ГЛАВА 6 ЗАВАРЯВАНЕ НА МЕТАЛИТЕ В техниката се използват различни видове разглобяеми и неразглобяеми съединения. Неразглобяемите съединения се разделят на монолитни (плътни) и немонолитни. Монолитни са съединенията, получени чрез заваряване, спояване и лепене, а немонолитните - съединенията, получени чрез нитоване. Измежду многобройните различни определения на понятието заваряване, които могат да се намерят, най-подходящо е определението, основаващо се на идеята за континума (непрекъснатостта на строежа). Съгласно това определение, заваряването е технологична операция за получаване на неразглобяемо съединение на частите чрез нагряване, налягане или съвместното прилагане на двете въздействия, при което се получава "континум", т.е. непрекъснатост на строежа на образувалото се съединение. За изразяване на непрекъснатостта на строежа може да се използва и понятието "монолитност" (едносъставност). На микроскопично ниво монолитността означава отсъствие на външни, чужди материали между съединените части след приключването на операцията. По това съединяването чрез заваряване се отличава от съединяването чрез нитоване, от пресовото съединение или дори от лепенето. Заваряването е технологичен процес на образуване на неразглобяемо монолитно съединение между материали (две части), при което в резултат на протичането на определени физикохимични процеси се осъществява химично взаимодействие (обмяна на валентни електрони) на съединяваните части. Постига се чрез внасяне и необратимо преобразуване на енергия (топлинна, механична или и топлинна и механична) в мястото на съединяването. За осъществяване на заваряването са необходими източник на енергия и в повечето случаи допълнителен материал. Заварена конструкция е метална конструкция, чиито детайли и възли са съединени чрез заваряване. Различават се следните видове заварени конструкции: - пълностенна (греди, колони, рами), прътова (арматурни пръти, ферми); - листова (цилиндрични, сферични и др. съдове под налягане, резервоари, тръбопроводи); - машина (барабани, колела и др. детайли на машини). В сравнение с металните конструкции, чиито детайли са съединени с друг вид връзка, заварените конструкции са по-прости, по-леки, по-технологични и по-икономични на метал, труд, време. Недостатък е наличието на остатъчни заваръчни напрежения: те създават опасност от влошаване на механичните качества, от повишаване на крехкостта на метала около местата на заваряване от поява на пукнатини, които се разрастват при последващи динамични и вибрационни експлоатационни въздействия. За да се извърши заваряването е необходимо повърхнините на съединяваните части да заемат разстояние, съизмеримо с параметрите на кристалната решетка и да се създадат условия за междуатомно или между молекулно взаимодействие, а именно: определена температура, време за допиране и качество на повърхнините. Според начина за подаване на енергия топлинните източници на енергия биват външни и вътрешни. Външните източници на топлинна енергия са електрическата дъга, газов пламък, плазмена струя, термична реакция, електронен лъч, тлеещ разряд, електростопилка (електрошлакова вана), нагрят газ, нагрят инструмент, нагряване в пещ, ядрена енергия и др. Вътрешните източници на топлинна енергия се осъществяват чрез електрически контакт, електрична индукция и електрически капацитет. Механичната енергия за заваряване се получава чрез пресов контакт, пресово-механичен контакт, вибриращ контакт и ударен контакт. 6.1 Класификация на методите за заваряване Понастоящем съществуват голям брой (повече от 200) методи и разновидности на заваряването. Те могат да бъдат класифицирани по различни признаци, например, според подадената енергия, според вида на инструмента - носител на енергията, според степента на механизация на процеса и т.н. В зависимост от вида на подадената енергия (топлинна или механична) методите на заваряване се разделят на две основни групи: заваряване чрез стопяване и заваряване чрез налягане, при които се използва топлинна или механична енергия. Основната задача на инженерите - конструктори и технолози е да осигурят проектирането на заварени конструкции в съответствие с особеностите на заваръчния процес и чрез използване на съответни мерки и средства и да гарантират изготвянето им съгласно изискванията на принципа за равноякост, т.е. създаването на заварорационални конструкции. Заваряване чрез стопяване Заваряването чрез стопяване (в течно състояние) е най-разпространеният и универсален метод за получаване на неразглобяеми съединения. Чрез него могат да се съединяват практически всички използвани за изработване на конструкции метали и сплави с произволна дебелина. При този метод, в мястото на заваряване металът се довежда до течно състояние чрез концентриран източник на топлина. Стопяват се само краищата на заваряваните части. Заваряването може да се извърши при стопяване на метала на съединяваните части, т.нар. основен метал, или при стопяване на основния метал и допълнителен метал, добавян във вид на тел, пръчка, лента или под друга форма. В практиката се използва предимно вторият вариант. Стопеният основен или основен и допълнителен метал образува заваръчна вана. При отдалечаване на източника на топлина металът на заваръчната вана се охлажда и кристализира. На практика източникът на топлина се движи надлъжно по дължината на заваряваните краища с определена скорост, което дава възможност да се заваряват обекти с неограничена дължина. Кристализацията на заваръчната вана започва от частично стопените зърна на основния метал, което води до образуването на общи кристалити. Кристализиралият метал образува заваръчен шев, който съединява в едно монолитно цяло преди това разделените части. Металът на заваръчния шев се различава от основния метал. Той има лята структура. Химичният му състав също може да се промени поради въвеждане на добавъчен метал във ваната, а също поради взаимодействието с околната среда в течно състояние. Затова свойствата на заваръчния шев се различават от свойствата на изходния метал. Обемите от основния метал, които се намират непосредствено до шева, се нагряват без да се стопяват. Под действието на тези температури в метала настъпват изменения на структурата и свойствата. Зоната от основния метал, в която са настъпили такива изменения, се нарича зона на термично влияние (ЗТВ). Заваряване в твърдо състояние При заваряването чрез налягане частите се съединяват посредством съвместна пластична деформация на допиращите се повърхнини. За тази цел се прилагат външни сили. За да се улесни пластичната деформация, материалът в зоната на съединяване обикновено се нагрява до температури, по-ниски от точката на топене. В процеса на деформация се извършва изравняване на грапавините, което води до увеличаване на допирните точки и изтичане на материала, по съединяваните повърхнини. Изтичането на материала води до разрушаване на окисните слоеве и частичното им отделяне извън зоната на контакта. В резултат се получава плътен контакт между заваряваните части. 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. 6.2. Общи сведения за методите на заваряване 6.2.1. Източници на термична енергия Характерно за разглежданата група методи е използването източници на концентрирана топлина, действуващи в ограничена област. Те предизвикат необходимото нагряване за образуване на завареното съединение и отговарят на определени технологични изисквания на заваръчния процес: - енергийният източник трябва да действа в точно определена област от обема или повърхността на изделието; - мощността на източника трябва да бъде достатъчно голяма, за да може при нагряване на определения обем метал до   необходимата температура да компенсира загубите от отвеждане на топлина в съседните (студени) участъци от метала и в   околната среда; - специфичната мощност на енергийният източник (мощността на единица обем или единица площ) трябва да превишава   определена стойност, зависеща от свойствата на материала или формата и размерите на заваряваното изделие. Точното дозиране на топлинната енергия при заваряване е много важно. От една страна трябва да се търси максимална мощност за увеличаване на производителността, а от друга страна не трябва да се допуска прегряване на метала или протичане на металургични процеси във ваната, водещи до нежелателни последствия. Прилагат се следните основни видове енергийни източници на концентрирана топлина: а) струи от горещи газове - най-често газо-кислороден пламък. Топлообменът с повърхността на нагряваното тяло се     осъществява главно по конвекционен път; б) електродъгов разряд между електрод (топим или нетопим) и заваряваното изделие. Енергията се предава чрез пряко     въздействие на електрони или йони, както и чрез конвекция и радиация. Осъществява се и при обмен на енергия със     стълба на дъгата или с образувалата се плазмена струя. Топлината може да се пренесе чрез капките стопен електроден     метал; в) потоци от заредени частици, ускорени в електрично поле; г) радиационни или лъчеви потоци; д) електрически ток, преминаващ през контактната повърхност на две тела. От опит е установено, че за повечето от енергийните източници плътността на топлинния поток е максимална в центъра на петното на нагряване като намалява по посока на неговите граници. 6.2.2. Основни понятия за елементите на заварени съединения Зоната в мястото на заваряване, наречена "заваръчна зона", се разделя на области с особени свойства. Те са показани на фиг.6.1. заедно с геометричните елементи, характеризиращи образуваното заварено съединение: В -ширина на шева, Н - провар, d-Н - непровар, а - междина, В/Н - коефициент на формата на шева, h - усилване на шева. Фиг.6.1. Геометрични елементи на заваръчния шев. Основното изискване за получаване на висококачествено заварено съединение с определени свойства е осигуряването на "пълен провар". При челните съединения например, това може да се контролира до известна степен чрез междината (с увеличаването на междината се увеличава проварът). От технологични съображения обаче, размерът на междината е ограничен за всеки метод. При по-голяма дебелина d може да се прави подходяща подготовка на краищата - скосяване, което позволява удобно за дадената технология запълване на междината с допълнителен материал. 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. Участъкът от основния метал, който в процеса на заваряване се подлага на нагряване до температура, при която в него се извършват изменения на структурата, се нарича зона на термично влияние (ЗТВ). Загряването и следващото охлаждане на една точка от ЗТВ се извършва по характерен за заваряването термичен цикъл. Максималната температура, при която се загрява точката, зависи от нейното положение. Най-висока е температурата по границата на стопяване, при отдалечаването на която максималната температура на нагряване се понижава. Структурата на ЗТВ се определя от максималната температура на нагряване, химичния състав на основния метал, неговите топлофизични свойства и параметрите на режима на заваряването. Да разгледаме структурата на ЗТВ при заваряване на обикновена въглеродна стомана, съдържаща 0,2% въглерод и при еднопроходно заваряване на челно съединение. Над сечението на съединението на фиг.6.2 е показано разпределението на максималните температури. 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 - рекристализация и 6 - стареене. Фиг.6.2. Структура на зоната на термично влияние по дължина от мястото на заваряването. Участъкът на непълно стопяване представлява преход от метала на шева към основния метал. Това е тясна ивица от основния метал, която при заваряване се е намирала в твърдо - течно състояние. Този участък се различава по химичен състав както от метала на шева, така и от основния метал. Свойствата на този участък понякога оказват решаващо влияние върху работоспособността на заварената конструкция. Участъкът на прегряване се определя от температура на окончателното втвърдяване. Поради силно прегряване в този участък се получава значително уедряване на зърната. В участъка на прегряване металът има по-ниски механични свойства - по-малка пластичност и по-малка жилавост на удара. При заваряване на легирани стомани в този участък могат да се образуват студени пукнатини. В участъка на нормализация структурата е дребнозърнеста, тъй като се извършва прекристализиране на метала. Поради това механичните му свойства са по-високи от студения основен метал. В участъка на непълна прекристализация се извършва прекристализация само на част от структурата на метала. Участък на рекристализация е характерен за температурен интервал от 723 до 500 °С. Участък на стареене. Структурата на метала в околошевната зона, която се загрява под 500 °С, обикновено не се отличава от структурата на студения основен метал. Въпреки това механичните свойства на метала в тази област се изменят до известна степен. Така например в областите, загрети от 150 до 450 °С якостта на опън и границата на провлачане се повишават, а относителното удължение и жилавостта на удар се понижават, което понякога може да доведе до възникването на пукнатини в този участък. Тези изменения на механичните свойства се дължат на явлението стареене, което се изразява в отделянето на карбидни или нитридни частици. Видове заварени съединения Основните видове заварени (фиг.6.3) съединения, които се осъществяват с методите, използващи термична енергия са: челни, Т-образни, ъглови и с припокриване. Фиг.6.3. Видове заварени съединения: 1- челно заварено съединение; а - еднослойно; б - многослойно; 2 - заварено съединение с припокриване; 3, 4 - ъглови заварени съединения; 5 - съставно заварено съединение. Челните съединения се използват най-често. Те се предпочитат от гледна точка на равномерното разпределение на напреженията и затова се прилагат при изработване на тръбопроводи, корпуси на кораби, мостови елементи, ферми и други отговорни заварени конструкции. Т - образните съединения също са много разпространени и демонстрират преимуществата на заваряването при изработване на конструкции. Типичен пример за тези съединения са основните елементи в стоманените конструкции - носещите греди. Ъгловите съединения могат да се изпълняват с челни или с ъглови шевове. Те се използват при изработване на съдове, тръбни връзки с фланци и други. Съединенията с припокриване са прости за изпълнение, не изискват допълнителна подготовка, но не се предпочитат заради неравномерното разпределение на работните напрежения. 6.2.3. Подготовка на съединението за заваряване Подготовката на краищата на заваряваните части има голямо значение за изпълнението на дадена технология, за производителността на процеса и за крайните качества на съединението и конструкцията. Подготовката зависи на първо място от метода на заваряване и от дебелината на заваряваните елементи. Изборът на дадено скосяване се определя от възможността за минимално напречно съединение на шева. Общ принцип е скосяването да осигурява минимален брой слоеве и минимални деформации на заваряваното изделие. При избора се отчитат и икономически съображения, стига те да не се отразяват върху крайното качество на съединението. Например ъгловите съединения най-често не изискват предварително скосяване на краищата и са по-икономични, но от гледна точка на разпределението на остатъчните напрежения челните съединения винаги са за предпочитане пред ъгловите. Формата на подготовка на заваряваните краища е стандартизирана и се определя от избрания метод / начин на заваряване и от вида и дебелината на материала. 6.2.4. Основи на електродъговото заваряване Използването на електрическата дъга като източник на термична енергия за заваряване е свързано с имената на руските инженери Бенардос и Славянов, поставили основите на електродъговото заваряване преди повече от 120 години. Постепенно областите на приложение и възможностите на метода са се разширили поради стремежа за подобряване качеството на заваряваното изделие и за повишаване ефективността и производителността на процеса. Технология на електродъговото заваряване Електродъговото заваряване може да бъде класифицирано според: - вида на електрода (нетопим или топим електрод); - вида на заваръчния ток (постоянен или променлив); - действието на дъгата (пряка или косвена дъга). Основно средство на електродъговото заваряване (източника на топлинна енергия) е заваръчната дъга. Заваръчната дъга представлява устойчив електрически разряд, при който електрическата енергия се превръща в топлина, ограничена в определен обем. Заваръчната дъга се състои от катодна област, анодна област, стълб и ореол (фиг.6.4.). Фиг.6.4. Области на заваръчната дъга. Напрежението на дъгата може да се определи чрез емпиричната зависимост  Uд = a + b Lд ,  където: а е падът на напрежението в анодната и катодна област. При заваряването на стомана а ~ 10; b -коефициент, изразяващ средния пад на напрежението на 1 mm от дължината на дъгата. За въздух b = 2-2,5 V/mm. Заваръчната дъга може да има различна форма и свойства, в зависимост от дължината си, атмосферата, в която гори, налягането на газа и т.н. Обикновено се използва дъга с пряко действие, т.е. заваряваното изделие се присъединява към един от полюсите, а електродът (топим или нетопим) - към другия полюс. При използване на постоянен ток и присъединяване на електрода към "минуса", а на изделието към "полюса", имаме "права полярност". В обратния случай - "обратна полярност". Използването на права и обратна полярност се определя от свойствата на анодното и катодното петно. Катодната област е наситена с електрони, които се отделят в стълба на дъгата. Температурата е близка до температурата на изпарение на метала. Анодната област обикновено е с по-големи размери и с по-висока температура. Температурата е неравномерно разпределена както по дължината, така и по сечението на дъгата. Тя е максимална в стълба и достига до 8000 °С. В процеса на заваряване параметрите на заваръчната дъга се изменят в широки граници. Изменят се токът и напрежението. Напрежението зависи от дължината на дъгата и се изменя от 12 до 100 волта. При масовите методи на електродъгово заваряване на практика не се работи с напрежения, по-високи от 30-40 волта. Характеристиката на дъгата (т.е. зависимостта I-U) ни дава представа за тези изменения (фиг.6.5). Фиг.6.5. Характеристики на дъгата на заваряване. Двете работни области на характеристиките показват особеностите на източниците при различните плътности на тока (при различни методи на електродъгово заваряване). За да се получи стабилно горене на дъгата, т.е. постоянни параметри на режима, осигуряващо постоянство в свойствата на заваръчният шев е необходимо дъгата да е I или II участък. Дъга с твърда характеристика (участък I, при която напрежението практически не зависи от тока) се наблюдава при ръчното електродъгово заваряване, механизираното подфлюсово заваряване и заваряването с волфрамов електрод с инертен газ. Дъга с възходяща характеристика (II-участък) се използва при заваряване в защитна газова среда и при подфлюсово заваряване с повишени стойности на тока. Токоизточници За захранване на дъгата се използват източници за променлив (заваръчни трансформатори) или постоянен ток (заваръчни преобразователи и заваръчни изправители). Заваръчният токоизправител се състои от трансформатор, от блок с изправители и често от електрически дросел за регулиране на пренасянето на електродния метал в заваръчната дъга. Според начина на електродъгово заваряване бива с падаща и с твърда (или леко възходяща) волтамперна характеристика. Заваръчният трансформатор е еднофазен понижаващ трансформатор, на който първичната и вторичната намотка са разделени на двете ядра на магнитопровода, за са се получи голямо разсейване на магнитни поток. Магнитната връзка между намотките на трансформатора може да се измени плавно чрез преместването на специален магнитен шунт, поставен между ядрата. Така индуктивните съпротивления на разсейване на трансформатора имат стръмно падаща външна характеристика. Източниците за променлив ток са по-разпространени. Заваръчните трансформатори са по прости за експлоатация, по-дълготрайни и с по-висок коефициент на полезно действие в сравнение със заваръчните преобразуватели. Източниците за постоянен ток се предпочитат когато трябва да се повиши устойчивостта на горене. По този начин се подобряват условията на заваряване в различни пространствени положения. Източниците за захранване на заваръчната дъга трябва да удовлетворяват следните изисквания: 1. Напрежението на празен ход (напрежението на изходните клеми на токоизточника при отворена заваръчна верига), трябва     да бъде достатъчно за запалване на дъгата, но да не превишава стойността, безопасна за заварчика 80 V. 2. Мощността на токоизточника трябва да бъде достатъчна за захранване на дъгата с необходимия по стойност заваръчен     ток. 3. Източникът за захранване на дъгата трябва да има устройство за плавно регулиране на тока в необходимите за     заваряване граници. 4. Източникът за захранване на дъгата трябва да има малка маса, размери и ниска цена и да бъде удобен за експлоатация. Източникът се избира в зависимост от волт-амперната характеристика на дъгата, съответстваща на приетия метод на заваряване. За захранване на дъга с твърда характеристика се използва източник със стръмно падаща външна характеристика (фиг.6.6.). Режимът на горене на дъгата се определя от точката на пресичане на характеристиките на дъгата и източника. Фиг.6.6. Графично представяне на определянето на големината на заваръчния ток от характеристиката на дъгата и характеристиката на токоизточника. Металургични процеси при заваряване Характерните особености на електродъговия процес - малкият обем на реагиращите вещества, кратковременното престояване на метала в течно състояние и разнообразието на окръжаващата среда определят и особеностите на металургичните процеси при заваряване, които често се наричат "микрометалургични". Основният и допълнителният метал се стопяват от заваръчната дъга. Стопяването има ограничен, локален характер и е съпроводено със значително прегряване над температурата на топене. След това металът се охлажда със сравнително високи скорости. Това именно определя и характерната, неравновесност на процесите при електродъгово заваряване. Стопените продукти в заваръчната зона (метал и шлака) имат достатъчна повърхнина на контакт с окръжаващата ги газова среда. В условията на посочените високи температури металът интензивно взаимодейства с шлаката и газовете. Газовата среда се състои от кислород и азот от въздуха, от използваните като защита активни газове и от газовете - продукти на разпадането на съответните материали на обмазките и флюсите (карбонати, органични съединения, влага и т.н.). Шлаковата среда от своя страна съдържа главно оксиди. Тя влиза в директна връзка с метала, окислява го и става източник на неметални включвания в шева. Това явление може да бъде отслабено или напълно предотвратено чрез осигуряване на защита на дъгата от попадане в нея на кислород и азот от въздуха, както и чрез дезоксидиране и рафиниране на метала от неметални включвания (окиси, сулфиди, фосфиди и силикати). Технология на ръчното електродъгово заваряване Ръчното електродъгово заваряване е пряко приложение на предложения от Славянов метален електрод - фиг.6.7. Фиг.6.7. Схема на ръчното електродъгово заваряване. Този електрод не само довежда дъгата до мястото на заваряване но и доставя допълнителния метал за образуване на заваръчния шев. Характерно за ръчното електродъгово заваряване е, че и двете движения - оформянето на заваръчния шев по неговата дължина и подаването на електрода за подържане на постоянна дъга се извършва рьчно. 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 - фиг.6.8. Фиг.6.8. Последователност при установяване режима на заваряване. Съществуването и стабилността на дъгата зависят от наличието на достатъчно йонизирани елементи в дъговата междина. 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. Електроди за ръчно електродъгово заваряване Електродите за ръчно електродъгово заваряване представляват метални пръчки със стандартизирани размери. Съвременните електроди са познати от 1908 г., когато шведският инженер Оскар Килберг прилага идеята да се обмаже пръчката със смес от подходящи материали. На фиг.6.9. е показан общият вид на електрода с неговите основни размери. Дължината L е стандартизирана - от 250 mm за най-малките диаметри до 350 и 450 mm за диаметрите от 3, 4, 5 и 6 mm. Фиг.6.9. Електрод за ръчно електродъгово заваряване. Обмазката на електрода има следните функции: - Стабилизира горенето на дъгата; - Създава защитни газове около дъгата; - Течната шлака по повърхостта защитава стопения метал от въздействието на околната среда; - Дезоксидираща функция - редуцират се разтворените в стопения метал оксиди; - Легираща функция - изменя се химичния състав на металната вана. Голямото разнообразие от материали, които могат да се заваряват ръчно електродъгово правят понякога труден избора на най-подходящ електрод. Основните фактори при това са: - вида на заварявания материал; - предназначението на заваряваното изделие; - механичните показатели на метала на шева, които трябва да се постигнат; - металургичният тип на обмазката; - технологичните свойства на електродите; - изискванията за производителност. Първото условие за правилен избор е сходството на електродния материал с този на основния метал. Поради трудностите за осигуряване на технологичната якост на шева обаче много рядко се използва пълно сходство между химическия състав на шева и на основния метал. Обикновено изискванията към метала на шева са да има еднакви якостни показатели с тези на основния метал. Предназначението на заваряваната конструкция и нейните особености при експлоатация са второто основно съображение при избора на електрод. Когато заваряваната конструкция не подлежи на някакъв регламентиран контрол, изборът се прави по якостни показатели. Механичните свойства на заваряваното съединение са най-същественият и определящ фактор при избора на електрода. В повечето случаи се търси еднаквост в механичните свойства на завареното съединение и на основния метал, независимо от химическия състав. Затова и във всички стандарти електродите се класифицират по якостни показатели, като задължително се регламентират минималната якост на опън, относителното удължение на метала, якостта на удар при различни температури. Типът на обмазката е не по-малко важен фактор при избора на електрода. При отговорни изделия с високи изисквания за жилавост на метала на шева се подбира винаги електрод с базична обмазка, а целулозният тип обмазки са специално предназначени за електроди за заваряване на тръбопроводи в монтажни условия. С типа на обмазката са пряко свързани и технологичните свойства на електродите. Например, възможностите за заваряване в различни пространствени положения зависят от характера на шлаката. Правилният избор на електрод се прави след комплексна оценка на всички изисквания, както по отношение технологията на заваряване, така и по отношение качествата на метала на шева. Изборът на подходящ диаметър на електрода зависи от заваряваната дебелина или от вида на скосяването. В справочниците се дават подробни данни за това, но ориентировъчно може да се приемат данните от таблица 6.1. Таблица 6.1. Данни за избор на диаметър на електрода в зависимост от дебелината на заваряваните елементи. При по-големи дебелини винаги се прави скосяване. Първият, "коренов" шев се нанася с по-малък диаметър на електрода - 2 или 3 mm, а следващите слоеве се нанасят с електроди с диаметър 4 и 5 mm. Използването на електроди с по-голям диаметър се прилага рядко в практиката поради нежеланото прегряване, което предизвикват. Изборът на режим за електродъгово заваряване обхваща определяне главно на стойността на тока при предварително уточнен електрод по тип и диаметър. Стойността на тока се избира в зависимост от дебелината на електрода по следната емпирична формула:               I = m dел,     където: I е стойността на тока в ампери; m - експериментално установен коефициент, който се приема стойност m = 30 при диаметри на електрода под 3 mm и m = 40-50 при диаметри над 4 mm. Тази формула е условна, защото в нея токът е приет за линейна функция на диаметъра на електрода и ориентировъчно може да се приемат данните от таблица 6.2.: Таблица 6.2. Данни за големината на заваръчния ток в зависимост от дебелината на електрода. Дълбочината на проваряване на основния метал при челно заваряване се изменя в границите от 1,5 до 4 mm. Затова при ръчно електродъгово заваряване шевът се образува от 60 до 75% за сметка на стопения електроден метал. Ширината на челните шевове и катетът на ъгловия шев зависят от диаметъра на електрода и от големината на напречните колебателни движения на върха на електрода. Заваръчно обзавеждане е съвкупност от машини, апарати и приспособления за заваряване и за механизиране на заваръчните операции. Бива основно и спомагателно. Основното заваръчно обзавеждане служи за осъществяване и механизиране на основните заваръчни операции - преместване на заваръчната дъга или пламък в направление на съединяваните краища на заваряваните детайли и подаване на допълнителния метал в заваръчната зона. Обхваща заваръчни автомати и заваръчни полуавтомати. Спомагателното заваръчно обзавеждане служи за осъществяване и механизиране на спомагателните операции при заваряването. Обхваща механизми и приспособления за закрепване и завъртане на заваряваните изделия - манипулатори, позиционери, ротатори, обръщатели, ролкови стендове, приспособления за закрепване и преместване на заваръчната апаратура и заварчика (колони, площадки), приспособления за оформяне на заваръчния шев (флюсови, сменяеми и постоянни технологични подложки), приспособления за монтиране на заваряваните изделия (фиксатори, притискачи, кондукторни приспособления), флюсови апарати за подавани и отвеждане на флюса от мястото на заваряване, специални металорежещи машини и приспособления за подготовка на краищата на заваряваните детайли за заваряване, работни маси, инструменти за почистване на готовия заваръчен шев и други. Технология на механизираното полфлюсово заваряване Механизираното подфлюсово заваряване започва да се развива в средата на миналия век. При този начин на електродъгово заваряване дъгата, възбудена между заваряваното изделие и необмазана електродна тел 1 (фиг.6.10), се намира под слой от флюс 3, който се подава в зона на заваряване пред дъгата. Така дъгата е защитена чрез от образувалия се газов мехур 4, течната шлака 6 и насипвания флюс. Това дава основание този електродъгов метод да се класифицира като "метод с покрита дъга". Осигуряването на непрекъснато подаване на електродния тел и придвижване по продължение на образуващия се шев дава основание този метод да се нарича още като "механизирано заваряване под слой от флюс". Фиг.6.10. Схема на механизираното подфлюсово заваряване. Особености на заваряването под слой от флюс Характерните особености на подфлюсовото заваряване се проявяват най-добре при сравняването му с ръчното електродъгово заваряване: - 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 не само поради добрата защита, но и поради поддържаните постоянни   стойности на параметрите на режима и забавеното охлаждане на метала; - намалените загуби на топлина повишават коефициента на полезно действие 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. Те достигат за диаметри на тела 4-5 mm до 40- 60 A/mm², а за диаметри 1,6-2 mm до   150- 200 A/mm². При ръчното електродъгово заваряване се използва плътност на тока 10-20 A/mm²; - покритата дъга не само осигурява чист метал, но и ограничава пръскането; - основна характерна особеност на подфлюсовото заваряване е, че може да се използва единствено при заваряване в   долно положение; - голямата плътност на тока и концентрацията на топлина, увеличава чувствително провара; - коефициентът на наваряване достига до 14-18 g/А.h, докато при ръчното електродъгово той е 8-12 g/А.h; - експлоатационните преимущества се увеличават от това, че качеството на шева по-малко зависи от субективния фактор. 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. Механизираното подфлюсово заваряване изисква съответни допълнителни съоръжения и спомагателно заваръчно обзавеждане като манипулатори и други. Електродната тел за механизирано подфлюсово заваряване се регламентира в съответните стандарти в зависимост от заваряваните материали. Най-често е нисковъглеродна стомана, която се доставя навита на ролка с определен размер и маса. Флюсът има значение за окончателните свойства и качеството на метала на шева. Неговите основни задачи са да защити метала на шева от въздуха. Флюсът спомага за осигуряване на: - необходимите механични свойства на метала на шева и съответен химически състав; - гарантиране на достатъчна устойчивост на дъгата; - леко отделяне на кристализиралата шлакова кора от повърхността на шева и правилно формиране на метала на шева; Технология на заваряване с нетопим електрод в среда от инертен газ (ВИГ) При заваряването с нетопим електрод в защитна среда от неутрален газ дъгата се възбужда между електрода и изделието. 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). Високата цена на инертните газове от друга страна насочва към приложението на този метод за заваряване на цветни метали или високолегирани стомани. При ъглови съединения или ако се налага запълване на скосена част, може да се използва и допълнителен метал, подаван в заваръчната зона ръчно или механизирано. На фиг.6.11. е показано положението на горелката при заваряване с и без допълнителен материал. Заваряването може да се извършва във всички пространствени положения. Качеството на шева зависи до голяма степен от надеждността на защитата. Фиг.6.11. Схеми на заваряване с нетопим електрод в среда от инертен газ. С постоянен ток и права полярност се заваряват всички метали и сплави 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. 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 обратна полярност устойчивостта на дъгата е влошена и нараства напрежението й. Нагряването на електрода е по-голямо. При този начин на свързване обаче, се проявява важното за технологията очистващо действие на дъгата. Същността на това явление се състои в бомбардирането на основния метал от тежките положителни йони на аргона. В резултат се получава механично въздействие върху образувалите се труднотопими окиси по повърхността на заваръчната вана (познато като "катодно очистващо действие на дъгата"). Това прави този начин на захранване на дъгата удобен за заваряване на алуминий и магнезий. Поради силното износване на електрода обаче на практика обратната полярност се прилага само при заваряване на малки дебелини със стойности на тока до 60-80 А. При използването на променлив ток до голяма степен се съчетават предимствата на двата начина на свързване при постоянен ток. Това е и основният начин на заваряване на алуминия, магнезия и техните сплави. Топлината се разпределя равномерно между електрода и изделието, краят на електрода е умерено закръглен. Възбуждането на дъгата при ВИГ-заваряване става без късо съединение. В управлението на уредбите е предвидено още в началото на процеса да се осигури газова защита. Подават се високочестотни токови импулси с високо напрежение, които възбуждат дъгата. Тя се премества ръчно или механизирано с равномерна скорост, необходима за формирането на правилен шев. Технология на заваряване с топим електрод в среда от инертен газ (МИГ) Този начин на заваряване е характерен с голяма плътност на тока и благоприятни условия, създавани от инертната среда за пренасяне на течния метал през дъговата междина. 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. Независимо от многото си предимства, методът има и някои недостатъци: - необходима е сравнително сложна апаратура; - аргонът е скъп защитен газ; - заваряваните части изискват грижлива подготовка и в повечето от случаите се налага използването на спомагателно   обзавеждане - различни видове приспособления. Технология на заваряване с топим електрод в среда от активен газ (МАГ) Заваряването в защитна среда от активен газ се изпълнява със същото оборудване, както и заваряването в инертен газ. Въпросите за техниката на заваряване не се отличават от тези при метода МИГ. Използването на въглероден двуокис като защитен газ има особености, които се отразяват на технологията на заваряване. Защитният газ има окислителен характер, което налага вземането на металургични мерки (контролиране състава на допълнителния метал). Повърхностното напрежение на капката се повишава, което се отразява върху характера на пренасяне на метала през дъговата междина. Окислителното действие е особено силно поради това, че кислородът се отделя в атомно състояние. Следователно, във високотемпературната област на дъгата и повърхностните слоеве на заваръчната вана протичат окислителни процеси. По тази причина се налага в заваръчната зона да се осигури достатъчно количество дезоксидиращи елементи. Дезоксидирането става главно за сметка на мангана и силиция, които се вкарват чрез допълнителния метал. Електро-съпротивително заваряване Заваряваните части в мястото на контакта се загряват от топлината, която се получава при преминаването на електрическия ток, съгласно закона на Джаул (уравнението долу), след което се притискат силно една към друга.               Q = I² R t,  J,     където: Q  е  количество топлина в J; I - големина на заваръчния ток в А; R - съпротивление на заваръчната верига между токоподаващите части в W; t - времето, през което протича тока в s. Този вид заваряване се характеризира със следните особености: - висока стойност на тока и ниско напрежение; - бързо загряване зоната на съединяването; - много кратко време на заваряване (стотни до десети от секундата); - висока производителност; - възможност за механизиране на отделните процеси. Най-широко приложение в практиката са намерили методите на челното и точковото електро-съпротивително заваряване. При челното електро-съпротивително заваряване съединяването на детайлите се извършва по техните челни повърхнини. На фиг.6.12. е представена схема на челно електро-съпротивително заваряване. Фиг.6.12. Схема на челно електро-съпротивително заваряване. Челното електро-съпротивително заваряване се осъществява: - без стопяване - при метали, които имат добра заваряемост в пластично състояние (нисковъглеродни стомани) и при   изделия с проста форма; - с прекъснато стопяване; - с непрекъснато стопяване. Непрекъснатото стопяване има следните предимства: - заваряват се метали с лоша заваряемост в пластично състояние; - няма нужда от много точна обработка по челните повърхнини; - може да се заваряват детайли с по-сложни сечения; - възможност за заваряване на разнородни метали. Точковото електро-съпротивително заваряване (фиг.6.13.) се характеризира с това, че при протичането на електричен ток материалът, който се намира между електродите, се загрява силно, а средата на контактната повърхност се стопява. Фиг.6.13. Схема на точково електро-съпротивително заваряване: 1 - подвижен електрод; 2 - токов контур; 3 - детайли; 4 - упражнявано усилие; 5 - контактна повърхност; 6 - електрод. Прилагат се два режима на заваряване: - мек режим, характеризиращ се с по-голяма продължителност на заваряването, плавно загряване, по-ниска мощност. Този   режим се прилага за заваряване на въглеродни конструкционни стомани, на нисколегирани и закалени стомани; - твърд режим, характеризиращ се с повишена производителност, увеличено усилие на притискане и концентрирано   загряване. Прилага се за присъединяване на детайли от неръждаема стомана, алуминий и други сплави. « « « предходна страница             следваща страница » » »