Сварка сталей больших толщин

Обновлено: 17.05.2024

Для сварки толстого металла в основном используются два метода – электрошлаковый и электродуговой. Оба этих метода позволяют получить качественный шов и не требуют дорогостоящих дополнительных материалов.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) позволяет сваривать металлические детали толщиной до 60 см. Принцип ЭШС состоит в том, что в зазор между торцами двух свариваемых металлических деталей помещают шлаковую массу. Эта масса расплавляется электрической дугой, создаваемой между электродом и металлическими деталями. После расплавления шлака дуга гаснет, а через шлаковую массу протекает ток, который при правильно подобранных параметрах сварки равномерно нагревает сварочную ванну до высоких температур.

В шлаковую массу добавляется присадочный материал, который плавится вместе со шлаком и краями соединяемых деталей. Поскольку расплавленный металл тяжелее шлака, то он опускается вниз зазора и там застывает. Расплавленная масса же поднимается вверх. В результате этого процесса происходит сварка вертикального зазора.

Для того чтобы расплав не вытекал за пределы зазора, сбоку с двух сторон ставятся специальные пластины – ползуны. Они охлаждаются водой и постепенно перемещаются вверх.

Схема электрошлаковой сварки

Существует три метода осуществления ЭШС:

В расплав непрерывно подается присадочный электрод, который расположен в горизонтальной плоскости.
Используются пластинчатые электроды, которые заменяют собой ползуны. Благодаря перекрытию зазора, создается эффективный расплав, что позволяет соединить зазоры деталей без добавления присадки.
Объединение первых двух методов. При этом используются пластинчатый и плавящийся электроды.

Преимущества и недостатки ЭШС

Основные достоинства ЭШС:

защита шва от воздействия атмосферы жидким шлаком;
малая чувствительность процесса к изменению величины тока и даже его кратковременному прерыванию;
сварка толстого металла за один проход;
возможность сваривать необработанные торцы деталей;
малый расход электроэнергии и дешевизна шлаков;
высокий КПД.

Оборудование

Для выполнения операций ЭШС используются автоматы или полуавтоматы. Второй тип оборудования используется редко, так как вручную перемещать тяжелое оборудование по вертикали для человека довольно трудно.

Автоматы для ЭШС обычно включают:

автоматически двигающийся сварочный аппарат с медными ползунами;
источник питания;
устройства подачи флюса и проволоки;
систему управления.

В зависимости от конструкции автоматы для ЭШС могут быть подвесные или самоходные (рельсового или безрельсового типа).

Электродуговая сварка

Электродуговая сварка (ЭДГС) представляет собой вид неразъемного соединения деталей, получаемого путем плавления металла электрической дугой, возникающей при подаче на электрод и металл напряжения от источника тока. При воздействии на соединяемые детали такой дуги образуется сварочная ванна из расплавленного металла, после остывания и застывания которой формируется шов, соединяющий детали.

При сварке изделий большой толщины (более 20 мм) с помощью ЭДГС невозможно проварить всю толщину изделия. Поэтому в этом случае используется многослойное наложение швов. Перед тем как начать сварку толстого металла, требуется подготовить его торцы. Чаще всего кромки торцов стачиваются под некоторым углом. Между деталями оставляют зазор.

При выполнении первого корневого (соединительного) шва используется тонкий электрод толщиной в 1-3 мм. Его использование позволяет зафиксировать детали и избежать прожога.

Последующее заполнение сварочного шва осуществляется электродом большего диаметра. При этом слой должен прокладываться по неостывшему предыдущему слою. Толщина слоя для достаточного прогрева не должна быть больше 4-5 мм.

Классификация ЭДГС

ЭДГС бывает следующих типов:

При ручной ЭДГС сварщик вручную перемещает электрод, в результате чего образуется сварной шов. При полуавтоматической сварке присадочная проволока подается автоматически, а электрод передвигается вручную. При автоматической сварке и проволока, и электрод передвигаются автоматически.

Наиболее распространенным является ручная ЭДГС. При выполнении такого рода сварки используются:

сварочный аппарат;
ручной инструмент сварщика;
приспособления для облегчения сварки.

Сварочный аппарат является, в первую очередь, источником питания для электрической дуги.

В качестве источников питания при ЭДГС используются сварочные трансформаторы, выпрямители (инверторы) или генераторы.

Примерная стоимость инверторных источников тока на Яндекс.маркет

Сварочный трансформатор предназначен для понижения напряжения сети в более низкое напряжение горения дуги и обеспечения необходимого тока. Сварочные выпрямители состоят из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя. Они питают дугу постоянным током. Генераторы обеспечивают питание электродуги путем преобразования механической энергии в электрическую.

Кроме источника питания, в состав сварочного аппарата входят электрод, держатель для электрода и провода, подключающие источник питания к сварочной ванне. Электрод обычно представляет собой присадочный материал с обмазкой, предназначенной для защиты сварочной ванны от воздействия внешней атмосферы. Держатели для электрода бывает винтового или зажимного типа.

Примерная стоимость электрододержателей на Яндекс.маркет

В качестве приспособлений сварщик должен использовать защитную маску, которая фильтрует УФ- и ИК-излучения дуги, респиратор и специальную одежду. Кроме того, в качестве ручного инструмента сварщику положено иметь молоток, зубило, металлическую щетку.

Сварные швы

При сваривании толстостенных деталей могут возникнуть поры или трещины. Для их предотвращения при сварке применяют методы:

В первом случае вначале на участке стыка в 200-300 мм формируют слой №1. После очистки его от окалины на него наваривают слой №2, который в 2 раза длиннее первого. Далее отступают на 200-300 мм от начала слоя №2 и наваривают слой №3. Таким образом заполняют весь сварочный шов швами с двух сторон от слоя №1.

При сварке металла толщиной от 20 мм используется каскадный метод. По сути, этот метод является разновидностью метода «горка». В этом случае весь шов делится на отрезки в 20 см. Сначала проваривается самый нижний участок в 20 см. Затем поверх первого слоя кладется второй слой длиной 40 см. Поверх второго слоя кладется третий слой длиной 60 см. Таким образом укладывают слои до заполнения шва над участком №1. После этого от участка №1 варят короткие швы в обе стороны. Благодаря этому, зона сварки будет все время нагрета, и там не образуются трещины.

При блочном методе шов сначала варят по отдельным участкам (блокам), а промежутки между ними заваривают до окончания завершения сварки всего шва.

Особенности сварки труб с толстыми стенками

Трубы с толстыми стенками используются в различных областях народного хозяйства и промышленности. Например, в трубопроводе «Турецкий поток» используются трубы с толщиной стенок в 39 мм, а в трубопроводах высокого давления могут использоваться трубы с толщиной стенок до 52 мм.

Если толщина стенок труб превышает 20 мм, то сварка таких труб может осуществляться с использованием слоев с увеличенной толщиной. Такой метод позволяет увеличить прочность соединения на 10-15%. При этом сварка таких труб должна осуществляться одновременно 2 сварочными аппаратами – один из них наносит обычный слой, а второй – толстый слой.

Как показал опыт, уже имеются результаты по сварке стыков с увеличенной толщиной слоя, при которых стыки в 45 мм были сварены за 3 прохода при толщине одного слоя в 15 мм. При этом стык имел два типа скоса кромок, один из которых Y-образный, а другой – двухступенчатый.

Особенности сварки различных видов сталей

Для улучшения свойств и характеристик сталей, в их состав вводят различные добавки. Изменяя кристаллическую решетку материала, добавки влияют не только на прочность или коррозионную стойкость материала, но и на способность к свариванию. Для некоторых сплавов сварка проходит очень легко, но есть материалы, требующие особого подхода.

Углеродистые

Одной из самых распространенных добавок при производстве стали, безусловно, является углерод. Согласно ГОСТ 380-2005, в зависимости от его количества в составе сталей, последние могут быть:

низкоуглеродистыми, с содержанием углерода не более 0,25% от объема;
среднеуглеродистыми, содержащие углерод в количестве 0,25%-0,6%;
высокоуглеродистые, в которых содержится от 0,6% до 2,07% углерода от объема материала.

Сварка углеродистых сталей характеризуется рядом особенностей, позволяющих получить качественный однородный шов.

При соединении деталей из углеродистых сталей, их располагают так, чтобы шов оказался «на весу». Для этого детали на столе для сварки надежно фиксируют при помощи приспособлений для сборки – струбцин, скоб, тисков.

В начале и конце шва устанавливают специальные планки из того же материала, что и свариваемые детали. Начало и окончание процесса сварки происходит на этих планках. Таким образом, шов по всей длине получается однородным, обладающим стабильными свойствами и имеющим точные заданные характеристики.

Закрепив детали и разгонные планки в нужном положении, проводят прихватки металла по длине шва. Предпочтительно делать прихватки с обратной стороны шва.

Если толщина свариваемых деталей велика и планируется производить многослойную сварку в несколько проходов, прихватки допускается производить с лицевой стороны шва.

При многослойной сварке, каждый предыдущий слой осматривают на наличие трещин и непроваров. При их обнаружении металл шва срезают, разделывают кромки, и процесс повторяют.

Главное требование при сваривании заключается в том, что прочность металла шва и околошовной области не должна уступать прочности металла деталей.

Низкоуглеродистые

Малоуглеродистая сталь, имеющая в своем составе, помимо углерода еще и легирующие добавки сваривается, как правило, с применением любой из сварочных технологий.

Работа не требует высокой квалификации сварщика. Такие материалы относятся к числу хорошо свариваемых сталей. Поэтому здесь может с успехом применяться обычная дуговая сварка.

Особенностями сварки низкоуглеродистых сталей является пониженное содержание углерода в металле шва и увеличенное количество легирующих добавок, поэтому возможно некоторое упрочнение металла шва по отношению к металлу деталей.

Еще одной проблемой, которую следует учитывать, является повышенная хрупкость шва при выполнении многослойной сварки.

Стали с малым количеством углерода легко сваривать, применяя ацетилен. При этом даже можно обойтись без использования флюса, а газ расходуется в небольшом объеме.

Для получения качественного стыка, обладающего прочностью, не меньшей, чем основной металл, применяют кремнемарганцевую сварочную проволоку. По окончании работы со швом пламя не гасят и не снимают его со стыка деталей, а плавно отклоняют, давая шву остыть.

Если убрать пламя сразу, то без флюса материал шва, будучи разогретым, окислится. Чтобы придать шву лучшие прочностные свойства, металл шва, как правило, проковывают и подвергают термической обработке.

Среднеуглеродистые

Из-за большого количества углерода соединение таких деталей осложняется. В результатах работы это выражается в том, что металл детали и сварного стыка может быть различной прочности. Помимо этого вблизи кромок шва могут образовываться трещины и очаги с ярко выраженной хрупкостью материала.

Чтобы избежать указанных недостатков, применяют электроды, в составе материала которых содержится низкое количество углерода.

При повышении тока, необходимом для разогрева соединяемых деталей, возможно проплавление основного металла. Чтобы исключить подобные случаи, производится разделка кромок соединяемых деталей.

Еще одним мероприятием по повышению качества соединения является предварительный разогрев и постоянный подогрев деталей в процессе. При сваривании сталей полуавтоматом для повышения качества шва лучше осуществлять движения электродом не поперек, а вдоль стыка деталей и использовать короткую дугу. Для работы применяют электроды марок УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, ОЗС-2, К-5а.

При использовании ацетилена для сварки среднеуглеродистых сталей добиваются такого пламени горелки, при котором расход газа составит 75-100 дм³/ч. Для изделий, имеющих толщину 3 миллиметра и более, применяется общий подогрев до 250-300 °C или местный до 600-650 °C.

После сварки шов проковывают и подвергают термической обработке. Для сварки изделий из металла с количеством углерода, близким по содержанию к высокоуглеродистым сталям, используют специальный флюс.

Высокоуглеродистые

Стали с высоким содержанием углерода очень плохо поддаются сварке. Для соединения деталей из таких материалов применяются другие альтернативные способы.

Сварка высокоуглеродистых сталей, стойких к коррозии, осуществляется только при проведении ремонтных работ.

В этом случае применяется предварительный прогрев области шва до 250-300 °C и последующая термообработка шва. Совершенно не допускается производить сварочные работы с высокоуглеродистыми сталями при температуре воздуха ниже 5 °C или при наличии на месте сварочных работ сквозняков.

При соблюдении всех условий, сварка высокоуглеродистых сталей производится теми же приемами, что и среднеуглеродистых.

Допускается газовая сварка ацетиленом. Мощность пламени горелки должна обеспечивать расход газа в пределах 75-90 дм³/ч на 1 миллиметр толщины шва.

Для предотвращения окисления, используются флюсы, составы которых аналогичны флюсам, используемым при сварке среднеуглеродистых сталей. После газовой сварки осуществляется проковка шва с последующим отпуском.

Аустенитные

Аустенитными сталями называют материалы, в составе которых присутствует высокотемпературная фаза железа – аустенит. Они входят, например, в группу хромоникелевых сталей, которые могут работать в различных агрессивных средах и при очень больших значениях температур.

Главной особенностью при сварке коррозионностойкой стали, является необходимость обеспечения стойкости к межкристаллической коррозии в околошовной зоне.

Проблема заключается в том, что даже при предварительном подогреве стали, по границам нагрева из кристаллической решетки выпадают карбиды хрома. В результате уменьшения количества этого элемента в составе материала, при повторном нагреве на границах появляются коррозионные растрескивания.

На практике может понадобиться создание конструкций с использованием аустенитных сталей с хромоникелевыми легирующими добавками, которые будут работать в условиях высоких температур. Для сварки таких конструкций нужно выбирать материалы, в которых содержание углерода возможно низкое.

Если необходимо, чтобы процентное содержание углерода было выше, и при этом конструкции из стали выполняли свое назначение в условиях агрессивных сред и высоких температур, нужно выбирать легирующую добавку, близкую по свойствам к углероду.

В качестве такой добавки может использоваться титан, цирконий, тантал, ванадий, вольфрам. Эти элементы связывают углерод, который выделяется из стали в процессе последующего нагрева, и препятствуют обеднению околошовных участков в процессе сварки.

Нержавейка

Чаще всего нержавеющие стали, используемые в промышленности, получают свои антикоррозийные свойства посредством введения легирующих добавок – хрома и никеля.

При сварке хромированных деталей необходимо учитывать, что при высокой температуре (более 500 °C), возможно окисление стыка деталей.

Чтобы избежать этого применяют аргонодуговую сварку, или TIG-сварку (ТИГ). Такая технология предусматривает осуществление сварочных операций без доступа воздуха непосредственно к зоне сварки. Соответственно отсутствие кислорода, наличие которого в воздухе обязательно, устраняет предпосылки к окислению материала.

Ограничение доступа воздуха осуществляется путем введения в зону сварки аргона, инертного газа, который будучи тяжелее воздуха, вытесняет его. Иногда такой способ называют сваркой стали аргоном. На самом деле сталь либо просто сваривается между собой дугой, либо с помощью присадочного материала.

Для аргонодуговой сварки требуется специальное оборудование. Работы ведутся неплавящимися вольфрамовыми электродами, требования к которым определяются ГОСТ 10052-75.

Вторая проблема заключается в следующем. Нержавеющие стали имеют высокий коэффициент температурного расширения, и при сварке листовой стали, когда стык имеет большую длину в сравнении с линейными размерами детали, в процессе остывания возможно искривление сварочного шва.

Проблема решается путем выставления зазоров между листами и применением прихваток, фиксирующих детали в нужном положении.

Инструментальные

Инструментальная сталь относится к числу твердых, стойких к механическим воздействиям материалов. Из нее изготавливают слесарные, столярные инструменты, части оборудования для различных отраслей промышленности.

Рабочие органы инструментов – сверла, резцы, назначение которых воздействовать на материалы с целью их обработки, очевидно должны быть прочнее и тверже обрабатываемых материалов. Достигаются такие свойства путем включения в состав большого количества углерода и легирующих добавок – никеля, хрома, молибдена.

Сварка инструментальной стали применяется при ремонте оборудования, инструментов. В этом случае к сварочным швам предъявляются высокие требования: стыки должны быть однородными с остальной частью материала, а их прочность не должна отличаться во избежание возникновения концентрации напряжений при работе.

Чтобы обеспечить соблюдение таких требований необходимо применять специальные электроды. В большинстве случаев это могут быть УОНИ-13/НЖ/20Ж13.

При сварке специальных углеродистых сталей, применение которых узконаправлено, используются электроды, разработанные для определенных марок.

При правильном определении характеристик материала, типа сварки и режимов, при использовании электродов соответствующих марок, сварочные швы будут обладать высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Методы сварки легированных сталей

Легирование сталей проводится для получения особых свойств, которые позволяют применять материал в различных экстремальных для обычных сталей условиях.

Сварка легированных сталей имеет свою специфику, потому что требуется не только получить необходимую физико-механическую надежность соединения шва, но и сохранить в нем характеристики основного сплава.

Свойства материала

По количеству специально вводимых примесей легированные (облагороженные) стали подразделяются на:

низколегированные;
среднелегированные;
сильнолегированные.

В низколегированных конструкционных сталях количество специально введенных примесей не превышает 2,5%. В среднелегированных оно доходит до 10%, в высоколегированных сплавах примесей более 10%.

Легирующими добавками чаще всего выступают хром, никель, молибден, марганец, вольфрам, алюминий, кобальт, ванадий, азот, бор, титан, кремний, ниобий. Легируют сплавы для получения высоких механических и прочих свойств.

Низколегированные

В низколегированных и малоуглеродистых сплавах присутствие углерода составляет меньше 0,18 %. Они обладают пластичностью, неплохой свариваемостью, и они нехрупкие.

Стали 14Г2, 15ГС являются низколегированными сталями. Высокие потребительские качества достигаются за счет применения марганца, хрома, никеля, кремния и закалки сплава. Добавки обеспечивают повышенную стойкость к коррозии.

Характеристики

Главными характеристиками качества сварки является резистивность свариваемых швов холодным трещинам, из-за хрупкости. Такие сплавы имеют малый процент углерода, никеля, кремния. При правильном режиме сварки и пир использовании требуемых присадок горячих трещин не будет.

Для каждого вида низколегированной стали имеются максимально допустимая и минимально допустимая скорость охлаждения сплава вокруг шва. В зависимости от этих пределов и выбирается диапазон выполнения сварочных работ. От этого зависит и величина предварительного подогрева заготовок.

При соблюдении пределов скорости охлаждения вокруг шва холодных трещин образовываться не будет.

Технология

Для ручной электрической сварки легированных сталей с 2,5% примесей применяются электроды Э70 и подобные ему с фтористо-кальциевым флюсом. Сила тока определяется толщиной металла, электрода, его маркой.

Сварка должна проходить без остановок. Перед следующим проходом температура сварочного шва и всего изделия должна быть выше температуры предварительного прогрева (более 200 °C).

При использовании флюса сталь варят постоянным током. Ток должен находиться в пределах 800 А, а напряжение 40 В. Скорость сварки должна находиться в диапазоне 13-30 м/час.

При стыковой сварке во избежание чрезмерной прочности сварного шва для его заполнения используют Св-08ХН2М. При сваривании заготовка должна лежать на флюсовой подушке, если применяется сваривание в один проход.

При сваривании низколегированных сплавов в инертной газовой среде применяются различные материалы. При работе в углекислоте используют проволоку Св-08Г2С, Св-10ХГ2СМА.

При работе с аргоном применяют марку Св-08ХН2ГМЮ. Она повышает механическую прочность швов и их стойкость на морозе. Ее советуют использовать для сварки угловых соединений.

При использовании газовой сварки для легированной стали из-за сильного длительного разогрева околошовной зоны свариваемой детали происходит выгорание легирующих металлов, что снижает коррозионную стойкость шва, его надежность.

Чтобы уменьшить отрицательное действие длительного перегрева для восстановления концентрации легирующих металлов в сварном шве применяется присадочная проволока СВ-10Г2, Св-18ХГС и им подобных.

После завершения процесса сварки для увеличения механической прочности шва его проковывают при температуре 800-850 ⁰C, затем нормализуют.

Среднелегированные

Среднелегированные стали в основном легируются никелем, хромом, молибденом, ванадием, содержание углерода превышает 0,4%. После закалки сталь становится прочной, вязкой и пластичной. Среднелегированные стали марок ХВГ, ХВСГ, 9ХС широко используются при изготовлении сверл.

Эти сплавы изготавливают из чистой шихты. Ее очищают от серы, фосфора и других вредных включений. При необходимости применяют электрошлаковую переплавку, рафинируют с искусственными шлаками.

В результате получается сталь с прекрасными физико-механическими характеристиками. Для дополнительного повышения характеристик сплавов среднелегированную сталь подвергают закалке и ковке.

Обеспечение качества шва

Для обеспечения необходимого качества сварных швов, нужно выбирать сварочные материалы с таким расчетом, чтобы после сварки получался шов близкий по физикомеханическим качествам к свариваемому материалу.

Так как в процессе сварки участвует основной металл изделия, то применяемые сварочные материалы должны иметь количество легирующих примесей немного меньше, чем в основном металле. Это позволяет добиться необходимого уровня прочности и пластичности шва.

Когда свариваются высокопрочные среднелегированные стали с глубокой прокалкой, то необходимо выбирать такие сварочные материалы, которые минимизируют наличие водорода в сварочной зоне.

Это могут обеспечить низколегированные электроды, у которых в покрытии отсутствуют органические материалы, и которые перед использованием подвергаются высокотемпературной прокалке.

Кроме этого, при сварочных работах нужно избавиться от влаги, ржавчины и других веществ, которые могут насытить сварочную ванну водородом.

Электроды

При сварке среднелегированных сталей применяют электроды Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и проволоку Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6.

При использовании аргонодуговой сварки с неплавящимся электродом можно получить хорошее качество сварных швов среднелегированных сталей.

Применение активирующих флюсов увеличивает глубину сварочной ванны. При автоматизированной сварке получается равномерная глубина проплавления металла. Для активирующих флюсов используют самый стойкий вольфрам.

Газосварка для среднелегированных металлов применяется с использованием ацетиленокислорода. Он дает качественный шов, но все же предпочтительней использование электросварки.

Высоколегированные

Высоколегированные сплавы, кроме других примесей, обычно содержат не менее 16% хрома и не менее 7% никеля. Благодаря этим и другим добавкам высоколегированные сплавы обладают высокой стойкостью к низким температурам, коррозии и высоким температурам.

Но каждая марка имеет свою специализацию, в которой она обладает предельными характеристиками. По назначению высоколегированные стали можно разделить на жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.

После термообработки они повышают свою прочность и пластичность. При закалке пластичные свойства у них улучшаются.

Специфичность

Высоколегированные сплавы имеют настолько выдающиеся характеристики, что их применяют везде, где позволяет это сделать целесообразность и цена продукта.

Но в каждом конкретном изделии требования к ним разные. Соответственно, при проведении сварочных работ к сварным швам предъявляются разные требования по прочности и пластичности, что приводит к разным подходам в сварочных работах. То есть здесь все индивидуально.

Наличие большого количества подходов в сварке высоколегированных сталей связано с тем, что они обладают очень специфичными теплофизическими свойствами.

Они имеют низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент теплового расширения. В сочетании они предъявляют к процессу сварки противоречивые требования.

Низкая теплопроводность приводит к увеличению глубины проплавления стали. А высокий коэффициент температурного расширения вызывает деформации вплоть до коробления деталей. Для уменьшения коробления необходимо максимально сконцентрировать тепловую энергию. С этим хорошо справляется лазерная сварка.

При ручной электросварке высоколегированных сплавов проводятся те же мероприятия, что и при сварке среднелегированных сплавов. Главная задача минимизировать попадание водорода в сварочную зону, иначе это вызывает появление пор и трещин.

Выбор технологи

Для высоколегированных сплавов применять газовую сварку не рекомендуется для кислотостойких сталей, так как она вызывает межкристаллитную коррозию. Даже при использовании в сварке жаропрочных сталей происходит коробление изделий.

Сварка под флюсом по сравнению с ручной электродуговой имеет большие плюсы благодаря тому, что процесс сварки происходит под защитой в постоянной среде с одинаковыми компонентами. Нет необходимости менять электроды, что вызывает образование кратеров.

Сварка под флюсом обеспечивает равномерный шов с заданными характеристиками благодаря защите сварочной ванны от воздействия внешней среды в виде водорода.

Кроме этого уменьшаются предварительные работы, так как разделка кромок нужна только при толщине более 12 мм, а ручная дуговая сварка требует разделку кромок производить при толщине металла более 5 мм.

Наиболее эффективной для легированных сталей является лазерная сварка благодаря высокой концентрации энергии на маленькой площади. Это позволяет практически устранить коробление и деформации. Многие легированные сплавы, можно сваривать между собой независимо от вида только при использовании лазерной сварки.

Особенности сварки толстого металла

Для изделий из толстого металла применяют в основном электродуговую и электрошлаковую сварку. У них высокая производительность, имеют малую область нагрева, соответственно создают небольшие внутренние напряжения, не требуют дорогостоящих расходных материалов.

Электрошлаковая

В электрошлаковой сварке электротоком нагревается шлак, который расплавляет находящийся рядом металл и защищает шов от окисления и насыщения водородом. Технология позволяет производить только вертикальные швы снизу вверх. Отклонение от вертикали допускается в пределах 30 градусов.

С двух сторон свариваемых толстых листов из металла устанавливаются медные пластины-ползуны, которые охлаждаются водой. Между свариваемыми листами оставляется зазор. Обработка стыков не требуется.

Стыки и ползуны образуют сварочную ванну. При внесении в нее электрода шлак разогревается, металл начинает плавиться, сваривание происходит без создания дуги.

По мере образования шва ползуны передвигаются вверх. Все происходит за один проход. Сварить можно толстый металл до 60 см. Шов должен образоваться за один проход иначе возникают неустранимые дефекты. Технология позволяет пользоваться электродом различной формы.

Электродуговая

Сварка металла большой толщины (20 мм и более) из-за невозможности проварить за один проход всю толщу изделия имеет свою специфику. Кромки свариваемых поверхностей нужно подготовить.

Для этого кромки стачиваются под углом. При соединении деталей в сечении должна получиться буква V. Иногда, одну кромку стачивают под углом, а вторую ступеньками. Между свариваемыми деталями оставляют зазор, в верхней части должна получиться канавка шириной 10-15 мм и больше.

Ширина канавки зависит от толщины металла. При сварке металла разной толщины край более толстого стачивается до сечения тонкого.

При сварке встык и наличии пересекающихся швов возникают напряжения, приводящие к деформации и даже разрушению изделия. Особенно это сильно проявляется при низких температурах, когда металл теряет свои пластические свойства.

Жесткое закрепление деталей в оснастке также вызывает чрезмерные напряжения. К этому же приводят и длинные швы с большим сечением.

Сваривать толстый металлический лист требуется так, чтобы время между наложением последующих слоев было минимальным. Во избежание напряжений необходимо следующий шов прокладывать по горячему слою. Толщина слоев должна находиться в пределах 4-5 мм, это обеспечит достаточный прогрев.

При сваривании толстого металла из-за большой глубины сварочной ванны увеличивается вероятность образования пор. Чтобы этого не произошло, применяется каскадный способ сварки или метод «горка».

Во время сварки возникает поперечная усадка, которая может достигать 4 мм при толщине металла 40-50 мм. При сварке толстых листов необходимо делать прихватки длиной 2-3 см через каждые 30-50 см.

Для уменьшения напряжений, можно выполнять работу двумя сварщиками одномоментно. Прогрев толстого металла до 150-200 ⁰C также снижает внутренние напряжения, замедляет кристаллизацию, что приводит к более длительному времени выделения газов и соответственно уменьшению количества пор.

Виды швов и методы их наложения

Швы по положению и типу соединения делятся на несколько видов, от которых зависят настройки сварки.

По положению в пространстве делятся на:

горизонтальные;
вертикальные;
потолочные;
нижние.

Они могут соединяться внахлест, встык, кроме этого бывают тавровые и угловые соединения. Существует несколько методов наложения швов при сварке толстого металла.

Способы наложения

Метод сварки толстого металла каскадом заключается в следующем: весь участок разбивается на отрезки по 20 см. Сначала проваривается самый нижний участок, который называется корневым. Его длина примерно 20 см. Поверх корневого внахлест, не прерывая дуги, делают новый слой. Его общая длина будет 20 +20=40 см.

Лучше всего метод сварки понятен на схеме. Он применяется к толстым металлам, когда толщина листа более 20 мм. При таком способе сварки слои накладываются на неостывший металл, что позволяет уменьшить деформации и внутренние напряжения.

Сварка толстого металла горкой подобна каскаду, только работают два сварщика от середины к краям шва.

Они варят каскадом по длине и по ширине. Задача состоит в том, чтобы при накладывании следующего слоя место контакта было горячим.

Длина

Швы подразделяют на короткие длиной до 25 см, средние – до 1 м, и длинные – свыше 1 м. Короткие прокладывают за один проход.

При сваривании толстого металла приходится делать несколько слоев – по одному за каждый проход, так как каждый последующий слой становится все шире, то сварщик делает зигзагообразные или спиралевидные движения поперек шва. Таким образом, оплавляются кромки свариваемых деталей.

Такая технология обычно применяется при стыковом соединении толстого металла. Средние и длинные швы накладываются с использованием способов каскада и горки.

При сварке угловых и тавровых соединений применяют многослойный многопроходный двусторонний шов. Сначала формируется корневой шов. Затем поверх него прокладывается второй слой со смещением к одному из стыков, потом третий со смещением ко второму стыку с его оплавлением.

Четвертый идет поверх второго слоя, оплавляя кромку детали. Пятый проходит рядом с четвертым, а шестой слой поверх третьего, оплавляя кромку второй детали. Седьмой слой накладывают поверх четвертого, пятого и шестого слоев.

С обратной стороны шва на первый слой и кромки изделия наносится восьмой завершающий слой.

Параметров сварочного аппарата

Уменьшение сварочного тока уменьшает глубину сварочной ванны и наоборот. Ширина же ее практически не изменяется. Требуемая сила тока зависит от толщины металла и диаметра сварочного электрода. Повышение напряжения приводит к увеличению ширины шва, а глубина провара при этом уменьшается.

От скорости перемещения электрода при прочих равных условиях зависит глубина провара. Она увеличивается при скоростях до 40 м/час, а потом уменьшается. Ширина шва с увеличением скорости уменьшается постоянно.

Работа с толстым металлом требует большей подготовки для сварщика. Шов всегда получается многослойным. Прежде чем браться за такую сварку, необходимо освоить основные технологические приемы.

Как правильно варить толстые заготовки при помощи полуавтомата? Технологические особенности

Соединение массивных деталей с использованием полуавтоматической сварки проводится в соответствии с ГОСТ 14771-76. Для обеспечения прочности соединений необходимо соблюдать общие правила: правильно подготавливать кромки деталей, устанавливать величину сварочного тока в определенных диапазонах, обеспечивать поступление необходимого количества углекислого газа в зону сварки.

Технологические особенности сварки толстого металла полуавтоматом

Чтобы свариваемые металлоконструкции выдерживали нагрузки, требуется создать надежные соединения:

швы должны прочно соединять все элементы изделия;
необходимо снять напряжения, которые возникают после сварки внутри сплавов. Для этого можно использовать предварительный подогрев. После сварки рекомендуется обеспечить медленное остывание;
важно получить определенный технологией катет шва, это также усиливает металлоконструкцию.

При этом следует учитывать, что при работе на больших токах возникает риск деформации, это значит, что контрольные размеры детали изменятся, а форма конструкции будет отличаться от той, которая планировалась.

Необходимое оборудование и материалы

Для работы потребуются:

Мощный сварочный аппарат. Максимальное значение сварочного тока – не менее 250 А.
Баллон для хранения и транспортировки углекислого газа. Существуют емкости объемом 5, 10 и 40 литров. Баллоны красят черной краской.
Редуктор для понижения давления газа. Требуется использовать специальное устройство для СО2. Желательно наличие подогревающего элемента.
Шланг и хомуты – для подключения баллона.

Для сварки сталей полуавтоматом используют проволоку типа Св-08Г2с или аналогичную для сварки углеродистых сталей 08х18н9т, а также эквивалент для сварки коррозионностойких сталей. Диаметр – 1 до 1,6 мм. Распространенные катушки весят 5, 15 и 18 кг.

Примерная стоимость проволоки для сварки углеродистых сталей на Яндекс.маркет

В некоторые аппараты, работающие от сети 220 вольт, помещаются только маленькие бухты с проволокой.

Настройка аппарата и газового оборудования

Сварочные полуавтоматы разных производителей устроены по-разному. На лицевой панели располагаются как минимум два-три регулятора:

настройка скорости подачи проволоки – регулируется частота вращения электромотора, который двигает проволоку;
изменение силы тока – параметр влияет на скорость плавления присадки в сварочной ванне;
настройка индуктивности – изменение касается характеристик тока. При минимальных значениях глубина проплавления металла меньше, а шов более выпуклый. Для сварки толстых заготовок рекомендуется увеличить до среднего или еще больше.

Совет: настраивать аппарат можно на слух. Во время сварки расплавление проволоки происходит очень плавно, полуавтомат издает ровный шуршащий звук.

После подключения редуктора к баллону с углекислым газом требуется выставить давление на выходе. Для работы в помещении достаточно 1-1,5 кг/кв. см. Если на редукторе установлен расходомер, то следует выставить 10-12 литров в минуту.

Подготовка к проведению работ. Обработка кромок

Сварочные работы с использованием полуавтомата следует производить только с чистыми заготовками. На поверхности не должно быть ржавчины, масла и грязи. В противном случае, будут появляться поры.

Правильная разделка кромок – важный этап подготовки деталей под сварку. Для обеспечения формирования качественных швов следует снять фаски в соответствии с ГОСТ 14771-76 – в зависимости от типа соединения. Если все сделано правильно, то соединение получится прочным. Важно добиться того, чтобы металл был проплавлен по всей своей толщине.

Процесс сварки

Толстые заготовки не допускается варить за один проход. Последовательность действий после подготовительных работ:

Сборка элементов на прихватки.
Проверка размеров будущей детали.
Проваривание корня шва.
Заполнение канавки между кромками в несколько проходов.
Создание облицовочного шва.
Обработка соединений при помощи болгарки с зачистным кругом.

Прихватка представляет собой полноценный короткий шов длиной около 15-25 мм с шагом 45-50 см. Варится на таком же токе, что и все изделие. Прихватки следует располагать так, чтобы будущее изделие приобрело жесткость и его не «повело» во время обварки.

Если требуется исключить (или максимально уменьшить) деформации от нагрева, рекомендуется зафиксировать деталь на сборочном столе с помощью зажимов, струбцин. Можно временно прихватить его к верстаку или стальной плите.

Первый проход. Корень шва

Коренной шов – это первое и самое важное сварное соединение между кромками, которое максимально удалено от лицевой части деталей. Важно добиться, чтобы с обратной стороны образовался валик, плавно соединяющий оба элемента.

Если коренной шов проварен с дефектами, в процессе эксплуатации детали могут появиться трещины, которые способны привести к разрушению всей конструкции.

Во время работы необходимо следить, чтобы деталь не нагревалась слишком сильно. Если используется метод сварки каскадом, коренной шов не требуется.

Заполнение пространства между свариваемыми кромками

Толстый металл необходимо сваривать за несколько проходов, заполняя пространство между кромками. Часто применяют каскадный способ сварки или метод «горка»:

«каскад» – этот вариант предполагает одновременное формирование корня шва и заполнение пространства между кромками. Сначала варится отрезок корневого соединения длиной около 20-25 см. Следом накладывается второй шов протяженностью 40-50 см, половина которого ложится на коренной. Третий – длиной 60-65 см – частично (на две трети) перекрывает предыдущие, а ⅓ станет корневым. Четвертый шов (также около 60-65 см) должен перекрыть третий и выйти на толщину металла над корневой частью второго. Этот метод похож на сварку «ступеньками»;
«горкой» – после сварки корня варится второй шов, соединяющий кромки и перекрывающий первый. После него накладываются третий и четвертый (облицовочный).

Благодаря тому, что полуавтомат позволяет непрерывно подавать проволоку в сварочную ванну, можно формировать длинные швы с высокой скоростью.

Сварка в вертикальном и потолочном положениях

Особенности работы в положениях, отличных от горизонтального, заключаются в том, что металл трудно удержать, под воздействием силы тяжести он стремится вытечь из сварочной ванны. Чтобы избежать этого, применяют два способа.

Уменьшение величины сварочного тока на 15-20%. Металл нагревается менее интенсивно и быстрее кристаллизуется.
Сварка с отрывом. Накладываются короткие швы, идущие друг за другом. В вертикальном положении следует идти снизу вверх. Сварка сверху вниз не допускается из-за возможных непроваров.

По возможности следует избегать работы в положениях, отличных от горизонтального. Сварка вертикальных и потолочных швов требует более тщательной подготовки кромок, считается менее производительной и более трудоемкой.

Особенности сварки порошковой проволокой

Если при работе с омедненной проволокой требуется защитный газ, то применение порошковой его не требует. Процесс напоминает сварку электродом – с образованием шлаковой корки, которую необходимо удалять. Обмазка проволоки содержит элементы (флюс), которые при нагреве защищают сварочную ванну от воздействия воздуха. Отличительные особенности:

высокая мобильность – не требуется перемещать баллоны по рабочей площадке;
множество разновидностей марок проволоки позволяет подобрать ту, которая необходима в конкретных условиях;
порошковую проволоку часто применяют во время уличных работ, в этом случае порывы ветра не мешают процессу в отличие от сварки с газом.

Главный минус – высокая стоимость. В среднем порошковая проволока на 50% дороже обычной омедненной.

Дефекты, возникающие при сварке массивных деталей. Как избежать проблем

Во время проведения работ могут возникать проблемы, влияющие на качество соединений.

Недостаточное давление газа. Требуется увеличить подачу.
Ветер сдувает газ. Необходимо использовать защитные ширмы или производить сварку в помещении.
На поверхности металла присутствуют грязь, краска или масло. Следует удалить посторонние частицы или жидкости с кромок.
Низкое качество свариваемых сплавов, газовой смеси или проволоки. Рекомендуется использовать проверенные материалы.
Слишком высокое напряжение сварочного тока. Уменьшить напряжение.

Установлено чрезмерное давление газа на выходе из редуктора, сильный поток сдувает расплавленный металл. Уменьшить давление.
Аппарат настроен неправильно. Следует отрегулировать силу тока и скорость подачи проволоки.

Если металлоконструкция сложной формы и есть опасения, что при сварке она деформируется, сборщики часто прихватывают в ответственных местах дополнительные временные усилители из уголков, швеллеров или арматуры. Они позволяют удержать размеры изделия в заданных пределах. Когда деталь остынет, их можно срезать.

Сварка массивных деталей полуавтоматом считается самым производительным способом. При минимуме усилий можно получить красивые и надежные соединения.

Читайте также: