Сварка. Книга 2: Практика и технология

Вторым критическим приёмом является увеличение скорости сварки до максимально возможной: электрод ведётся быстро, с минимальной длиной дуги, буквально «чиркая» по поверхности, чтобы дуга не успевала перегреть металл в одной точке; при этом угол наклона выбирается углом вперёд, распределяя тепло перед ванной и предотвращая концентрацию энергии в корне шва. Зазор между кромками при сборке тонкого металла должен быть минимальным или отсутствовать вовсе, ибо любой зазор немедленно приводит к прожогу; если зазор неизбежен, под стык подкладывается медная или стальная подкладка, отводящая избыточное тепло и поддерживающая ванну от проваливания. Коробление тонких листов предотвращается предварительным закреплением в струбцинах на массивной плите, служащей теплоотводом, и применением обратноступенчатого метода сварки, при котором шов накладывается сегментами длиной пятьдесят — сто миллиметров вразбежку, от середины к краям, с паузами на охлаждение между сегментами.

Третий приём — использование импульсного режима, если источник питания его поддерживает: некоторые современные инверторы имеют функцию импульсной сварки для MMA, при которой ток модулируется между высоким и низким значением, снижая среднее тепловложение и позволяя варить тонкий металл более стабильно, чем на постоянном токе; однако эта функция эффективна только на аппаратах среднего и высокого класса, тогда как бюджетные инверторы с заявленным импульсным режимом часто имитируют его формально, не давая реального преимущества. В отсутствие импульсного режима и при невозможности снизить ток ниже сорока ампер единственным надёжным методом остаётся переход на полуавтоматическую сварку в защитных газах, где тепловложение контролируется точнее, и сварка листа толщиной один миллиметр становится рутинной операцией, а не испытанием мастерства.

3.4. Вертикальные и потолочные швы: борьба с гравитацией

Сварка в вертикальном и потолочном положениях переводит ручную дуговую сварку из разряда ремесла в разряд искусства, ибо здесь сварщик вступает в прямое противоборство с силой тяжести, стремящейся вырвать расплавленный металл из зоны дуги и превратить аккуратный шов в бесформенный натёк шлака и металла. Успех в этих положениях определяется не столько мощностью аппарата, сколько способностью оператора управлять размером ванны, длиной дуги и ритмом движений, и именно здесь проявляется разница между механическим исполнителем и мастером, чувствующим поведение металла.

Вертикальный шов выполняется снизу вверх, и это направление является единственно правильным для большинства ответственных конструкций, ибо при движении сверху вниз ванна стекает под дугу, опережая её и создавая непровар в корне, тогда как при движении снизу вверх дуга постоянно находится под ванной, подпирая её давлением и не давая металлу стекать. Ток для вертикального шва снижается на десять — пятнадцать процентов относительно нижнего положения, диаметр электрода не превышает трёх — четырёх миллиметров, а длина дуги удерживается минимальной — не более половины диаметра электрода, чтобы давление дуги эффективно противодействовало силе тяжести. Техника ведения включает поперечные колебания малого размаха — полумесяцем, треугольником или зигзагом, — при которых электрод задерживается на краях шва для сплавления с кромками и быстрого прохождения через центр для предотвращения перегрева; ритм колебаний должен быть таким, чтобы каждый новый валик накладывался на ещё не остывший предыдущий, обеспечивая монолитность шва без холодных слоёв.

Альтернативная техника вертикальной сварки — «лесенка» или «ёлочка», при которой электрод движется по траектории, напоминающей ступени: короткое горизонтальное движение вправо с задержкой на кромке, диагональный возврат влево-вверх, короткое горизонтальное движение влево с задержкой, диагональный возврат вправо-вверх; эта техника обеспечивает отличное сплавление с обеими кромками и равномерную чешуйчатость, но требует значительной практики для поддержания ритма и симметрии. Для особо ответственных вертикальных швов применяется метод «точка-тире»: короткое касание с образованием точки, затем быстрое движение вверх на пять — десять миллиметров без отрыва дуги, затем новое касание; этот метод даёт максимальный контроль над тепловложением и формой валика, но крайне трудоёмок и применяется преимущественно при сварке трубопроводов и конструкций, подлежащих рентгеновскому контролю.

Потолочный шов — вершина сложности ручной дуговой сварки, ибо здесь ванна удерживается исключительно силами поверхностного натяжения и давлением дуги, и любое превышение тока или замедление скорости приводит к мгновенному падению металла и шлака на маску и руки сварщика. Ток для потолочного шва снижается на пятнадцать — двадцать процентов относительно нижнего положения, диаметр электрода не превышает трёх миллиметров, а дуга удерживается предельно короткой, буквально «впритирку» к изделию. Техника ведения — исключительно струнная, без поперечных колебаний, с быстрым и равномерным движением электрода; любые колебания на потолке увеличивают размер ванны и риск её обрушения. Электрод ведётся с небольшим наклоном углом назад, чтобы давление дуги было направлено строго вверх, в корень шва, подпирая ванну; скорость движения подбирается такой, чтобы каждый сантиметр шва кристаллизовался прежде, чем дуга перейдёт к следующему сантиметру, и паузы недопустимы, ибо остановка дуги означает немедленное падение ванны.

Защита сварщика при потолочной сварке требует особого внимания: брызги и капли шлака летят строго вниз, и обычная маска с наголовником недостаточна — необходима глухая защита шеи и груди, огнестойкий костюм без складок, в которые могут попасть раскалённые частицы, и спилковые краги с удлинённой манжетой, закрывающей предплечье. Рабочее место организуется так, чтобы сварщик мог работать с минимальным напряжением рук и шеи, ибо усталость при потолочной сварке наступает быстро и ведёт к потере контроля над дугой; часто применяются подмости, зеркала для контроля шва и принудительная вентиляция, отводящая дым в сторону от лица, поскольку при потолочном положении дым поднимается прямо в зону дыхания.

3.5. Типичные дефекты швов: причины и устранение

Контроль качества сварного соединения начинается не после завершения работы, а в процессе её выполнения, и умение распознавать дефекты по внешнему виду шва, звуку дуги и поведению ванны является важнейшим навыком сварщика, позволяющим корректировать режим до того, как дефект станет неустранимым. Все дефекты ручной дуговой сварки делятся на наружные, видимые невооружённым глазом, и внутренние, выявляемые методами неразрушающего контроля, и большинство внутренних дефектов имеет внешние предвестники, которые опытный оператор замечает и устраняет в реальном времени.

Пористость шва — наличие газовых пузырей в металле шва — проявляется внешне в виде мелких отверстий на поверхности валика и внутренне в виде снижения плотности и прочности соединения; причинами пористости являются влага в покрытии электрода, загрязнение кромок маслом, ржавчиной или краской, слишком длинная дуга, допускающая подсос воздуха в зону защиты, и чрезмерная скорость сварки, при которой газы не успевают выйти из ванны до кристаллизации. Устранение пористости начинается с прокалки электродов согласно требованиям главы о хранении расходных материалов, тщательной зачистки кромок до металлического блеска на ширину не менее двадцати миллиметров, укорочения дуги до половины диаметра электрода и снижения скорости сварки до значения, при котором ванна успевает «прокипеть» и выделить газы; если пористость сохраняется после этих мер, проверяется влажность окружающей среды и наличие сквозняков, срывающих газовую защиту дуги.

Непровар — отсутствие сплавления между основным металлом и наплавленным или между слоями многослойного шва — является наиболее опасным дефектом, ибо создаёт концентратор напряжений и снижает несущую способность соединения в разы; внешне непровар проявляется в виде прямолинейной тёмной полосы в корне шва или по кромкам, а внутренне выявляется ультразвуком или рентгеном как сплошная щель. Причинами непровара являются заниженный сварочный ток, чрезмерная скорость сварки, слишком длинная дуга, неправильный угол наклона электрода, не обеспечивающий доступа дуги в корень стыка, и недостаточная разделка кромок, не дающая дуге достичь корня. Устранение непровара требует увеличения тока до верхней границы диапазона для данного диаметра электрода, снижения скорости сварки, укорочения дуги, изменения угла наклона на «угол назад» для концентрации тепла в корне и, при необходимости, увеличения угла разделки кромок или зазора в корне стыка; если непровар обнаружен в уже выполненном шве, дефектный участок полностью удаляется механическим способом — вырубка зубилом или вышлифовка лепестковым кругом, — и шов переваривается заново с исправленным режимом.

Подрез — канавка вдоль края шва в основном металле — ослабляет сечение детали и служит очагом усталостных трещин при циклических нагрузках; внешне подрез виден как тёмная линия вдоль границы валика, и его причинами являются завышенный сварочный ток, чрезмерная скорость сварки, слишком длинная дуга и неправильная техника поперечных колебаний, при которой электрод не задерживается на краях шва для заполнения кратера. Устранение подреза достигается снижением тока на десять — пятнадцать ампер, уменьшением скорости сварки, укорочением дуги и изменением техники колебаний с обязательной задержкой на краях шва на одну — две секунды для сплавления и заполнения кратера; при сварке угловых швов подрез по вертикальной полке устраняется изменением угла наклона электрода на сорок пять градусов к обеим поверхностям и смещением дуги на горизонтальную полку, которая требует больше тепла для плавления.

Наплывы и натёки — излишки наплавленного металла, не сплавленные с основным металлом — возникают при сварке в вертикальном и потолочном положениях из-за завышенного тока, низкой скорости сварки и неправильного угла наклона, при котором ванна опережает дугу; внешне наплывы выглядят как грубые, неровные валики, нависающие над основным металлом, и они не только ухудшают внешний вид, но и создают концентраторы напряжений. Устранение наплывов требует снижения тока, увеличения скорости сварки, изменения угла наклона на «угол назад» для поддержки ванны давлением дуги и, при необходимости, перехода на электрод меньшего диаметра для уменьшения размера ванны; уже образовавшиеся наплывы удаляются механически — зачистным диском или лепестковым кругом, — после чего шов доваривается с исправленным режимом.

Трещины — горячие, возникающие при кристаллизации, и холодные, появляющиеся после остывания шва — являются наиболее серьёзным дефектом, требующим полного удаления шва и пересмотра технологии сварки; горячие трещины вызваны высоким содержанием серы и фосфора в металле, чрезмерным тепловложением и жёстким закреплением конструкции, не дающим усадки, тогда как холодные трещины обусловлены водородом, попавшим в шов из влажного электрода или загрязнённых кромок, и закалочными структурами в зоне термического влияния при сварке средне- и высокоуглеродистых сталей без предварительного подогрева. Устранение трещин начинается с обязательного удаления всего дефектного участка шва на длину не менее пятидесяти миллиметров в обе стороны от видимой трещины, ибо микротрещины распространяются дальше видимой зоны; после удаления производится повторная сварка с применением прокаленных основных электродов, предварительным подогревом изделия до ста пятидесяти — трёхсот градусов Цельсия для среднеуглеродистых сталей, снижением тепловложения за счёт уменьшения тока и увеличения скорости, а также применением обратноступенчатого метода для снижения остаточных напряжений.

Глава 4. Полуавтоматическая сварка (MIG/MAG)

4.1. Настройка подачи проволоки и напряжения: баланс двух параметров

Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в защитных газах, обозначаемая аббревиатурами MIG для инертных газов и MAG для активных, является наиболее производительным и универсальным процессом, доминирующим в промышленности, авторемонте и строительстве металлоконструкций, и её освоение требует понимания фундаментального отличия от ручной дуговой сварки: если в MMA сварщик управляет током и длиной дуги одновременно через скорость подачи электрода рукой, то в полуавтомате эти параметры разделены между двумя независимыми регулировками источника питания — скоростью подачи проволоки и напряжением дуги, и именно баланс между ними определяет качество шва, стабильность переноса металла и количество разбрызгивания.

Скорость подачи проволоки является главным параметром, определяющим сварочный ток: чем быстрее подаётся проволока, тем выше ток, необходимый для её плавления, и тем больше тепловложение в изделие; эта зависимость практически линейна для данного диаметра проволоки и вылета электрода, и именно по скорости подачи оператор задаёт производительность процесса. Напряжение дуги, в свою очередь, определяет длину дуги и форму переноса металла: при низком напряжении дуга короткая, жёсткая, с частыми короткими замыканиями и глубоким проплавлением, при высоком — длинная, мягкая, с мелкокапельным переносом и широким, но мелким швом. Баланс между подачей и напряжением критичен: если подать слишком много проволоки при заданном напряжении, проволока не успевает плавиться, упирается в ванну и вызывает частые короткие замыкания с хлопками, брызгами и нестабильной дугой; если подать слишком мало при высоком напряжении, дуга становится чрезмерно длинной, металл переносится крупными каплями с обильным разбрызгиванием, и шов получается широким, плоским и пористым из-за подсоса воздуха в зону защиты.

Настройка полуавтомата начинается с выбора скорости подачи под толщину металла и диаметр проволоки: для листа толщиной один — два миллиметра и проволоки нуля целых восьми десятых миллиметра скорость устанавливается в диапазоне от трёх до пяти метров в минуту, что соответствует току от восьмидесяти до ста двадцати ампер; для металла три — шесть миллиметров и проволоки один миллиметр — от шести до десяти метров в минуту при токе от ста пятидесяти до двухсот двадцати ампер; для толстого металла и проволоки одной целой двух десятых миллиметра — от десяти до четырнадцати метров в минуту при токе свыше двухсот ампер. После установки подачи напряжение подбирается эмпирически по звуку дуги и визуальному контролю за переносом: правильная настройка даёт ровное, спокойное шипение, напоминающее звук жарящегося бекона, с минимальным разбрызгиванием и стабильной формой валика; слишком высокое напряжение проявляется свистящим звуком и обильными брызгами по краям шва, слишком низкое — треском, частыми залипаниями проволоки и неровным, выпуклым валиком с подрезами.

Вылет электрода — расстояние от торца токосъёмного наконечника до поверхности изделия — является третьим критическим параметром, который оператор контролирует в процессе работы и который напрямую влияет на эффективный ток и стабильность дуги; стандартный вылет составляет от восьми до пятнадцати миллиметров для стальной проволоки и от двенадцати до двадцати миллиметров для алюминиевой, и его увеличение сверх нормы приводит к падению тока из-за нагрева проволоки, нестабильности дуги и ухудшению газовой защиты, тогда как чрезмерно короткий вылет вызывает перегрев наконечника, его оплавление и залипание проволоки. Поддержание постоянного вылета в процессе сварки требует твёрдой руки и визуального контроля, и именно этот навык отличает опытного оператора полуавтомата от новичка, который ведёт горелку хаотично, меняя вылет от пяти до тридцати миллиметров и получая соответственно нестабильный шов с чередованием непроваров и прожогов.

4.2. Режимы переноса металла: капельный, струйный и короткой дугой

Перенос расплавленного металла от торца проволоки в сварочную ванну в полуавтоматической сварке осуществляется тремя основными механизмами, выбор которого определяется режимом сварки, составом защитного газа и требуемым качеством шва, и понимание этих механизмов позволяет оператору осознанно выбирать параметры под конкретную задачу, а не действовать методом проб и ошибок.

Короткозамкнутый перенос, или перенос короткой дугой, является наиболее распространённым режимом для сварки тонкого металла и работы во всех пространственных положениях; он возникает при низких скоростях подачи и умеренном напряжении, когда капля металла на торце проволоки растёт до тех пор, пока не коснётся поверхности ванны, происходит короткое замыкание, ток резко возрастает, электромагнитные силы сжимают шейку капли и отрывают её, после чего дуга зажигается вновь, и этот цикл повторяется с частотой от двадцати до двухсот раз в секунду. Короткозамкнутый перенос обеспечивает минимальное тепловложение, ибо основное тепло выделяется в фазе горения дуги, а в момент короткого замыкания ток хотя и высок, но продолжительность контакта мала, что позволяет варить лист толщиной от одного миллиметра без прожогов и формировать швы в вертикальном и потолочном положениях, где другие виды переноса невозможны из-за стекания ванны; однако этот режим сопровождается характерным треском и умеренным разбрызгиванием, которое снижается при правильной настройке индуктивности источника питания, сглаживающей пиковые токи замыкания и делающей отрыв капли более плавным.

Струйный перенос возникает при высоких скоростях подачи и повышенном напряжении в среде защитных газов с высоким содержанием аргона; металл переходит в ванну в виде мельчайших капель, движущихся с большой скоростью вдоль оси дуги без коротких замыканий, что обеспечивает ровный, плотный шов с минимальным разбрызгиванием, глубоким проплавлением и высокой производительностью, и является основным режимом для сварки толстого металла в нижнем и горизонтальном положениях. Струйный перенос требует токов выше определённого порога — так называемого критического тока, который для стальной проволоки диаметром один миллиметр составляет около двухсот двадцати ампер, для одной целой двух десятых миллиметра — около двухсот семидесяти ампер, и ниже этого порога струйный перенос невозможен, а дуга работает в режиме крупнокапельного переноса с обильным разбрызгиванием; в чистом углекислом газе струйный перенос практически не достигается из-за физических свойств дуги в CO2, и для его реализации необходимы смеси аргона с углекислым газом, содержащие не менее восьмидесяти процентов аргона.

Крупнокапельный перенос — промежуточный режим между короткозамкнутым и струйным, возникающий при токах ниже критического в смесях с высоким содержанием аргона или при сварке в углекислом газе на средних токах; металл переносится крупными каплями, которые отрываются от торца проволоки под действием силы тяжести и электромагнитных сил, и этот режим сопровождается значительным разбрызгиванием, неровным швом и нестабильной дугой, поэтому применяется редко, преимущественно при сварке в углекислом газе, где другие режимы недоступны, и оператор мирится с брызгами ради экономии на защитном газе. Управление крупнокапельным переносом требует поддержания короткой дуги и высокой скорости сварки, чтобы капли не успевали остывать и образовывать наплывы, и даже при оптимальной настройке качество шва уступает короткозамкнутому и струйному переносам.

Выбор режима переноса диктуется задачей: для тонкого металла и пространственных положений — короткозамкнутый перенос с низкой подачей и умеренным напряжением; для толстого металла в нижнем положении с требованиями к производительности и качеству — струйный перенос в смесях аргона с углекислым газом на токах выше критического; для бюджетных работ на конструкционных сталях, где качество шва вторично, а стоимость газа критична — крупнокапельный перенос в чистом углекислом газе с принятием неизбежного разбрызгивания и последующей зачистки.

4.3. Сварка в углекислоте и в смесях: влияние газа на шов

Защитный газ в полуавтоматической сварке является не просто средой, вытесняющей воздух из зоны дуги, но активным участником металлургического процесса, определяющим форму проплавления, количество разбрызгивания, механические свойства шва и экономику процесса, и выбор между чистым углекислым газом и смесями аргона с углекислотой является одним из ключевых решений, принимаемых сварщиком или технологом перед началом работ.