Стыковая сварка — методы и технология процесса

Брак и швейные дефекты

Самый частый дефект в работе новичка – кривой шов с неровным заполнением. Такая картина – результат неравномерного ведения электрода, он буквально пляшет в руках юного мастера. Здесь вам понадобятся упорство и труд: с опытом все это проходит без следа.

Непровар – недостаточное заполнение металлом стыка деталей. Его нужно исправлять, так как речь идет о прочности соединения.

В каких случаях появляется непровар:

• Некачественная обработка (или отсутствие таковой) кромок поверхностей;
• Слишком слабая сила тока;
• Слишком быстрое движение электрода.

Подрез – ненужная канавка вдоль шва. Диагноз простой, это выбор слишком длинной дуги. Лечение тоже понятное: либо дугу покороче, либо силу тока побольше.

Прожог – банальная дырка в шве по следующим причинам:

• Широкий зазор между краями;
• Слишком большая сила тока;
• Низкая скорость движения электрода

И здесь ищем оптимальное соотношение трех составляющих: тока, ширины зазора, движения электрода.

Поры и наплывы – множественные отверстия малого размера. Это критический дефект, влияющий на прочность соединения.

Причины:

• Грязь и ржавчина на металле;
• Попадание кислорода к расплавленному металлу (при сквозняке);
• Некачественная обработка кромок;
• Электроды низкого качества;
• Использование присадочных проволок;

Трещины – серьезные нарушения целостности швов. Появляются после остывания металла и по своей сути являются предвестниками разрушения самого шва. В данном случае спасет только новая сварка или полное удаление старого шва и повторное накладывание нового.

Контактная стыковая сварка оплавлением

Популярная технология стыковой сварки оплавлением характеризируется особенностями подачи  напряжения на обмотку сварочного аппарата. Ток подается до момента контакта свариваемых элементов. Кромки металлических соединяемых деталей должны быть разогреты и слегка оплавлены еще до момента их касания друг с другом.

В процессе такого нагрева возникают многочисленные микроразрывы на атомном уровне, появляются соединения металла, которые защищают кромки деталей от негативного воздействия кислорода. На кромках металлических изделий образуется жидкий металл, после чего элементы соединяют друг с другом, сдавливают и такой разогретый металл соединяется на молекулярном уровне.

Особенностью и преимуществом сварки оплавлением является тот факт, что возможное загрязнение окисла на кромках свариваемых элементов в процессе работы выдавливаются в град, а сварной контакт образуется чистыми свежими поверхностями. Поэтому какой-либо существенной обработки и подготовки торцы свариваемых элементов при использовании данной технологии не требуют.

При необходимости соединения крупногабаритных деталей, например рельсов или труб может использоваться так называемая сварка оплавлением с частичным предварительным прогревом. При данной технологии соединяемые элементы сводят друг с другом, предварительно выполнив их качественные нагрев.

Между такими нагретыми сведенными деталями возникает контакт с образованием жидкого металла и его паров. После чего элементы разводят, а тепло, выделяемое в зоне контакта, прогревает ближайшие участки металлических элементов. После этого детали снова сводят, качественно прогревают и соединяют друг с другом с необходимым давлением. В результате обеспечивается качественное соединение крупногабаритных деталей.

Машины для контактной стыковой сварки

подразделяются
по виду сварки. Это машины для сварки сопротивлением и оплавлением. Также
они делятся по роду тока, по своему назначению и другим признакам.

На рисунке представлена схема универсальной машины для стыковой контактной
сварки. Основными узлами машины являются станина 8, сварочный трансформатор
9, вторичный контур 10, подвижный 4 и неподвижный 11 плит, токопроводящие губки
3 для зажима деталей, зажимных цилиндров 1 и 2, привода подачи 5, направляющих
6 и блока системы управления 7. На практике чаще всего используются машины переменного
тока.

Кроме этого, для сварки деталей определённого сортамента применяют специализированные
машины. Например, существуют машины специально для сварки ленточных пил, для
сварки цепей, для сварки железнодорожных рельсов, которая может выполняться
как непосредственно на путях, так и в стационарных условиях.

Контактная сварка труб диаметром не более 1 м выполняется на стационарных и
передвижных установках в полевых условиях. Для сварки труб большого диаметра,
превышающего 1,4 м, используются специальные сварочные комплексы с машинами,
которые вводятся внутрь трубы.

В приборостроении и радиоэлектронике используют конденсаторные машины, позволяющие
сваривать малые детали с размерами до 1-2 мм. Существуют также и машины постоянного
тока, на пример, для сварки оплавлением тонкостенных титановых деталей или для
сварки сопротивлением цепей.

Некоторые советы по сварке различных соединений

Можно ли новичку самостоятельно научиться накладывать качественные швы? Да, без сомнений. В некоторых источниках присутствует слово «с легкостью». Легкости лучше не обещать, потому что сварка никогда не была легким и безопасным процессом. Но определить последовательные и выполнимые шаги вполне возможно самостоятельно.

Для дебютантов лучше всего подойдет электрическая дуговая сварка. Самый оптимальный вариант – начинать учиться под присмотром опытного наставника. Но если такой возможности нет, в сети огромное количество видеороликов с показом всех действий и подробнейшими разъяснениями к ним.

Главный начальный этап – это грамотная подготовка нужного оборудования.

Вот что нужно подготовить для электрической дуговой сварки:

1. Сварное оборудование (разные типы);
2. Электроды с правильно подобранным диаметром (чрезвычайно важно!)
3. Молоток для зачистки остывшего шва;
4. Металлическая щетка для той же зачистки сварного участка
5. Маска, специальный световой фильтр.

Требования к одежде простые: она должна быть плотной, с длинными рукавами и перчатками. Пригодятся выпрямитель с трансформатором (особенно если оборудование старое).

Необходимое оборудование

Общие сведения

Стыковая сварка, это один из процессов сварки давлением. Она является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу её технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля — Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. Частным случаем стыковой сварки является стыковая конденсаторная сварка.

Основные способы контактной стыковой сварки разработаны в конце XIX века. В 1877 году в США Э. Томсон предложил стыковую сварку сопротивлением. В 1887 году русский изобретатель Н.Н.Бенардос запатентовал способы точечной и позднее шовной контактной сварки между угольными электродами.

Позднее эти способы, усовершенствованные применением электродов из меди и её сплавов, стали наиболее широко распространёнными способами контактной сварки. Современные способы контактной сварки весьма разнообразны. Основными из них являются: точечная, рельефная, шовная, стыковая сварка сопротивлением и стыковая сварка оплавлением.

Контактная сварка — термомеханический процесс образования неразъемного соединения металлов вследствие сцепления их атомов, при котором локальный нагрев свариваемых деталей протекающим электрическим током в зоне соединения сопровождается пластической деформацией, развивающейся под действием сжимающего усилия.

Межатомные связи при этом возникают в твердой фазе или через жидкую прослойку расплавленного металла и сохраняются после охлаждения и кристаллизации. Стыковая сварка – способ контактной сварки, когда детали соединяются в процессе совместной пластической деформации нагретых электрическим током торцов деталей при осадке по всей площади сечения.

Нагрев деталей при стыковой сварке происходит благодаря тому, что через них проходит электрический ток Iсв и на общем электрическом сопротивлении деталей R выделяется тепло Q (закон Джоуля – Ленца): Q = Iсв2R/t , (1) где: t – время сварки.

Общее сопротивление деталей определяется выражением: R = 2Rд Rк, (2) где: Rд – сопротивление деталей (вылетов деталей из электродов машины); Rk — контактное сопротивление между деталями (при сварке оплавлением Rk – электрическое сопротивление искрового зазора).

Сопротивление деталей 2Rд зависит от удельного электрического сопротивления металла ρ, длины их вылетов из электродов машины (установочной длины под сварку) Lсв и площади поперечного сечения деталей S: 2Rд = Kп ρLсв/S , (3) где:

Кп – коэффициент поверхностного эффекта (заметно растет до температуры ферромагнитного превращения). По методу нагрева различают два способа сварки — контактная стыковая сварка сопротивлением и контактная стыковая сварка оплавлением. По состоянию металла в зоне сварки они относятся к сварке в твердой фазе, хотя в отдельных случаях, особенно при сварке оплавлением, сварное соединение формируется в твердо – жидком состоянии.

Рекомендуемое

Примечание.
Минимальное значение катета не должно превышать 1,2 толщины более
тонкого элемента.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендуемое

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рекомендуемое

(Введено
дополнительно, Изм. №1).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ДАННЫЕ

1. УТВЕРЖДЕН И
ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по
стандартам от 24.07.80 № 3827

2. Срок проверки
1990 г. Периодичность проверки 5 лет

3. Взамен ГОСТ
5264-69

4. ССЫЛОЧНЫЕ
НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ
(март 1993 г.) с Изменением №1, утвержденным в январе 1989 г. (ИУС
4-89)

6. Срок действия
продлен до 01.07.96 (Постановлением Госстандарта СССР от 03.05.90 №
1079)

Свариваемые материалы и требования к конструкциям

Контактная стыковая сварка сопротивлением в большинстве случаев применяется
для сваривания
низкоуглеродистых сталей, сварки медной и алюминиевой проволоки. Также есть
положительные результаты о сваривании пар разнородных материалов, таких как
меди с фехралем, стали или чугуна с медью и алюминием.

При помощи контактной стыковой сварки оплавлением можно получать качественные
соединения между всеми конструкционными металлами от сварки
алюминиевых сплавов, до сварки жаропрочных сталей и титановых
сплавов.

степень
деформации при сварке. Схемы подготовки деталей к сварке представлены на
рисунке выше. Форма торцов деталей должна предохранять их от окисления и деформации,
для этого выполняют кольцевой выступ при сварке сопротивлением, сферу, либо
конус ( схема б на рисунке). Заготовки устанавливают в токопроводящие зажимы
сварочной машины. Габариты обоих торцов не должны различаться более, чем на
15% по диаметрам и 10% по толщине.

Сравниваем, оцениваем

Из вышеперечисленных вариантов самыми надежным и экономичным считается стыковой способ сварки. По действующим нагрузкам они практически равны целым элементам, которые не подвергались сварке, иными словами – основному материалу. Естественно, такая прочность достигается только при адекватном качестве работ.

Вместе с тем нужно помнить, что надежность и экономичность способа не означает простоту его исполнения. Требования к обработке краев, подгонка множества факторов под условия конкретной сварки, определенные ограничения в применении из-за формы – все это требует жесткой профессиональной дисциплины.

Тавровые соединения (включая угловые) тоже довольно популярны. Особенно часто их используют при сварке массивных конструкций.

Самые простые для исполнения – соединения внахлест. В них не требуется обработка кромок, общая подготовка тоже намного проще. Очень популярны в сварке листов небольшой толщины (допускается толщина до 60 мм). Простота не означает экономичности: перерасход наплавленного и основного металлов – обычная для таких вариантов ситуация.

Стыковая сварка пластиковых труб

Стыковая сварка пластиковых труб имеет несколько отличную технологию от стыковой электросварки и это связано, прежде всего, с тем, что пластиковый материал не пропускает через себя электрический ток, поэтому торцы таких труб, как правило, нагревают специальными контактными нагревательными элементами. В остальном процесс соединения расплавленных поверхностей, а затем затвердевание полимеров и кристаллизация металла, в общих чертах схож.
Сущность процесса стыковой сварки пластиковых труб достаточно проста и заключается:

• в торцевании свариваемых поверхностей для ровного прилегания при начале сжатия торцов труб;
• в разогреве до температуры плавления торцов труб в нагревательном элементе, как правило, для этого применяют специальной округлой формы электронагреватели;
• в последующем сжатии оплавленных торцов пластиковых труб с небольшим усилием и остыванием до полного затвердевания полимера.

Хоть процесс по стыковой сварке небольших ПВХ-труб до 100 мм в диаметре доступен для самостоятельного выполнения в домашних условиях при помощи старого электроутюга, но все-таки для этого необходим пусть небольшой опыт и определенные навыки, а лучше всего воспользоваться специализированными аппаратами стыковой сварки для пластиковых труб.

Имейте в виду! Пластиковые трубы, сделанные из разных марок пластика и различных по составу полимеров, не свариваются между собой с помощью стыковой сварки.

Угловые соединения

В некоторых источниках угловые швы при сварке описываются как часть тавровых. Их описать так же легко, как тавровые: угловой профиль напоминает букву «Г», а в ГОСТе 5264-80 они обозначаются с начальной буквой «У»: от У1 до У10.

При кажущейся простоте в сварке углового соединения иногда возникают трудности: металл стекает с угла или вертикальной поверхности на горизонтальную. Решение такой проблемы – контроль движения электрода, чтобы соблюдать правильные углы его наклона, и чтобы это движение было ровным. В этом случае вы получите качественный ровно заполненный шов.

Отличным способом качественной угловой варки является метод, получивший название «сварка в лодочку»: детали расположены друг к другу под прямым углом, длина швов 8 мм и больше.

Если сварка угловых соединений включает листы металла разной толщины – тонкий и толстый – электрод должен быть расположен к более толстой детали под углом 60 градусов, чтобы больше прогрева пришлось на нее. Тогда тонкий металл не прогорит.

Сварка угловых швов предусматривает выполнение правил геометрии сварочных соединений.

Главные геометрические критерии следующие:

• Ширина – зазор между краями сплавления металлов;
• Изогнутость – зазор в точке максимальной вогнутости;
• Выпуклость – зазор в точке максимальной выпуклости;
• Корень стыка – самая далекая от профиля грань (фактическая изнанка)

Сварка углового шва будет самой оптимальной при вогнутой форме уровня. Это объясняется риском неполной проварки угловых швов корня на всю толщину. Если говорить о самом прочном варианте из всех возможных, нужно помнить о множестве разнообразных факторов.

Основные нормы электросварки на величину шва:

• Напряжение тока дуги;
• Темп работы;
• Величина сечения проволоки;
• Величина, плотность, полярность напряжения.

Например, при увеличении силы тока увеличивается глубина провара (размер не меняется). Но в то время, когда дуга усиливается, шов расширяется и, как следствие, падает глубина провара.

Если уменьшается размер сечения сварной проволоки, ток в проводе усиливается, глубина провара увеличивается, а сам шов уменьшается в размерах. Примеров оптимального сочетания факторов сварки много. Все виды сварных соединений содержат главное требование – не нарушать технологии выполнения, заранее планировать и рассчитывать величины всех вводимых параметров.

Швы внахлест

Соединения внахлест: поверхности параллельны друг другу, частично перекрывают друг друга, сварены угловым способом. Это самые простые для исполнения швы – отличный старт для обучения новичков.

Все типы сварных швов внахлест имеют строгое ограничение по толщине листового металла – он должен быть не больше 8 мм. Здесь важно найти правильный угол наклона электрода – диапазон от 15 до 45 градусов. В ГОСТе соединения внахлест условно обозначены как H1 и H2.

При работе с двумя заготовками часто используется односторонняя точеная сварка, у которой отмечается серьезный недостаток: между деталями формируются зазоры. Влага, коррозия становятся главными врагами при таком способе. Результат такого рода дефектов описывается одним словом – недолговечность.

Тем не менее, соединения внахлест имеют очень широкое применение, вот несколько таких примеров:

• Установка легких конструкций типа павильонов или ларьков;
• Установка рекламных щитов и других конструкций;
• Сборка тентов, навесов.

Швы встык

Виды сварных соединений включают как очень популярные способы, так и редкие. Стыковые способы можно отнести к высокой популярности: они используются при сварке листового металла или торцов труб. Принципиальное требование для стыкового способа – жесткая фиксация соединяемых деталей с зазором 1 – 2 мм, который заполняется металлом по ходу процесса сварки.

Важнейший «стыковой» вопрос – края деталей, которые будут плавиться и соединяться. Вернее, способ обработки этих краев. Стыковое соединение считается одним из самых надежных и экономичных с точки зрения прочности. Особенно это касается случаев, когда варят с обеих сторон.

Вот некоторые примеры:

1. Если лист металла тонкий – меньше 4 мм, предварительная обработка не требуется, это семейство с условными обозначениями С1, С2, С3.
2. Если толщина листа в пределах 4 – 12 мм, шов можно варить как с одной, так и с двух сторон. Но в этом случае необходима обработка края зачисткой. Здесь все зависит от требований к качеству сварки. Если вы решили варить с одной стороны, вам придется делать несколько проходов для заполнения шва. Если требуется высокое качество – зачищать и варить нужно с двух сторон. Зачистки бывают в виде V или U. Вариантов множество, все перечислены в ГОСТе, например, условные обозначения С28, С42.
3. Если металлический лист толще 12 мм, применяются только двойные швы с обработкой краев с обеих сторон в виде буквы Х. V или U формы зачистки кромок при большой толщине невыгодны: потребуется слишком много металла для их заполнения. А это снижает скорость процесса и повышает расход электродов. Условные обозначения С27, С39, С40.

Нет нужды излагать в данном обзоре все возможные способы сварки металлов дуговым методом в зависимости от толщины листов и способов обработки краев, лучше ГОСТа 5264-80 никто этого не сделает. Поэтому самым правильным решением будет сослаться на него и рекомендовать этот прекрасный образец технической инструкции для тщательного изучения.

Если коротко по ГОСТу, стыковое семейство делится на:

• Односторонние и двусторонние без обработки кромок;
• С обработкой одной из кромок;
• С обработкой обеих кромок;
• Распилкой в виде V или X;
• С двусторонней обработкой обеих кромок.

Швы по положению в пространстве

Следующий критерий классификации – положение поверхностей в пространстве. Таких положений четыре:

1. Нижние швы
2. Горизонтальные
3. Вертикальные
4. Потолочные

Если бы можно было выбирать, опытные мастера выбрали бы сварку в нижнем положении. Это самый удобный способ, к тому же лучше контролируется сварочная ванна. Подходящий способ для дебютных работ новичков – здесь практически не встречаются сложности. Зато три остальных пространственных варианта сопряжены с техническими нюансами и специальными требованиями к исполнению.

В сварке в горизонтальном положении главной проблемой выступает сила тяжести – из-за нее металл попросту сползает вниз. Такие соединения можно варить как справа налево, так и слева направо, кому как удобно. Но правило использования электрода одно на всех: угол его наклона должен быть достаточно большим. Конечно, при подборе угла нужно учитывать параметры тока и скорость движения, все взаимосвязано.

Подбирайте, пробуйте, главное – чтобы ванна не стремилась вниз. Если металл все-таки стекает, нужно уменьшить его прогрев – это можно сделать, увеличив скорость движения. Второй вариант – отрывать периодически дугу, чтобы металл хоть чуть-чуть остывал. Метод с отрывом дуги больше подходит новичкам

В вертикальных соединениях та же проблема – сила тяжести, но здесь вниз стремится не вся ванна, а капли металла. Обычно в таких случаях берут дугу покороче. Шов варить можно в любом направлении. В Регламенте аттестации сварщиков РД 03-495-02 эти варианты обозначаются как «положение при сварке В1» – вертикальное снизу-вверх (этот способ удобнее).

Потолочное соединение – самое сложное в подгруппе, для которого понадобится настоящее мастерство. В положении электрода нет никаких других вариантов – держать только под прямым углом к потолку. Дугу взять покороче, скорость круговых движения должна быть постоянной.

Выделение газов и шлаков в данном случае затруднено, расплав трудно удержать от стекания. Даже если мастерство на должном уровне, и все технологические требования выполнены верно, потолочный способ уступает по прочности и общему качеству сварочным швам во всех других положениях.