ГЛАВА 7 ЗАВАРЯЕМОСТ НА МЕТАЛИТЕ Появата на обективна необходимост от определяне на понятието "заваряемост" и неговото развитие са свързани с втората половина на миналия век, когато заваряването се налага като основен и перспективен технологичен подход за изработване на отговорни метални конструкции и съставни заготовки. Заваряемостта се дефинира като комплексна характеристика, отразяваща пригодността на материалите при определени технологични условия и конструктивна надеждност на съединенията да образуват заварени изделия със съответно предназначение. Очевидно е, че заваряемостта не е свойство на материалите и по тази причина не може да се оценява еднозначно. От друга страна, тя не е постоянна величина и зависи от нивото и развитието на методите на заваряване и от предназначението и експлоатационните условия на заварените конструкции. На фиг.7.1. са представени основните показатели, от които зависи заваряемостта. Фиг.7.1. Принципна схема на показателите, влияещи върху заваряемостта. 7.1. Показатели за заваряемост Заваряемостта може да се разглежда в следните три направления: 1. По отношение пригодността на метала към заваряване, т.е. характеристиките, даващи представа за измененията на свойствата на материала в резултат на заваряването. Тогава се говори за "заваропригодност" на материала, "металургична заваряемост" и др. Основните фактори, които влияят върху заваропригодността са: - химичният състав; - металургичният начин на производство; - начините на изработване (отливане или на обработване чрез пластична деформация на металите, предназначени за   заваряване); - термичната обработка на метала преди процеса на заваряване. Следователно, металът се характеризира със заваропригодността, т.е. с пригодността при съответната технология на заваряване вследствие на физичните, химичните и металургични свойства да образува монолитно неразглобяемо съединение, което да отговаря на конкретни изисквания. В рамките на група материали най-заваропригоден е този материал, който поставя най-малко изисквания към технологията на изработване на определена конструкция. 2. По отношение технологичните възможности за заваряване на даден метал. Това са характеристиките, показващи влиянието на избрания метод или начин на заваряване върху свойствата на заварените съединения при избрана вече надеждност на заваряваната конструкция и определена пригодност на метала за заваряване. В този аспект в литературата и в заваръчната практика може да се срещне понятието "технологична заваряемост", или "заваровъзможност" и др. Основните фактори в този случай са: - методът на заваряване; - допълнителният материал; - използваната линейна енергия (т.е. параметрите на режима на заваряване); - последователност на нанасяне на шевовете (т.е. обшият технологичен план на заваряването); - термичният режим на заваряване - необходимостта от предварителна или съпътстваща термична обработка; - необходимост от следваща термична обработка на съединението или цялата заварена конструкция. Следователно, технологичният процес се характеризира със заваровъзможността си, т.е. с възможността при определена конфигурация на конструкцията и технологични условия да се изработят заварени съединения с необходимата геометрия, размери и качества. 3. По отношение на конструктивната надеждност на завареното съединение. Това са характеристиките, които показват влиянието на конструктивните особености при оформянето на завареното съединение за дадени експлоатационни условия при определена пригодност на метала за заваряване и за определени технологични възможности за изпълнението му. В този смисъл се използват и понятия като "заваросигурност", "конструктивна заваряемост" и други. Основните фактори, влияещи на заваряемостта в този случай са: - дебелината на заварявания материал; - формата на заваряваното съединение; - начинът и формата на подготовка на краищата; - разположението на шева по отношение на действуващите натоварвания при експлоатация; - степента на неподатлпвост, коравината на съединението в заваряваната конструкция. Следователно, конструктивното оформяне на заварените съединения и възли се характеризира със заваросигурността си и зависи от рационалното оформяне (заварорационално, заваросъобразно), осигуряващо при избрания вид метал и конфигурация на заварените съединения получаването на добра във функционално и сигурна в експлоатационно отношение конструкция. Задачата да се създават по-ефективни заварени конструкции може да бъде решена по пътя на избиране на по-заваропригодни материали и на технологични процеси с по-голяма заваровъзможност при същевременно по-заварорационално оформяне на проектираните съединения и възли на конструкцията. Тези три групи фактори потвърждават сложността на задачата за еднозначно определяне и оценяване на заваряемостта. Изборът на даден показател и критерий или стойности за него, се регламентира в зависимост от конкретния метал, технологичните условия на заваряване и конструктивното оформяне на съединението. 7.2. Оценяване на заваряемостта Заваряемостта се оценява чрез количествено или качествено определяне на показателите за заваряемост. По принцип най-често се сравняват измененията на характерни свойства или механични показатели на завареното съединение с тези на основния метал. Изпитването на заваряемост се налага по три основни причини, свързани с трите аспекта на заваряемост: - първоначално оценяване на заварявания материал, т.е. дали той е подходящ за дадената заварявана конструкция; - определяне на оптималните параметри на режима за дадена технология на заваряване; - оценяване надеждността на заварената конструкция. Подборът на показателите зависи от вида на заварявания материал, от технологията на заваряване и от предназначението на конструкцията. За някои конструкции има нормативни документи за цялостен контрол като корабните регистри, правилника за котлонадзора при изработване на съдове, работещи под налягане, правилниците за различни видове транспортни съоръжения, кранове и т.н. При тях изпитването на заваряемост е регламентирано в съответни нормативни документи. Тези правилници обаче не отразяват развитието на съвременните технологии на заваряване и внедряването на нови, високоефективни материали при изработване на заварени конструкции. За оценяване заваряемостта на металите се използват три основни групи методи за изпитване - аналитични, лабораторни и технологични. Аналитичните методи създава възможност за прогнозиране на очаквани стойности за даден показател най-често с помощта на параметрични уравнения, получени с методите на статистиката. Това от своя страна ги прави ограничени само за материалите и условията, от които са събрани експерименталните данни за извеждане на уравненията. Пример за аналитична методика е така нареченият "въглероден еквивалент", чрез който се оценява влиянието на легиращите елементи върху заваряемостта на различни видове стомани. При лабораторните методи се използват уреди или изпитателни машини, с които на стандартизирани образци от заварени съединения с имитиран термодеформационен заваръчен цикъл се определят количествени стойности за отделни показатели на заваряемостта. Те са пример за стандартизирано изпитване на механичните показатели на заварени съединения. Технологичните методи са пряко свързани с производството и за тях не необходимо лабораторно обзавеждане. Това са най-често проби, представляващи основни типови заварени съединения, при които се създават възможности за засилено проявяване на отделни фактори (повишена коравина, пластична деформация по време на заваряване, изпълняване на заваръчния процес при специфични условия и среди). Типичен пример за това са технологичните проби за оценяване на технологичната якост. 7.3. Технологична якост на заварените съединения Технологичната якост е показател, който отразява най-пълно поведението на заварявания материал и на завареното съединение като цяло. Технологичната якост на металите при заваряване се характеризира с възможността на метала на шева или на околошевната област да понесат без разрушаване еластично-пластичните деформации, съпътстващи заваръчния процес. В заварените съединения различаваме три основни типа пукнатини: - горещи (кристализационни и ликвационни); - студени (забавени пукнатини); - пукнатини при повторно нагряване. Горещите пукнатини представляват крехко междукристално разрушаване в процеса на кристализация на метала на шева или в процеса на прегряване на около шевната област. Горещите кристализационни пукнатини: - се получават при високи температури; - обикновено достигат повърхността на шева и имат окислени повърхности; - се образуват между първичните кристали на лятата структура; - повърхността на пукнатините има иглест вид. Студените пукнатини представляват крехко междукристално разрушаване, характерно за заварени съединения от стомани, склонни към образуване на закалъчни структури. Те са тясно свързани с рязкото изменение на напрегнатото състояние и на механичните свойства вследствие фазовите и структурни промени в областите от завареното съединение, претърпели мартензитно превръщане и изразяват технологичната якост при превръщане на аустенита. Фиг.7.2. Разположение на студените пукнатини. Във връзка с мястото на образуване и разпространение се говори и за: "коренови пукнатини" - (1), "надрезни пукнатини" - (2), "подшевови пукнатини" - (3) - фиг.7.2. Според ориентацията им спрямо шева пукнатините могат да бъдат напречни, надлъжни и коси. Тези пукнатини в заварените съединения се появява винаги при температури под 150 °С. 7.4. Технологични особености при заваряването на различни материали 7.4.1. Заваряване на въглеродни стомани 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. Последното 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 до 200 °С. Освен това, за да се избегне образуването на студени пукнатини при ръчното заваряване, трябва да се използуват добре изсушени базични електроди. Високовъглеродните конструкционни стомани не се използуват 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. 7.4.2. Заваряване на легирани стомани 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 до 300 °С. Точната температура на загряване зависи от химичния състав на стоманата и дебелината на заварявания материал. Освен това, за да се намали скоростта на охлаждане на завареното съединение, се препоръчва изпълняването на многослойни шевове. При това всеки следващ слой трябва да се изпълнява преди съединението да е изстинало под определена температура. Допълнително предимство на многослойното заваряване е това, че всеки следващ слой термообработва лежащия под него слой. Поради това многослойните шевове имат повишена пластичност и жилавост. След приключване на заваряването изделието се подлага на 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. За 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 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. 7.4.3. Заваряване на чугун При заваряване на чугун структурата и свойствата на метала на шева и зоната на термично влияние се изменят в такава степен, че е твърде трудно да се получат без дефектни заварени съединения с необходимите свойства. Във връзка с това чугунът се числи към групата на труднозаваряемите материали. Независимо от това заваряването на чугун е намерило широко разпространение като средство за поправяне на дефектни отливки, ремонт на чугунени изделия, а понякога даже и за изработване на заварени конструкции. Качествено изпълненото заварено съединение трябва да има механична якост, плътност и задоволителна обработваемост. Получаването на качествени заварени съединения се затруднява по следните причини: 1. Високите скорости на охлаждане на метала на шева и зоната на термично влияние, водят до избелване на чугуна, т.е. до възникването на участъци, в които се отделя цементит под една или друга форма в различни количества. Високата твърдост на избелените участъци практически прави невъзможно обработването на чугуна с металорежещи инструменти. 2. Поради местното неравномерно нагряване, в метала възникват заваръчни напрежения, които във връзка с нищожната пластичност на чугуна водят до образуването на пукнатини в шева и околошевната зона. Наличието на избелени участъци с по-голяма плътност в сравнение със сивия чугун създава допълнителни структурни напрежения, подпомагащи възникването на пукнатини. 3. Интензивното отделяне на газове, което продължава и през време на кристализацията, може да доведе до образуването на пори в метала на шева. 4. Повишената течноподвижност (тънколивкост) на течния чугун затруднява задържането на стопения метал от изтичане. 5. Присъствието на силиций, а понякога и на други елементи в метала на заваръчната вана спомага за образуването на повърхността на труднотопими окиси, водещи до образуването на непровари. Най-силно влияние върху структурата на метала на шева и околошевната зона при заваряване на чугун оказва химичният състав и скоростта на охлаждане. При много малка скорост на охлаждане в метала на шева и зоната на термично влияние се получава винаги сив чугун, структура ферит + графит независимо от състава на чугуна. При междинни скорости на охлаждане може да се получи сив или бял чугун перлит + цементит в зависимост от съдържанието на графитизаторите (силиций и въглерод). При по-голяма скорост на охлаждане се получава винаги избелване на чугуна независимо от химичния състав. Най-добрият начин за контролиране на скоростта на охлаждане при заваряване е прилагането на предварително и съпътстващо нагряване. В зависимост от температурата на предварителното нагряване се различават следните основни начини на заваряване на чугун: - горещо заваряване, с температура на нагряване 600-650 °С; - полугорещо заваряване, с температура на нагряване 300-400 °С; - студено заваряване - без предварително нагряване. Най-доброто средство за борба с образуването на избелени участъци в шева и зоната на термично влияние е загряването на изделието до температура 600-650 °С и бавното охлаждане след заваряване. Това загряване спомага също и за избягване на пукнатините и газовите пори. Технологичният процес на горещото заваряване включва следните елементи: подготовка на изделието за заваряване, предварително нагряване, заваряване и следващо охлаждане. Подготовката на заваряване зависи от вида на поправяния дефект. При всички случаи подготовката на дефектното място включва внимателно почистване от замърсявания и скосяване за образуване на пространство, което да осигури достъп и възможност за манипулиране с електрода. За да се избегне изтичането на течния метал на заваръчната вана мястото се формова. Формоването зависи от размерите и разположението на дефекта и се извършва най-чисто чрез графитни пластинки (фиг.7.3.). След това формата се изсушава при постепенно повишаване на температурата от 60 до 150 °С в пещи или временни нагревателни устройства. Фиг.7.3. Формоване на мястото за горещо заваряване: а - непреминаваща шупла; б - възстановяване на ръб на отливка; в - облицоване на формата с графитни пластини; 1 - детайл; 2 - форма; 3 - графитни пластини. Забавеното охлаждане след заваряване се получава чрез покриване на изделието с азбестови листове или чрез охлаждане заедно с пещта. Начините на нагряване и нагревателните устройства се избират в зависимост от характера на производството и големината на детайла или отливката. За заваряване се използват обмазани електроди с диаметър от 4 до 12 mm с чугунена сърцевина, която има повишено съдържание на въглерод, силиций и манган. В състава на обмазката влизат стабилизиращи и легиращи елементи. Големината на заваръчния ток е от 60 до 100 А на mm от диаметъра на електрода. Заваряването се извършва без прекъсване до окончателното поправяне на дефекта. Желателно е да се използува постоянен ток с права полярност. При полугорещото и студеното заваряване на чугун се използват металургични и технологични средства за въздействие върху метала за повишаване качеството на заварените съединения, като: - легиране на метала на шева с елементи-графитизатори, така че при съответната скорост на охлаждане шевът да има   структурата на сивия чугун; - легиране на метала на шева с елементи, водещи до образуването в шева на феритно-перлитна структура чрез свързване   на излишния въглерод в карбиди, които са по-устойчиви от цементита и се по-равномерно разпределени в метала; - внасяне в състава на заваръчните материали на съставки, съдържащи кислород, за максимално окисляване на въглерода   и получаване на метал на шева от нисковъглеродна стомана; - прилагане на заваръчни материали, осигуряващи получаването в наварения метал на различни сплави на цветните метали:   медно-никелови, медно-железни, железно-никелови и др. с висока пластичност и температура на топене, близка до   температурата на топене на чугуна. Най-голямо приложение намира студеното заваряване с тънко-обмазани нисковъглеродни електроди със стабилизираща обмазка. Диаметърът на електродите е до 4 mm и се използват малки стойности на тока (80-100 А). За да се избегне прегряването на околошевната зона, заваряването се извършва с прекъсване на къси участъци, като след всяко прекъсване се изчаква, докато температурата се понижи до 700-800 °С. Използват се токоизточници с постоянен ток и обратна полярност. Главният недостатък на този начин на заваряване е, че се получава една доста твърда и крехка зона между основния и наварения метал, която понижава якостта на завареното съединение и затруднява механичната му обработка. Този недостатък може да се отстрани само чрез продължително отгряване на съединението при висока температура. За да се повиши якостта на съединението, при студеното заваряване със стоманени електроди могат да се използуват стоманени шпилки. Те се навиват в мястото на заваряване, като се оставят над повърхността 3-4 mm (фиг.7.4.). Фиг.7.4. Студено наваряване на чугун със стоманени шпилки. В процеса на заваряване най-напред се стопяват главите на шпилките, след това се запълва пространството между тях по цялата повърхност на скосените краища и накрая се запълва цялата празнина с метал. За получаването на шевове с достатъчна висока пластичност в студено състояние се използват електроди, осигуряващи получаването в метала на шева на сплави на основата на медта и никела. Медта и никелът не образуват съединения с въглерода, но тяхното наличие в сплавта намалява разтворимостта на въглерода в желязото и спомага за графитизацията. Освен това пластичността на метала на шева спомага за частично намаляване на заваръчните напрежения и затова понижава опасността от образуването на пукнатини в зоната на термично влияние. За заваряване на чугун се използват медно-железни, медно-никелови и железно-никелови електроди. Заваряването с медно-железни електроди трябва да се провежда по такъв начин, че да не се допуска силно прегряване на заваряваните части: с по-малки стойности на тока, при което е възможно стабилно горене на дъгата, заваряване на къси участъци с прекъсване за охлаждане на заварения детайл. Медно-железните електроди са подходящи за заваряване на единични не проходящи дефекти или малки неплътности, създаващи течове върху отливки с отговорно предназначение. В практиката медно-никелови електроди се използват основно за заваряване на леярски дефекти, открити в процеса на механичната обработка на чугунени отливки върху работните повърхности, където повишаването на твърдостта е недопустима. Най-типично за тези електроди е, че никелът и медта не разтварят въглерода и не образуват структури с висока твърдост след нагряване и бързо охлаждане. Избелването на зоната на частично стопяване практически липсва, тъй като никелът и медта са елементи графитизатори, които при проникването си в този участък оказват положително влияние. Същевременно желязото и никелът имат неограничена разтворимост в твърдо състояние, което спомага за доброто сплавяване между шева и основния метал. Недостатък на тези сплави е тяхната висока стойност и дефицитност, а също обстоятелството, че голямото линейно свиване води до образуването на горещи пукнатини. Понякога се образува мрежа от горещи пукнатини, което силно понижава якостта на завареното съединение. Във връзка с това не се препоръчва използването на тези сплави за заваряване на пукнатини в изделия, които работят на големи натоварвания. Заваряването на малки шупли дава добри резултати, тъй като не затруднява следващата механична обработка. За заваряване на отделни малки дефекти върху обработвани повърхнини на отговорни отливки от сив чугун и високояки чугуни, появили се при механичната обработка на повърхността на изделията и при ремонт на чугунени отливки, се използват също желязно-никелови електроди, съдържащи от 40 до 60% никел и от 60 до 40% желязо. При заваряването с такива електроди се осигурява достатъчно висока якост и известна пластичност на метала на шева. Желязно-никеловите електроди имат определени предимства като висока якост и по-малко линейно свиване. 7.4.4. Особености при заваряване на мед и медни сплави При 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 замърсяване на медта 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 използуването 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 пукантини. 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 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 използуват стоманени или графитни подложки. 7.4.5. Особености на заваряването на алуминий и алуминиеви сплави 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, като за целта заваряването се извършва с 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. 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. 7.4.6. Заваряване на титан и титанови сплави Трудностите 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 използуването 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. 7.5. Дефекти на заваръчните шевове Всяко несъответствие на продукцията с изискванията, установени в нормативните документи, се нарича дефект. 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. 7.5.1. Дефекти при подготовката и монтажа При заваряването чрез стопяване най-характерни дефекти от този вид са: неправилен ъгъл на скосяване на краищата в съединенията с V-, U- и Х-образно скосяване; голям или много малък размер на нескосената част по дължината на челно допиращите се краища; неравномерна заваръчна междина; разминаване на краищата на челните повърхнини; замърсяване на краищата и др. 7.5.2. Външни заваръчни дефекти В заварените съединения най-често се появяват дефекти на формата и размерите на шева. Формата и размерите на шева обикновено зависят от дебелината на заварявания материал. Те се задават с техническите условия и се означават на чертежите. При челните съединения се задават широчина на шева b, височината на усилването h и дълбочината на провара h1 (фиг.7.5-а). За ъгловите, Т-образните съединения и съединенията чрез препокриване на краищата се задават катетът на шева k и височината на работното сечение h (фиг.7.5-б). Фиг.7.5. Конструктивни схеми на шевовете; а - челен; б - ъглов. Отклоненията 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 по дължината на шева или неспазването на предписания режим на заваряване и некачествената обмазка на електродите. Освен това, шевовете могат да имат неравномерна широчина по дължината на шева, неравномерна височина, хълмистост, натичания, седловини и др. Тези дефекти най-често се дължат на ниското качество на електродите или на неумението на заварчика да води правилно електрода или горелката. Всички тези дефекти могат да понижат съществено издръжливостта на съединението, особено при ударни или вибрационни натоварвания. Други характерни външни дефекти са: - Подрези, които са вдлъбнатини в основния метал, 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 при заваряване с   повишена стойност на тока, с много дълга дъга или с повишена мощност на газовата горелка. - 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 не ниска квалификация на заварчика или на   небрежно изпълнение. Те намаляват якостта и корозионната устойчивост и са източник на пукнатини. - Пробивите представляват прегаряне на метала вследствие на високата стойност на линейната енергия и на наличието на   голяма заваръчна междина или на малка нескосена част. 7.5.3. Вътрешни заваръчни дефекти Основни видове вътрешни заваръчни дефекти са: - Непровари, които представляват местна неплътност или незапълване (незаваряване) между шева и основния метал.   Образуват се в корена, по сечението и по стените на шева вследствие на замърсяване на краищата (ръжда, масло,   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 може 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. В зависимост от размерите си биват макро- и микро-   пукнатини. - Пористостта се получава при пренасищането на течната заваръчна вана с газове. Дължи се на лошо почистване на   заваръчните краища от окалина и ръжда, заваряване с дълга дъга, влага в обмазката, в заваръчния флюс (при   подфлюсово заваряване) или в защитния газ (при заваряване в защитна газова среда). - Шлакови включвания. Обикновено се дължат на лошо почистване на заваръчните краища от окалина или ръжда, а също от   лошо почистване на шлаковата кора при многослойно заваряване. При газо-кислородното заваряване се получават   шлакови включвания, когато се работи с окисляващ пламък. 7.6. Контрол на дефектите Основните видове контрол са: външен оглед, контрол без разрушаване, контрол чрез разрушаване. Чрез външен оглед се проверяват качеството на подготовката и монтажа на заготовките за заваряване; качеството на изпълнение на шевовете в процеса на заваряване и качеството на готовите заваръчни шевове. Обикновено чрез външен оглед се контролират всички заварени изделия независимо от това, дали ще се прилагат други видове контрол. При постъпването на заготовките за монтаж се проверява чистотата на повърхността на метала в мястото на заваряване, габаритните размери на заготовките, качеството на подготовка на краищата, ъглите на скосяване. Дефектите в заготовките оказват голямо влияние върху качеството и производителността на заваръчните работи. Така например, увеличаването на ъгъла на скосяване води до увеличаване на количеството на вложения (наварения) метал и съответно до намаляване на производителността и излишно изразходване на електроди и електрическа енергия. В монтирания възел се контролират: заваръчната междина, степента на разминаване на краищата при челните съединения, относителното разположение на детайлите в монтирания възел, правилното разположение на прихващащите шевове. Наблюдаването на заваръчния процес има за цел своевременно да предотврати появата на дефекти. Визуално се контролира режимът на заваряване, газовата защита, правилното полагане на слоевете в многослойните шевове. Контролът на готовите заваръчни шевове се осъществява преди всичко с външен оглед с невъоръжено око или под лупа. Проверява се за наличието на пукнатини, подрези, натичания, непровари в корена и др. Посочените дефекти са недопустими и подлежат на изсичане и повторно заваряване. Също така се измерват размерите на шева, които трябва да съответстват на посочените в чертежа. Не се допуска намаляване на действителните размери в сравнение със зададените (номиналните) размери. Най-често, размерите на шева се определят с контролни шаблони. Методите за контрол без разрушаване се разделят на контрол на плътността, радиационен, акустичен, капилярен, магнитен, оптичен, радиовълнов, топлинен, електрически контрол и електромагнитен контрол с вихрови токове. На контрол на плътността се подлагат резервоарите за гориво, масло и вода; тръбопроводите, парните котли и др. Съществуват няколко метода за контрол на плътността на заваръчните шевове: - Хидравлично изпитване. При този метод завареният съд се напълва с вода и чрез помпа или хидравлична преса се   създава свръх налягане При изпитване обикновено налягането е с 1,5 до 2 пъти по-високо от работното налягане.   Изпитваният съд се задържа под налягане в продължение на 5-10 минути, през което време се проверява за течове, капки   или изпотяване - индикатори за неплътност. Вместо вода може да се използва авиационно масло или дизелово гориво. - Пневматично изпитване. При пневматичното изпитване в изпитвания съд се подават сгъстен газ (въздух, азот или инертен   газ). Съдовете с по-малък обем се потопяват във вана с вода, където дефектните места се откриват по излизащите през   плътностите в шевовете газови мехурчета. По-големите заварени резервоари и тръбопроводите се изпитват чрез нанасяне   на заваръчните шевове с пенлив индикатор, с помощта на който в местата на неплътностите се образуват мехурчета. - Изпитване с керосин. Този метод за изпитване се основава на явлението капилярност, което се състои в способността на   голям брой течности, включително и керосина, да се издигат в капилярни тръбички с малко напречно сечение. Такива   тръбички при заваряване са например проходящите пори или пукнатини в метала на шева. За изпитването едната страна   на шева се покрива с воден разтвор на тебешир и като изсъхне, другата страна се намокря с керосин. След известно   време, което зависи от дебелината на заварения материал, при наличието на неплътности, по покритата с тебешир страна   се появяват ръждиво-жълти до кафяви петна. При радиационните методи на контрол се използват рентгенови лъчи или гама-лъчи. Те проникват през оптично-непрозрачни тела, действуват върху фотографските филми подобно на светлинните лъчи. Под тяхното действие някои вещества, като например цинковият сулфид, светят (луминисцират). При рентгенографския контрол източникът на излъчване (рентгеновата тръба) се поставя на известно разстояние от шева, така че лъчите да бъдат насочени перпендикулярно на неговата ос. На противоположната страна се поставя касета, в която се намира рентгенов филм. При пролъчването (просветяването) филмът се намира под действието на лъчите в продължение на определено време, наречено експозиция. След това филмът се изважда на тъмно от касетата, проявява се и се фиксира, за да се получи устойчиво фотографско изображение. В участъка на шева на отделни места изображението е с неравномерна степен на потъмняване. 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 (фиг.7.6.). Фиг.7.6. Принцип на рентгенографския контрол. С рентгенографския контрол могат да се откриват повечето от вътрешните дефекти: непровари, пори, включвания, макро-пукнатини (фиг.7.7.). Фиг.7.7. Схематично изображение на дефекти в заварено съединение, получени при рентгенографски контрол: 1 - пори; 2 - непровар; 3 - пукнатина. Друг контрол, който се осъществява на заварени съединения е контролът с гама-лъчи. Получаването на гама-лъчи е свързано със свойствата на някои елементи (уран, радий, торий) самоволно да се разпадат, като изпускат различни видове лъчи, включително и гама-лъчи. Това явление се нарича радиоактивност. Основен недостатък на използуването на естествени радиоактивни вещества е, че те са много скъпи. Затова за нуждите на контрола се използуват по-евтините изкуствени радиоактивни вещества, например кобалт-60, тулий-170, иридий-192 и други изотопи. Поради вредното действие на радиоактивните вещества върху организма на човека изотопите се съхраняват в специални контейнери. Техниката на пролъчване на заварени съединения с гама-лъчи е подобна на техниката на пролъчването с рентгенови лъчи. В сравнение с рентгенографския контрол, контролът с гама-лъчи има следните предимства: радиоактивният изотоп може да се поставя в такива места на заварената конструкция, в които не може да се помести обемистата рентгенова апаратура; с гама-лъчи може едновременно да се контролират няколко детайла или кръгов шев; контейнерът с радиоактивната ампула е удобен за работа в полеви условия, тъй като лесно може да се транспортира; разходите за контрол с гама-лъчи са по-малки. Основният недостатък на този метод е по-малката чувствителност към откриването на дефекти при дебелина на шевовете под 50 mm. При дефектоскопия на заварени съединения се използва и ултразвуков контрол. Методът на ултразвуковия контрол се основава на свойствата на ултразвуковите вълни да се отразяват от границата, разделяща две среди с различни акустични свойства. С ултразвук могат да се открият пукнатини, шупли, разслоявания в листовете, непровари, шлакови включвания, пори. Ултразвукът представлява трептения в материална среда с честота над 20 kHz, т.е. над горната граница на слуховото възприятие. Съществуват няколко начина за получаване на ултразвукови трептения. Най-разпространен е начинът, основаващ се на пиезоелектрическия ефект на някои кристали - кварц, сегнетова сол и др. Той се състои в това, че ако противоположните страни на пластинка, изрязана от кристала (например кварцов кристал), се заредят с разноименни електрически заряди, пластинката се деформира. Ако се изменят знаците на електрическите заряди с честота над 20 kHz (20 хиляди пъти в секунда), пластинката започва да трепти със същата честота, като получените ултразвукови трептения се предават в околната среда във вид на ултразвук. На пиезоелектрическия ефект се основава работата на ултразвуковите дефектоскопи - уреди за откриване на дефекти в изделията, включително и заварените изделия, които регистрират разпространението на ултразвуковите трептения в контролирания материал (фиг.7.8.). Фиг.7.8. Схема на ултразвуков контрол; 1- контролиран обект; 2 - приемник; 3 - дефект; 4 - пиезоелектрическа пластина; 5 - приемник. Акустичното поле, генерирано от пиезо-електрическата пластина 4, се разпространява в материала на контролирания обект 1. При наличието на дефект 3 акустичното поле изменя своята структура. Повърхността на дефекта отразява ултразвуковите трептения, а зад дефекта се получава т.нар. "сянка". Чрез приемника 5 се регистрират отслабените акустични вълни, а с приемника 2 - появилите се отражения, от които може да се съди за наличието, вида и характера на дефектите. Ултразвуковият контрол може да се автоматизира, той е напълно безвреден за изпълнителите. Основният му недостатък е невъзможността да се идентифицират точно и да се документират характерът и видът на дефектите. При заварените съединения може да се изпълнява и контрол с пенетранти. При този метод повърхностните дефекти се запълват под действието на капилярните сили със специални свето или цветоконтрастни вещества във вид на течности или суспензии. Тези вещества се наричат пенетранти (проникващи вещества). Излишъкът от пенетрати, останал извън дефекта след покриването на контролираното изделие, се отстранява с почистващи състави. След това с други вещества, наречени проявители, пенетрантът, намиращ се в дефектите, се извлича на повърхността на изделието под действието на дифузионни или сорбционни сили. След което 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. Контролът с пенетранти е един от перспективните методи за контрол. Друга група методи за контрол на заварени съединения е контролът чрез разрушаване. Извършва се чрез разрушаване на заварени съединения или пробни образци (образци-свидетели), които са заварени при същите условия, материали и технология. Чрез тях се определят механичните качества и структурата на метала на завареното съединение, а оттам се съди за качеството, якостта и надеждността при работа на заварената конструкция. Характерът и видът на механичните изпитвания зависи от характера и вида на натоварването на завареното съединение при експлоатация. Изпитванията биват статични (с постоянно или бавно нарастващо натоварване), динамични (с ударно натоварване) и вибрационни (с променящо се по големина и знак натоварване). Към статичните изпитвания могат да се отнесат: изпитването на опън на различни участъци от завареното съединение (най-често метала на шева), изпитването на опън на завареното съединение и изпитването на огъване на завареното съединение. Към динамичните изпитвания спадат изпитването на жилавостта на удар и изпитванията на умора. Изпитването на умора определя способността на метала да се съпротивлява на променливи натоварвания при огъване, опън - натиск или усукване. Променливото натоварване се характеризира с амплитудата на изменение на напреженията и в зависимост от това съществуват симетричен, асиметричен и пулсиращ (знакопостоянен, знакопроменлив) цикъл. Изпитванията се провеждат върху цилиндрични или плоски образци със специална форма и размери, изрязани напречно на заваръчния шев. При изпитването се определят границата на умора, т.е. най-голямото напрежение, което може да понесе образецът при определен брой цикли. За заварените съединения обикновено този брой е 2.106. « « « предходна страница             следваща страница » » »