Электродуговая сварка : пособие для сварщиков и специалистов сварочного производства


Серия «Библиотека инженера»





В. Л. Лихачев






ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА






Пособие для сварщиков и специалистов сварочного производства















Москва СОЛОН-Пресс 2020

УДК 621.396.218
ББК 32.884.1
      Л65



     В. Л. Лихачев
Л65 Электродуговая сварка. Пособие для сварщиков и специалистов сварочного производства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2020. — 640 с.: ил. — (Серия «Библиотека инженера»).



         ISBN 978-5-91359-183-8

         Книга «Электродуговая сварка. Пособие для сварщиков и специалистов сварочного производства» охватывает практически все аспекты электродуговой сварки плавлением. В книге обобщен опыт и передовые технологии ведущих фирм Швеции, Австралии, Америки и института сварки США. Материал изложен в соответствии с действующими ГОСТами, СНиПами, правилами аттестации сварщиков и другими руководящими документами.
         Большое внимание в книге уделено подготовке изделий к сварке; ручной сварке покрытыми электродами, сварке плавящимся и неплавящимся (аргоновая сварка) электродом в защитном газе, сварке под шлаком; возникновению дефектов сварного шва и мерам, предупреждающим появление дефектов. Описаны приемы и методы ручной, полуавтоматической и автоматической дуговой сварки. Приведены специальные виды ручной электросварки.
         Книга может служить пособием для самостоятельного обучения сварке покрытыми электродами и сварке в защитном газе как плавящимся, так и неплавящимся электродом (аргоновой сварке). Книга предназначена для сварщиков, широкого круга инженерно-технических работников, связанных в своей практической деятельности со сварочными работами, а также для сотрудников органов надзора и контроля.
         Приведенные в книге справочные сведения будут полезны инженерно-техническим работникам промышленных и строительных предприятий, проектных, конструкторских и научно-исследовательских организаций, студентам технических специальностей. Кроме этого, справочник будет хорошим пособием для сварщиков (1-й уровень профессиональной подготовки) и мастеров, бригадиров (2-й уровень) при подготовке к аттестации, первичной или очередной.



КНИГА - ПОЧТОЙ
     Книги издательства «СОЛОН-Пресс» можно заказать наложенным платежом (оплата при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из двух способов:
     1. Послать открытку или письмо по адресу: 123001, Москва, а/я 82.
     2. Оформить заказ на сайте www.solon-press.ru в разделе «Книга — почтой».
     3. Заказать книгу по тел. (495) 617-39-64, (495) 617-39-65.
     Каталог издательства высылается по электронной почте бесплатно.
     При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя. Желательно дополнительно указать свой телефон и адрес электронной почты.
     Через Интернет вы можете в любое время получить свежий каталог издательства «СОЛОН-Пресс», считав его с адреса http://www.solon-press.ru/docs/Katalog_Solon_Press.xls.
      Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru.



ISBN 978-5-91359-183-8

© Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2020
          © Лихачев В. Л., 2020

                Предисловие





    В течение последнего стоёетия сварка стала одним из наиболее распространенных технологических процессов. Трудно назвать какой-либо другой процесс, который развивался бы с такой же интенсивностью, а по разнообразию и объемам применения был бы сравним со сваркой. Решение множества важнейших технических проблем современности неразрывно связано с необходимостью получения сварных соединений, способных работать в различных условиях, в том числе и экстремальных.
    Конечным продуктом сварочного производства являются сварные конструкции. Общие объемы производства сварных конструкций в мире составляют сотни миллионов тонн в год. Создание экономичных, надежных и долговечных сварных конструкций, работающих на земле и под водой, при нормальных, высоких и криогенных температурах, в агрессивных средах и при интенсивном радиационном облучении, в различных экстремальных условиях эксплуатации, является важной научно-технической проблемой.
    Сварка предоставляет широкие возможности для оптимизации конструктивных решений, снижения трудоемкости изготовления конструкций, использования рациональных типов конструктивных элементов, позволяющих существенно уменьшить металлоемкость. Сварку, как один из видов получения неразъемных соединений, широко применяют в различных отраслях техники. За последние 20 лет разработаны и освоены новые и специальные виды (методы) сварки, которые внесли коренные изменения в технологию изготовления машин, механизмов, приборов и сооружений. Поэтому есть основания полагать, что и в XXI веке сварка по-прежнему будет интенсивно развиваться. Несомненно, сварка плавлением останется основой сварочного производства.
    Дуговая сварка — самый распространенный способ сварки плавлением, широко используемый во всех областях техники, так как позволяет создавать конструкции, отличающиеся высокой технологичностью, обеспечивает короткие сроки изготовления, ремонта, восстановления и модернизации конструкций при большой экономии труда и металла. Повышение качества и работоспособности сварных конструкций неразрывно связано с совершенствованием такого важного и трудоемкого процесса, как неразрушающий контроль качества сварных соединений.
    Непрерывное совершенствование техники и технологии сварочного производства вызывает необходимость в систематическом улучшении профессиональной подготовки сварщиков и специалистов сварочного производства, в повышении их производственной квалификации и уровня теоретических знаний. Вместе с тем как сварщику, так и специалисту сварочного производства нелегко найти книгу с ответами на интересующие его вопросы по специальности, так как обширная литература по оборудованию и технологии дуговой сварки в большинстве случаев не содержит на них ответов. В результате уровень знаний рабочего-сварщика, инженера и мастера часто ограничен сведениями из нормативных документов и собственного опыта.
    В данной книге автор пытается ответить на максимально возможное число вопросов, возникающих как у сварщиков, так и у специалистов сварочного производства при выполнении различных видов дуговой сварки.

                1. Металлы





    Металлы обладают самыми разнообразными свойствами. Некоторые из них имеют высокую прочность (титан), в то время как другие очень мягкие (магний); некоторые плавятся при температуре свыше 3000 °C (вольфрам), другие даже при комнатной температуре находятся в жидком состоянии (ртуть); некоторые имеют высокую плотность (свинец), другие настолько легки, что даже плавают по поверхности воды (калий). Однако все металлы имеют общие специфические свойства, по которым их отличают от неметаллов, это:
    • «металлический блеск»;
    • пластичность;
    • высокая теплопроводность;
    • высокая электропроводность.
    Данные свойства обусловлены особенностями внутреннего строения металлов. Согласно молекулярной теории строения химических элементов металл представляет собой вещество, состоящее из неподвижных положительных ядер, вокруг которых по орбитам вращаются электроны. На последнем (валентном) уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла и называются свободными. Свободные электроны образуют «электронный газ», который обеспечивает металлу его специфические свойства теплопроводности и электропроводности.
    Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, кристаллизуются и укладка центров кристаллизации в них характеризуется периодичностью как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Возникает пространственная структура, в узлах которой располагаются неподвижные частицы, образующие твердое тело.
    В металлургии все металлы делят на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на основе железа. На долю черных металлов приходится около 90% всей металлопродукции. К цветным металлам относятся все остальные металлы и их сплавы.
    В технике принята условная классификация металлов на несколько групп:
    • легкие металлы (алюминий, магний);
    • тяжелые металлы (медь, свинец, железо и т. п.);
    • тугоплавкие металлы (ванадий, молибден и т. п.);
    • благородные металлы (золото, платина и т. п.);
    • рассеянные металлы (гафний, тантал и т. п.);
    • редкоземельные металлы (лантан, лантаноиды и т. п.);
    • радиоактивные металлы (радий, уран и т. п.).
    В настоящее время в технике используются более 10 тыс. различных сплавов из металлов.


            1.1. Свойства металлов и сплавов


    Для того чтобы рационально применять металлы и сплавы в народном хозяйстве, необходимо знать их свойства. Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и состояния. Применяемые технические металлы содержат ряд примесей, которые в значительной мере изменяют их свойства.

1. Металлы

5

    Состояние металлов и сплавов определяется главным образом их структурой. Металл или сплав, подвергнутый термической обработке, изменяет структуру, а следовательно, и свойства.
    Свойства металлов и сплавов принято разделять на физические, механические, химические, технологические и эксплуатационные.

1.1.1. Физические свойства металлов и сплавов

    К физическим свойствам металлов и сплавов обычно относят плотность, температуру плавления, тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность, магнитную проницаемость и др.
    Плотность (объемная масса) представляет собой отношение покоящейся массы к ее объему и имеет размерность кг/м³. Плотность — весьма важный параметр, характеризующий металл, он имеет исключительно большое значение для выбора металлов в целях использования их в чистом виде или в виде сплавов в различных областях техники.
    Температурой плавления называют температуру, при которой металл или сплав переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают металлы тугоплавкие (вольфрам 3416 °C, титан 1725 °C, железо 1539 °C и др.) и легкоплавкие (олово 232 °C, свинец 327 °C, цинк 419,5 °C, алюминий 660 °C).
    Тепловое расширение металлов или сплавов — это приращение объема металла при нагреве вследствие увеличения подвижности атомов в узлах кристаллической решетки. Обычно тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения, под которым понимают увеличение единицы длины тела при нагреве на 1 °C от 0°. В справочниках обычно приводятся значения коэффициента линейного расширения при 20 °C. Коэффициент объемного расширения в три раза больше коэффициента линейного расширения.
    Теплопроводностью называют способность передавать тепло от более нагретых частей тела к менее нагретым. Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, показывающим, сколько тепла может пройти в единицу времени через площадку 1 м² на расстояние 1 м перпендикулярно к ней при разности температур 1 °C на двух противоположных сторонах куба.
    Электропроводность — это способность металла проводить электрический ток. За единицу электропроводности принимают величину, обратную удельному сопротивлению. Удельное сопротивление — это сопротивление проводника сечением 1 мм² и длиной 1 м. Электропроводность металлов в значительной степени зависит от температуры: при повышении температуры электропроводность уменьшается, при понижении — увеличивается.
    Магнитной проницаемостью называется способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля. Величиной, характеризующей магнитную проницаемость металла, является коэффициент магнитной проницаемости, равный отношению магнитной индукции к напряженности магнитного поля.

1.1.2. Механические свойства металлов и сплавов

    К механическим свойствам металлов и сплавов относят прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталость). Зная механические свойства, можно правильно и обоснованно выбирать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкции при ее минимальной массе.
    Прочность — способность металла сопротивляться деформациям и разрушению под воздействием внешних сил.

1. Металлы

    Предел прочности (временное сопротивление разрыву, ов) — напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец металла до разрушения. Предел прочности характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластичной деформации.
    Предел упругости — характеризует сопротивление металла малой пластической деформации. Так как практически невозможно установить точку перехода металла в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости — максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Принято считать напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005—0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации, например о₀,₀₅.
    Пластичность — способность материала к пластической деформации, т. е. его способность, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением А, которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его нервоначальной длине в процентах.
    Твердость — характеризует способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого стандартного тела (индентора), не получающего остаточных деформаций, при местном контактном воздействии в поверхностном слое.
    О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля и Виккерса) под воздействием заданной силы Р. На рис. 1.1 приведены схемы определения твердости по Виккерсу, Бринеллю (ГОСТ 9012) и Роквеллу (ГОСТ 9013).
    Определение твердости по методу Бринелля применяется для сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. Твердость по Бринеллю обозначается как НВ, например НВ 250.
    Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности пластичных материалов существует следующая зависимость:

ов = к • HB,

где к — коэффициент пропорциональности; для стали с твердостью до HB 175 к = 0,34; для стали с твердостью выше HB 175 к = 0,35; для отожженной меди, бронзы и латуни к = 0,55; для алюминиевых сплавов к = 0,36—0,38.


Рис. 1.1. Схемы определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу

1. Металлы

7

    Твердость по методу Виккерса рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и обозначают как HV 150. Преимущество метода Виккерса в том, что им можно измерять твердость любых материалов, в том числе тонких изделий и поверхностных слоев. Метод имеет высокую чувствительность и точность.
    Твердость по Роквеллу, в зависимости от природы материала, определяется тремя способами (табл. 1.1) и обозначается как HRC 92.



Таблица 1.1. Определение твердости по Роквеллу

Шкала прибора Обозначение             Индентор              Область применения                
      A           HRA     Алмазный конус <1200              Для особо твердых материалов      
      B           HRB     Стальной закаленный шарик 0 1/16" Для относительно мягких материалов
      C       HRC (HRC3)  Алмазный конус <1200              Для особо твердых материалов      

    Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Вязкость является энергетической характеристикой материала и выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов зависит от их химического состава, термической обработки и других внутренних факторов. Кроме этого, вязкость зависит и от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).
    Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан) — удельная работа разрушения. Испытание металла на ударную вязкость проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. По ГОСТ 9454—78 ударную вязкость обозначает как KCV, KCU и KCT, где KC — символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.
    Хладоломкость — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. С повышением температуры вязкость металла увеличивается (рис. 1.2). При изменении температуры предел текучести Sₘ также существенно изменяется, а сопротивление отрыву S^ не зависит от температуры. При температуре выше Тв предел текучести меньше сопротивления отрыву. При увеличении нагрузки сначала происходит пластическое деформирование, а затем разрушение. Металл при этом находится в вязком состоянии.


Рис. 1.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

1. Металлы

    При температуре ниже Тн сопротивление отрыву становится меньше предеёа текучести, при этом металл разрушается без предварительной деформации, т. е. он находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур Тн — Тв.
    В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50% вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 °C.
    Испытания на выносливость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.
    Усталость — разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.
    Усталостная прочность — способность материала сопротивляться усталости. Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях «изгиб при вращении». Основные характеристики усталостной прочности:
    • предел выносливости (о₄ — при симметричном изменении нагрузки и ок — и несимметричном изменении нагрузки) — максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за произвольно большое число циклов нагружения;
    • ограниченный предел выносливости — максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за определенное число циклов нагружения или время;
    • живучесть — разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

1.1.3. Химические свойства металлов и сплавов

    К химическим свойствам металлов и сплавов относят их химическую стойкость против воздействия внешней среды (кислот, щелочей, пресной и морской воды, влажного воздуха, газов, высокой температуры и т. п.), т. е. химическую стойкость против коррозии.
    Не все металлы одинаково стойки в различных средах. Так, свинец имеет высокую стойкость против действия некоторых кислот и щелочей, а железо, медь, другие металлы такими химическими свойствами не обладают; золото и платина обладают высокой химической стойкостью в воде, а железо, медь, магний и другие металлы в воде корродируют, разрушаются. Для достижения высокой химической стойкости металлических деталей различных машин и установок производят специальные кислотостойкие нержавеющие стали, а также применяют различные защитные покрытия.

1.1.4. Технологические свойства металлов и сплавов

    Под технологическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность подвергаться различным видам холодной и горячей обработки, например ковке, штамповке, сварке и т. п. Технологические свойства определяют по технологическим пробам, которые дают качественную оценку пригодности металлов и сплавов к тем или иным способам обработки. На практике наиболее часто применяют испытания на следующие стандартные технологические пробы: вытяжку, изгиб, перегиб, осадку, сварку и т. п. О результатах технологических испытаний во многих случаях судят по внешнему виду состояния образцов после испытаний; отсутствие трещин, надрывов или изломов свидетельствует о том, что металл выдержал пробу.

1. Металлы

9

    Характеристикой технологических свойства металлов и сплавов служат литейные свойства, способность металла к обработке давлением и обработке резанием, свариваемость.
    Литейные свойства характеризуют способность метеалла к получению из него качественных отливок. Литейные свойства определяются такими факторами как жидкотекучесть, усадка и ликвация.
    Жидкотекучесть — характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
    Усадка (линейная и объемная) — характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения.
    Ликвация — неоднородность химического состава по объему.
    Способность металла к обработке давлением — способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок, не разрушаясь.
    Способность к обработке резанием — характеризует способность металла поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.
    Свариваемость — способность металла образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва. Сварной образец испытывают на растяжение или загиб на определенный угол. При плохой способности металла к свариванию сварной шов разрушается. Хорошая свариваемость металла обеспечивает сопротивляемость сварного шва разрыву не менее 80% от сопротивляемости цельного образца.

1.1.5. Эксплуатационные свойства

    Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.
    Износостойкость — способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
    Коррозионная стойкость — способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред.
    Жаростойкость — способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
    Жаропрочность — способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
    Хладостойкость — способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
    Антифрикционность — способность материала прирабатываться к другому материалу.
    Эксплуатационные свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

1.1.6. Деформация

    Деформация металлов — изменение их формы и размеров без разрушения под действием внешней силы.
    Напряжение — сила, действующая на единицу площади сечения детали.
    Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т. д. (рис. 1.3). Если к металлическому телу, один конец которого закреплен, приложить внешнюю, например растягива-

1. Металлы

Сжатие Растяжение Сдвиг Скручивание (Удар)

Рис. 1.3. Виды напряжений

ющую, силу, то в теле возникнут внутренние силы, направленные в сторону, противоположную действию внешней силы.
    Появление в теле внутренних сил необходимо для уравновешивания внешних сил. Взаимно уравновешиваться эти силы могут только при действии на абсолютно твердые тела. Поскольку таких тел в природе нет, то при действии внешней силы металлическое тело испытывает деформацию. Деформация осуществляется до тех пор, пока между внешними и внутренними силами не наступит равновесие.
    Внутренние силы могут возникать также при различных физических и физико-химических процессах, а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и т. п., например при неравномерном нагреве и, как результат препятствия, неравномерном изменении формы тела в каком-либо направлении.
    Металлы могут деформироваться упруго (обратимо) и остаточно (необратимо). При упругой деформации металл полностью восстанавливает форму и размеры после прекращения действия сил, вызвавших эту деформацию.
    Сущность упругой деформации состоит в следующем. При нормальных условиях между атомами металлического тела действуют электростатические уравновешивающие силы притяжения и отталкивания. Такому положению равновесия отвечает минимум потенциальной энергии кристаллической решетки (рис. 1.4аЕсли приложить к такому телу внешнюю силу (рис. 1.46), то равновесие внутренних сил нарушается. Для восстановления равновесия атомы из положения устойчивого равновесия незначительно смещаются в близлежащие положения, не превышающие расстояния между соседними атомами (параметра решетки), т. е. с < 2a. При этом потенциальная энергия решетки увеличивается.

Рис. 1.4. Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под действием упругих напряжений: а — ненапряженная кристаллическая решетка металла; 6 — упругая деформация; в, г — хрупкое разрушение в результате отрыва