използват при изготвяне на конструкции, работещи при ударни и знакопроменливи натоварвания, при ниски или повишени температури и налягания, в агресивни среди т.н.Към заваръчните съединения от среднолегирани стомани се предявяват изисквания за необходима якост в условия на експлоатация и специални изисквания (напр. корозионна устойчивост). С повишаване на легирането се понижава заваряемостта. Основните причини за влошаването на заваряемостта на среднолегираните стомани са три:

1. възможност от възникване на студени пукнатини в околошевната зона (ЗТВ) поради повишеното съдържание на С, ЛЕ и под въздействието на O2;

2. понижена устойчивост на метала на шева към образуване на кристализационни пукнатини, обусловена от повишеното съдържание на С и ЛЕ и въздействието на S;

3. трудности на получаване на съединение с механични свойства, близки до свойствата на основния метал.

19

Студените надлъжни пукнатини са най-разпространеният дефект в ЗТВ при заваряване на среднолегирани стомани от перлитен и мартензитен клас. чувствителността към появяването на тези пукнатини е значително по-голяма отколкото при топлоустойчивите нисколегирани стомани и рязко нараства с повишаване на якостта на заваръчното съединение.Повишеното съдържание на С и ЛЕ в тези стомани увеличава устойчивостта на аустенита и измества мартензитното превръщане в област с понижени температури. Образуващият се едроиглест мартензит притежава висока твърдост, ниска пластичност и жилавост, появата му е придружена с високи напрежения от II род. В тези условия дифундиращият водород от ЗШ в закалената ЗТВ, задържайки се там, може да предизвика получаване на крехкост в метала от тази зона.

Опасността от възникване на студени пукнатини при заваряване на среднолегирани стомани стомани може съществено да се снижи със забавяне скоростта на охлаждане в мартензитния / температурен интервал и създаване на условия за развитие на самоотпуск на мартензита, в резултат на което се получава по-пластичен метал. В този случай няма условия и за задържане на водорода в околошевната зона. Нужно е обаче да се предприемат мерки за предотвратяване попадането на Н в зоната на заваряване - като се използват нисководородни заваръчни материали, като се зачистват краищата от ръжда, масла и др. Това се постига с високотемпературен режим на прокаляване на заваръчните материали (550-750 °С).Сериозен проблем за заваряемостта на среднолегирани стомани се явява понижаването на съпротивлението на шевовете срещу образуване на горещи пукнатини. Това е свързано с необходимостта от запазване на повишени концентрации на С и други ЛЕ за получаване на исканите свойства на МШ. Известно е например, че С, Si и P способстват за образуване на леснотопими междукристални прослойки, снижават съпротивлението срещу горещи пукнатини при съдържание на Mn > 4,5% и на Ni > 2,5%. В същото време добавките от Cr, Mo, W, V и Ti влияят много благоприятно. Затова при заваряване на среднолегирани стомани трябва внимателно да се избира състава на шева, осъществявайки заедно с това неговото рафиниране и модифициране. Едновременно се използват и технологични мерки, като се прилагат режими, осигуряващи висок коефициент на формата на провара, а така също се снижава и темпа на нарастване на деформациите (например с предварително подгряване).Получаването на равноякостни съединения от високояки среднолегирани стомани може да стане по два начина:

1. Получаване на ЗС, които не се подлагат на ТО след заваряване, може да се постигне по два варианта:

- образуване в ЗШ на перлитни структури с фин строеж с минимално отделяне на излишния ферит. Издребняването на структурата може да стане чрез модифициране на МШ или чрез увеличаване скоростта на кристализация (създаване на заваръчна вана с малък обем или многослойно заваряване).

- Получаване на МШ с аустенитна структура - прилага се за по-неотговорни конструкции, като за равна якост на ЗШ с ОМ се увеличава напречното му сечение.

И в двата случая може да се получи ЗТВ с необходимите свойства като се регулира термичния цикъл на заваряване.

2. Получаване на ЗС, които се подлагат на ТО след заваряване. Ако химическият състав на МШ е близък до този на ОМ, то е целесъобразно всички ЗС да се подложат на пълна ТО - закаляване с високо отвръщане. С това се получава съответствие на физико-механични свойства на съединението и основния метал.

често се прибягва към малко намаляване съдържанието на С и Si в ЗШ и замяната им с други ЛЕ, повишаващи устойчивостта на ЗШ срещу образуване на пукнатини.Понякога ТО се ограничава само с високо отвръщане - за получаване на по-равновесни структури и пълно снемане на заваръчните напрежения. Високото отвръщане не осигурява прекристализация на наварения метал и в ЗТВ. Затова по този начин не може да се отстрани едрозърнестата структура на околошевната зона. Достигнатото в резултат на високото отвръщане разякчаване на метала, придружено с повишаване на неговата пластичност и

20

ударна жилавост, позволява да се приложи известно повишаване на легирането на НМ, оказващо благоприятно влияние на неговите механични свойства.

ЗАВАРЯЕМОСТ НА ВИСОКОЛЕГИРАНИ СТОМАНИВисоколегирана е тази стомана, в която съдържанието на един от ЛЕ е не по-малко от 5%, а сумата от всички ЛЕ е над 10%.Като цяло високолегираните стомани се характеризират с: понижена топлопроводност, висок коефициент на топлинно разширение, високо омично съпротивление и повишено линейно свиване при втвърдяване (кристализация). Според предназначението си високолегираните стомани се делят на: инструментални, висококачествени, лагерни, магнитни, корозионноустойчиви, топлоустойчиви, нискомагнитни и нематитни, огнеустойчиви, с високо омично съпротивление и т.н. Според структурата си могат да бъдат мартензитни, феритни и аустенитни.

Стомани от мартензитен клас - това са корозионно- устойчиви неръждаеми (2Х13, 1Х17Н2, 1Х12Н2ВМФ и др.) и топлоустойчиви стомани (4Х10С2М и др.). Корозионноустойчиви са тези стомани, които притежават устойчивост на електрохимична корозия на атмосферни условия, в среда от влажна пара, в някои киселини и разтвори на основи. Топлоустойчиви (окалиноустойчиви) са стоманите, устойчиви на химическо разрушение на повърхността в газови среди при температура над 550°С, работещи в ненатоварено или слабонатоварено състояние.Корозионната устойчивост на мартензитните стомани се обяснява с наличието в състава им на Cr - на повърхността на метала се появява тънък филм от оксиди на Cr, способен да го защити от корозионно разрушение. за повишаване на топлоустойчивостта се добавят още Ni, Mo и W.Основният проблем на заваряемостта на мартензитния клас стомани е осигуряването на устойчивостта на МШ и ЗТВ срещу образуване на пукнатини. В този случай за МШ и ЗТВ е характерно наличието на окрупнени зърна нисковъглероден високохромов ферит и легиран мартензит. Легираният мартензит е по-пластичен от въглеродния и се нарича иглест ферит. Поради снижаване на ударната жилавост е възможна появата на студени пукнатини. За да се повиши устойчивостта на метала срещу образуване на студени пукнатини е целесъобразно да се легира МШ с неголямо количество Ti, позволяващо да се получи дребноозърнеста структура с нарушена стълбчата насоченост на кристалите.Освен това трябва да се снижава скоростта на охлаждане на метала, за което е целесъобразно предварително подгряване на изделието до температура над 250 °С.стремежът е да се получи МШ, аналогичен по химичен състав на този на ОМ или имащ аустенитна структура.Ако е необходима еднородност на свойствата на МШ и ОМ, използват се заваръчни материали, осигуряващи образуване на ЗШ, близък по състав и свойства с ОМ. При това след заваряване е задължителна и ТО на изделието. За получаване на оптимална структура на ОМ и МШ е целесъобразно веднага след заваряване да се охлади изделието на спокоен въздух до температура 150-200 °С, за да може в него да се запази минимално количество остатъчен аустенит. В този случай изделието се подлага на термообработка отгряване при 900 °С, а след това на бавно охлаждане до 600 °С и последващо охлаждане на спокоен въздух.При използване на заваръчни материали, осигуряващи получаване на НМ с аустенитна структура без оглед на съответствие на механичните свойства на ЗС и ОМ термообработка не се провежда.

Стомани от феритен клас - това са високохромови стомани, съдържащи над 17% Cr и до 0,15% С. Еднофазна Ф структура може да се получи и при други съотношения на Cr и C.Високохромовите феритни стомани (Х25Т, Х28 и др.) притежават комплекс от ценни свойства като висока корозионна устойчивост в различни агресивни среди, топлоустойчивост и киселинноустойчивост до 1000 - 1100 °С.

21

Доколкото феритните стомани са еднофазни те не се закаляват, тъй като не са подложени на структурни превръщания при нагряване и охлаждане. Влошаването на заваряемостта при тях е свързано с три причини - повишена склонност на зърната на метала към нарастване, неотстранимо с ТО; склонност на метала към окрехкостяване; възможност за междукристалитна корозия.

Склонност на метала към нарастване на зърната.Феритните стомани са много чувствителни към нагряване, при което феритните зърна значително се уедряват. Намалява се якостта, пластичността и киселинноустойчивостта на метала, а в студено състояние се проявява и крехкост. За да се предотврати нарастването на феритните зърна в ЗТВ и в МШ, трябва да се създава топлинен режим на заваряване, изключващ прегряване на метала. Това се постига с малка линейна енергия на заваряване и специални технологични похвати (заваряване на къси участъци, шевове с малки сечения, заваряване с прекъсвания и т.н.). За получаване на МШ с достатъчно издребнена структура е целесъобразно използването на заваръчни материали, съдържащи елементи-модификатори (Ti, Al и др.).

Склонност на метала към окрехкостяване (крехка чупливост).Продължителното нагряване на МШ и ЗТВ до високи температури може да доведе до значителна загуба на пластичността им. Това явление се нарича крехка чупливост. Известни са два основни вида крехка чупливост на метала при заваряване на стомани от феритния клас:• Топлинна крехка чупливост (475-градусова крехкост), появяващо се при нагряване на метала в температурния интервал 350 - 500 °С. За това способстват Cr, V, Si, Nb и в по-малка степен Ti и Al. • Намаляване пластичността на метала вследствие отделяне на вторични твърди и крехки хромови карбиди по границите на зърната, които не могат да противостоят на появяващите се в метала напрежения. За да се предотврати тази крехка чупливост се прилага нагряване на изделието преди заваряване (150-180 °С), усилващо също така устойчивостта на метала срещу поява на пукнатини, свързани с нарастването на зърната. Прилага се още намаляване съдържанието на С.

Междукристалитна корозия на метала.Под влияние на O2 от околната среда се създава голямо количество галванични двойки, образувани по триелектродната схема, в която зърното и карбидите представляват I и II електроди (катоди), а обеднелите на Cr участъци от зърната - III електрод (анод). Отделянето на хромови карбиди по границите на зърната създава напрегнато състояние, което повишава активността на въздействие на агресивната среда. В хромовите феритни стомани към междукристалитна корозия са склонни участъците от ОМ в непосредствена близост до ЗШ и нагряваните до най-високи температури зони при заваряване. Хромовите и железни карбиди се отделят тук по границите на зърната. Обеднелите на Cr периферни участъци от феритните зърна са подложени на корозия.За да се повиши устойчивостта към междукристалитна корозия трябва в метала да се въведат елементи (Ti, Nb), които да свързват С в здрави стабилни карбиди и да затрудняват образуването на хромови карбиди. Благоприятно влияе и намаляване съдържанието на С. Затова за заваръчни конструкции се използват нисковъглеродни феритни стомани, стабилизирани с Ti (0X17Т, Х25Т идр.).Феритните стомани се заваряват по два начина:• Използваните заваръчни материали да позволяват получаване на ЗС, отличаващо се след съответна ТО със структурна еднородност с ОМ и нужната якост. При този вариант е целесъобразно предварително подгряване на изделието до 150 - 180 °С и незабавна ТО след заваряване за повишаване пластичността на ЗС и устойчивостта му срещу студени пукнатини.

22

• Използваните заваръчни материали да осигуряват получаване на ЗС, за които е характерна структурна нееднородност (ЗШ - аустенит, ОМ - ферит) и неравна якост с ОМ, като се отчита възможната дифузия на С от ОМ към периферните участъци на ЗШ, при което следва снижаване якостта на метала в обезвъглеродените участъци и възможност за разрушението му. Подходящи заваръчни материали в случая са електроди и флюси от основен (базичен тип).

Стомани от аустенитен класОт аустенитните стомани приложение намират предимно хромникелови. Съчетавайки достатъчна якост с извънредно висока пластичност в голям диапазон от температури те притежават висока корозионна устойчивост в различни агресивни среди и топлоустойчивост. За разлика от хромовите стомани обаче, те притежават и огнеустойчивост, т.е. способност да работят в натоварено състояние при високи температури в продължение на определено време, съхранявайки якостта си в условия на пълзене на материала. Такова съчетание на ценни качества се осигурява чрез въвеждане в хромова неръждаема стомана на Ni, който неутрализира действието на Cr като феритообразуващ елемент и способства за получаване на устойчива еднородна структура аустенит. Освен Cr и Ni хромникеловите стомани съдържат още някои ЛЕ, подобряващи заваряемостта им и експлоатационните свойства. Такива елементи могат да бъдат Ti, Nb, Si, Mn, Al, Cu, Mo, W и др.Различават се две групи хромникелови аустенитни стомани:- стомани от типа 18-8 (Х18Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т и др.) - неръждаеми и

киселинноустойчиви, които запазват своите свойства до температури 700-750 °С;- стомани от типа 25-20 (Х25Н20С2, Х23Н18, Х23Н13 и др.) - окалиноустойчиви и

огнеустойчиви и могат да работят в агресивна газова среда при температура до 1100-1150 °С.

Хромникеловите аустенитни стомани не са подложени на фазови превръщания. Затова отпадат затрудненията, свързани с появата на структурни напрежения в ЗТВ и намалява опасността от възникване на студени пукнатини.Заваряемостта на аустенитните хромникелови стомани се влошава от следните фактори:

1) Ниска устойчивост на МШ срещу възникване на кристализационни пукнатини, която се обяснява с:• топлофизичните особености на аустенитния метал - понижената топлопроводност и повишеният коефициент на топлинно разширение повишават напреженията в МШ при кристализация;• транскристалитния строеж на МШ - свързано е с отсъствие на структурни превръщания, поради което независимо от броя на слоевете в ЗШ кристалите на всеки следващ слой се явяват продължение на тези от предходния; • наличие на леснотопими евтектики по границите на стълбчатите кристали облекчава появата на кристализационни пукнатини и влошава заваряемостта на стоманите.Образуването на пукнатини в аустенитните шевове може да стане и в твърдо състояние. Такива пукнатини се наричат подсолидусни. Появата на кристализационни и подсолидусни пукнатини в метала на аустенитен шев може да се избегне с помощта на следните мерки:

въвеждане на втора фаза при условия на отделянето й непосредствено в процеса на кристализация;

допълнително легиране с някои ЛЕ; издребняване на първичната структура по пътя на легиране с елементи-

модификатори; повишаване чистотата на метала от вредни примеси, способстващи за образуване на

леснотопими фази; технологични мерки.

23

За да се получи двуфазен строеж на метала е нужно в ЗШ да се увеличи съдържанието на елементи-феритизатори (Cr, Mo, Si, Ti, Nb, Zr, W, V, Al) и да се намали или ограничи съдържанието на елементи-аустенитизатори (C, Mn, N, Cu, Co).

2) Възможна загуба на корозионна устойчивост на заваръчните съединения. При заваряване на Cr-Ni стомани междукристалитна корозия може да се наблюдава в ОМ близо до ЗШ, в МШ и непосредствено по границата на сплавяване. Причините, предизвикващи корозия, за различните участъци на ЗС са различни. Продължително пребиваване на метала близо до ЗШ в температурния интервал 450-850 °С протича с отделяне от аустенита на комплексни железни и хромови карбиди, с което периферните участъци на зърната аустенит обедняват на Cr. Загубата на корозионна устойчивост на метала довежда до неговото разрушаване по границите на зърната в ЗТВ.Мерки за борба с междукристалитната корозия:• Закаляване на хомогенния твърд разтвор и получаване на еднороден аустенит. • Стабилизиращо или дифузионно отгряване (нагряване на метала при 850-900 °С в продължение на 2 - 3 часа с последващо охлаждане на въздух). В този случай хромовите карбиди се отделят най-пълно, но за сметка на дифузионните процеси съдържанието на Cr в обема на аустенитните зърна се изравнява• Топлинният режим на заваряване трябва да изключва прегряване на метала.

3) Усилване процесите на крехка чупливост на метала на ЗС по време на експлоатация - под действие на работните температури и напрежения в ЗС от Cr-Ni стомани могат да протекат процеси на сигматизация и 475-градусова крехкост. Сигматизация е появяването в структурата на МШ на крехка твърда немагнитна съставяща (σ-фаза). Появяването й в ЗШ довежда до рязко понижаване на ударната жилавост. Сигматизацията може да се предотврати чрез нагряване на МШ до температура 1000-1150°С, задържане и последващо бързо охлаждане, както и ограничаване на феритната съставяща. 475-градусова крехкост е свързана с продължително нагряване в температурния интервал 325-525°С, и особено при температура около 475 °С. В този случай се наблюдава значително изменение на механичните и физични свойства на метала: повишава се якостта, намаляват се пластичността и особено ударната жилавост, специфичното електрическо съпротивление и устойчивостта срещу корозия. Присъща е на Cr-Ni стомани с двуфазна аустенитно-феритна структура и на хромовите феритни стомани. Мерките за предотвратяване на 475-градусова крехкост включват намаляване съдържанието на ферит до 2-5%, снижаване легирането на метала с елементи- феритизатори, нагряване до температура 1000-1150 °С с последващо бързо охлаждане.

4) Възникване на пори в наварения метал поради наличие на водород в Cr-Ni стомани, обусловено от високата му разтворимост в аустенита и незначителната скорост на дифузия. Образуването на пори може да се избегне при:• Въвеждане в зоната на заваряване неголеми количества O2, които да свързват Н. За тази цел към безкислородните флюси и обмазки от основен тип се добавя TiO2 (ако ЗШ е аустенитно- феритен) или висши оксиди на Mn, Fe и др. (ако ЗШ е аустенитен);• Отстраняване на влага, масла и други замърсители в зоната на заваряване.

Избор на заваръчни материали и особености на технологията на заваряванеЗа изработване на заварени изделия се използват феритни високохромови и аустенитни хромникелови стомани. В зависимост от съдържанието на хром високохромовите стомани могат да имат феритна, феритно-мартензитна или мартензитна структура. При заваряването на тези стомани по границата на зърната се отделят хромови карбиди, които понижават корозионната устойчивост на стоманата. Това е нежелателно явление и може да се избегне, като се заварява с възможната най-малка линейна енергия. Освен това металът на шева се легира с елементи като титан и ниобий, които са по-силно карбидообразуващи в сравнение с

24

хрома и по този начин пречат на отделянето на хромови карбиди. След заваряване тези стомани се подлагат на отгряване при 900 °С. За заваряване се използуват феритни или аустенитни електроди и трябва да се прилагат същите технологични средства както при заваряването на въглеродните и нисколегираните стомани.Към аустенитните хром-никелови стомани спадат стоманите от типа Х18Н8 и Х25Н20. Те имат аустенитна структура и при загряване между 600-800 °С подобно на високохромовите стомани отделят хромови карбиди по границата на зърната, които съществено намаляват тяхната корознонна устойчивост и огнеупорност. При тяхното заваряване трябва да се избягва прегряването на основния метал, а металът на шева да се легира с карбидообразуващи елементи. След заваряване може да се приложи закаляване от 950 до 1050 °С.При стомани от типа Х25Н20 допълнителен проблем е образуването на горещи пукнатини в метала на шева. Това може да се предотврати, като се използуват специални легирани с манган, волфрам и ванадий телове с диаметър до 4 mm и електроди с базична обмазка. Заварява се с най-ниския възможен ток, дъгата е къса и се води без напречни колебателни движения.

МЕД И МЕДНИ СПЛАВИПри заваряването на медта и нейните сплави трябва да се имат предвид следните особености влияещи върху технологията на заваряване:

1. Медта има висока топлопроводимост (близо шест пъти по-висока от тази на стоманата), което затруднява местното нагряване до високи температури. Това изисква използването на по-концентрирани заваръчни източници и повишена линейна енергия, а също и прилагането на предварително и съпътстващо нагряване. Във връзка със склонността на медта към нарастване на кристалите при многослойното заваряване се препоръчва проковаването на всеки слой в температурен интервал от 550 до 880 °С.

2. При високи температури медта се окислява, което води до нейното замърсяване с труднотопими окиси. Медният окис е разтворим в течния метал и има ограничена разтворимост в твърдо състояние. Образува се лесно топима сплав Cu - Cu2O с температура на топене около 1050 °С, която се натрупва по границата на зърната, понижава пластичността на медта и може да доведе до образуването на горещи пукнатини. Поради ограничената по време възможност за металургична обработка на заваръчната вана е необходимо използването на дезоксидатори, като фосфор, манган, силиций. Дезоксидаторите обаче могат да доведат до понижаване на корозионната устойчивост и електропроводимостта на метала. За разрушаване на труднотопимите окиси на повърхността на заваръчната вана, се използват флюси на основата на боракса.

3. Някои примеси на медта могат да спомогнат за образуването на горещи пукнатини. Такива са бисмутът и оловото. По тази причина те трябва рязко да се намалят в добавъчните материали или да бъдат свързани в труднотопими съединения чрез вкарване в заваръчната вана на цезий и цирконий, които едновременно оказват и модифициращо действие.

4. При заваряване на алуминиев бронз се образува труднотопим алуминиев оксид, който замърсява заваръчната вана, затруднява сплавяването с основния метал и влошава свойствата на завареното съединение. За това се използват флюси, състоящи се от флуориди и хлориди на алкалните елементи.

5. При заваряването на месинг е възможно изпаряването на цинка при температура над 910 °С. Образувалият се цинков окис е силно отровен, поради което заваряването трябва да се извършва при добра вентилация. Изпаряването на цинка може да доведе до пористост на метала на шева. Това усложнение може да се преодолее чрез предварително нагряване на

25

метала до 200-300 °С и повишаване скоростта на заваряване, което намалява разливането на течния метал и изпаряването на цинка. Препоръчва се да се работи с постоянен ток, с права полярност.

6. В течно състояние медта поглъща големи количества водород, който не успява да напусне метала.

7. Повишената тънколивкост на медта и нейните сплави затруднява заваряването в различните положения. За формирането на корена на шева се използват стоманени или графитни подложки.

АЛУМИНИЙ И АЛУМИНИЕВИ СПЛАВИВ зависимост от съдържанието на примеси алуминият се подразделя на: технически (от 99,85 до 99,0% Al), с висока чистота (от 99,95 до 99,995% Al) и с особено висока чистота (не по-малко от 99,999% Al). Температурата на топене на алуминия с висока чистота (99,996%) е 660 °С, а на техническия алуминий (99,5%) - 658 °С. Алуминият е много активен към кислорода и на въздух се покрива с оксидна корица, която го защитава от по-нататъшно окисляване и взаимодействие с околната среда. Наличието на тази корица му осигурява сравнително висока корозионна устойчивост във влажна среда, в концентрирана азотна киселина и в много органични киселини. Алуминият се разтваря при нагряване в основи, в разредени азотна и сярна киселини.Приложението на чистия алуминий е ограничено. За заваръчни конструкции се използват различни полуфабрикати от алуминиеви сплави (листи, ленти, плочи, тръби, прокат на различни профили).За изготвяне на заваръчни конструкции са разработени различни сплави: АД, АД1, АМц, АМг, АМгЗ, АМг5В, АМгб, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, М40, Д20, ВАД1, АЦМ, В92Ц. Ниската плътност при сравнително висока якост, добрата обработваемост с режещи инструменти и високата корозионна устойчивост обуславят широкото им приложение в самолетостроенето и корабостроенето, в производството на химическа апаратура, в строителството и в други отрасли.

Способи за електродъгово заваряване на алуминия и сплавите муЗа изготвяне на заваръчни конструкции се използват всички известни способи за механизирано и ръчно електродъгово заваряване: механизирано заваряване под слой от флюс, ръчно електродъгово заваряване с обмазани метални електроди, заваряване в защитни газове - с нетопим и топим електрод, заваряване със свободногоряща и свита (плазмена) дъга. Изборът на способ за заваряване в много случаи зависи от дебелината на метала и типа на съединението. Препоръчва се челните съединения с дебелина до 3 мм да се заваряват с нетопим електрод в защитна газова среда от аргон. Еднопроходно двустранно заваряване с топим електрод в аргон се прилага при дебелини до 16 мм, в газова смес от аргон и хелий - до 25 мм и под флюс - до 28 мм. Максималната дебелина на листите, които се заваряват на един проход с еднофазна дъга с нетопим електрод е 8-10 мм, а с трифазна дъга – 20-30 мм.За таврови, ъглови и съединения с препокриване се предпочита използване на заваряване с топим електрод. Заваряването с нетопим електрод на такива съединения е рационално да се прилага при дебелини до 2..4 мм.Ръчното електродъгово заваряване с обмазани метални електроди е рационално да се прилага при единично производство. Ръчното електродъгово заваряване с нетопим електрод в защитна газова среда аргон (ВИГ-заваряване) е целесъобразно за изпълнение на неголям обем заваръчни работи при ремонт, поправка на дефекти, при изпълнение на къси шевове със сложна конфигурация, при необходимост от изпълнение на шевове в таванно и вертикално положение.Заваряваните краища на заготовките, трябва да са обработени по механичен способ. Преди заваряване повърхността на добавъчния материал трябва да се почисти и обезмасли с бензин,

26

спирт или органичен разтворител. За отстраняване на оксидната корица е необходима химическа обработка, например разтвор на сода каустик, промивка в гореща вода, разтвор на азотна киселина HNO3, както и сушене за отстраняване на влагата. Заготовките (детайлите) също се обезмасляват, а оксидната корица се отстранява по химически способ или абразивно в участъците по заваряваните краища. Добре е приспособленията за заваряване да имат сменяеми подложки от аустенитна стомана или мед, които също се почистват със спирт или ацетон. Параметрите на режима на заваряване се избират в зависимост от марката и дебелината на заварявания метал, от типа на заваръчното съединение. Защитният газ за продухване на магистралата се подава 10-15s преди запалването на дъгата. С цел предотвратяване попадането на волфрам в метала на шева заваръчната дъга се запалва на технологична планка от същия метал или графит с помощта на осцилатор. Дължината на излаза на електрода обикновено е 2-5мм при заваряване на челни съединения и до 8 мм при заваряване на ъглови и таврови съединения. Заваряването се извършва при минимална дължина на дъгата от 1 до 5 мм. Преместването на електрода и добавъчния материал трябва да бъде равномерно, като нагретият край на добавъчния материал не трябва да излиза извън границите на газовата защита. За намаляване на вътрешните напрежения и деформации в заваряваните възли и изделия от алуминиеви сплави се използват заваряване от средата към краищата, обратностепенчатия способ, "каскадно" заваряване, "с възвишения" и др. При многопроходно заваряване, при застъпване на шевове или техни участъци, при механизирано и ръчно електродъгово заваряване е нужно щателно зачистване на повърхностите от оксидната корица непосредствено преди изпълнение на следващите шевове.

При заваряването на алуминия и неговите сплави се срещат следните проблеми:

1. Наличието или възможното образуване на труднотопим Аl2О3 с температура на топене от 2050 до 2070 °С и по-висока плътност от алуминия силно затруднява заваряването. За отстраняване на този оксиден слой преди заваряване повърхността се почиства в дълбочина по химичен или механичен път. Образувалият се в процеса на заваряване оксиден слой се отстранява чрез използуването на флюси, които осигуряват неговото разтваряне или разрушаване. Флюсите са на основата на хлоридни и флуоридни съединения на алкалните елементи. При ВИГ-заваряване оксида се отстранява чрез катодно разпрашаване по време на фазата на обратна полярност на променлив ток.

2. При високи температури рязко се понижава якостта на алуминия, което може да доведе до разрушаване на твърдия метал от нестопената част на краищата под действието на масата на заваръчната вана. Размерите на заваръчната вана трудно се контролират, тъй като при нагряване алуминият практически не променя своя цвят.

3. Алуминият има голям коефициент на линейно разширение и малка еластичност, което повишава склоността към деформиране. Затова заваряваните детайли трябва да се закрепят стабилно с приспособления.

4. Течният алуминий разтваря големи количества водород, който трудно се отделя при бързото застиване на заваръчната вана. В резултат на това възниква пористост, която води до понижаване на якостта и пластичността на метала на шева. Пористостта може да се избегне ако се приложи предварително подгряване до 150-200 °С, особено при заваряване на материал с голяма дебелина. Това води до забавяне на кристализацията на метала и получените газове по-лесно излизат на повърхността на заваръчната вана. Най-голяма склонност към образуването на пори имат алуминий-магнезиевите сплави.

27

5. Металът на шева е склонен към образуване на пукнатини поради неговата едрокристална структура и големите напрежения, получени от голямото линейно свиване при кристализация - 1,7%.Алуминият и неговите сплави се заваряват добре с всички методи на електродъговото заваряване. Засега най-голямо приложение имат ръчното и механизираното заваряване в среда от инертни газове.

ТИТАН И ТИТАНИЕВИ СПЛАВИТрудностите при заваряването на титана са свързани с неговата висока химична активност спрямо газовете при нагряване. Например при температури над 350 °С титанът активно поглъща кислорода, в резултат на което се получават структури с висока якост и твърдост, но с понижена пластичност. При нагряване до температури над 550 °С титанът енергично разтваря азота, като образува твърди и нископластични нитриди.

Повърхностният слой на титана е наситен с кислород и азот и попадането на частици от този слой в шева води до крехкост на метала и образуване на студени пукнатини. Водородът даже и в малка концентрация влошава свойствата на титана, като спомага за образуване на студени пукнатини. Във връзка с това, допустимото съдържание на водород в метала на шева е до 0,001%.

Отрицателното влияние на насищането на нагретия и стопения метал с газове изисква добра защита при заваряване не само на стопения метал, но и на основния метал, нагрят над 350 °С. Обикновено това се постига с използването на флюси, специални наставки на газовите дюзи, а също при използуването на защитни възглавници на обратната страна на шева. Защитата на метала се смята за добра, ако след заваряване повърхността е блестяща. Наличието на различни оцветявания е доказателство за насищане на метала на шева с газове.

Основни начини за заваряване на титан са електродъгово заваряване в защитна среда от инертни газове, заваряване под слой от флюс, електрошлаковото заваряване и заваряване с електроден лъч.

28