1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Газопрессовая сварка относится к способам сварки металла в пластическом состоянии (рис. 59). Место сварки нагревают много­пламенной горелкой до температуры перехода металла в пластиче­ское состояние или до оплавления, а затем свариваемые элементы сжимают внешним усилием, действующим по их оси; при этом про­исходит сваривание.

Нагревательное пламя может быть направлено перпендикулярно внешней поверхности деталей в зазор между их торцами или пер­пендикулярно торцам.

Существуют разновидности газопрессовой сварки: в пластичес­ком состоянии и с оплавлением торцов свариваемых деталей. Сварку

5 Евсеев Г. Б<

в пластическом состоянии выполняют: а) с постоянным давлением сжатия, которое снимается после достижения заданной величины осадки; б) с переменным давлением сжатия и сваривания при до­стижении заданной температуры нагрева. При втором способе детали первоначально сжимают небольшим осевым усилием, на­гревают до установленной температуры сваривания, а затем усилие сжатия повышают до максимальной величины, и детали свариваются при достижении установленной величины осадки.

Сварка с оплавлением осуществляется путем нагрева пламенем, направляемым в зазор между торцами деталей; после начала оплав­ления торцов детали сжимают и они свариваются, а жидкий шлак в виде грата выдавливается наружу из стыка.

При сварке с оплавлением требуется большая мощность пла­мени, чем при сварке в пластическом состоянии, но зато этот спо­соб не требует предварительной обработки и подгонки кромок, а качество сварного соединения получается более высоким.

Основные преимущества газопрессовой сварки: высокая произ­водительность; механизация процесса; относительная простота тех­нологии сварки; низкая стоимость; несложность сварочного обо­рудования; отсутствие потребности в мощных источниках электро­энергии для сварки и автономность действия сварочных установок, что позволяет применять их в полевых условиях; высокое качество соединений встык стержней любой формы и труб; возможность достаточно быстро подготовлять операторов-сварщиков для выпол­нения сварки деталей определенного сортамента.

В настоящее время газопрессовая сварка имеет преимуществен­ное применение при ремонте деталей подвижного состава на желез­нодорожном транспорте.

Для газопрессовой сварки применяют специальные станки, оснащенные устройствами для закрепления свариваемых деталей, механизмом для их сжатия при сварке и нагревательными много­пламенными горелками, форма и размеры головок которых соот­ветствуют профилю и размерам поперечного сечения свариваемых элементов. Сварочная установка оснащается устройствами для газопитания.

Горелки — многосопловые разъемные, снабжены водяным ох­лаждением камер, в которые ввернуты сопла. В зависимости от мощности горелки могут иметь один или два ствола. Применяют инжекторные и безынжекгорные горелки.

На рис. 60 показана одноствольная кольцевая горелка серии КГ для нагрева и сварки труб диаметром 30—170 мм с толщиной стенки 3—14 мм и круглых стержней диаметром 30—120 мм. Мощность горелки может изменяться от 0,75 до 15 м3/ч ацетилена. Удельный расход ацетилена при сварке труб 2 дм3/ч на 1 мм2 поперечного сечения стыка Изменяя давление кислорода перед горелкой в пре­делах 0,2—0,5 МПа (2—5 кгс/см2), можно изменять режим (скорость) нагрева стыка. Расход охлаждающей воды 0,05 дм3 на 1 дм3 ацети­лена. Расстояние между осями сопл, ввернутых в камеры головки горелки, составляет 6—7 мм. Диаметр кольцевой головки выбирают в соответствии с диаметром свариваемых труб и стержней.

Разработаны и применяются также полукольцевые горелки серии ПКГ, конструкция которых показана на рис. 61. Их используют дня сварки труб диаметром 174—299 мм с толщиной стенки 7—14 мм, они имеют мощность 7,5—25 м3/ч ацетилена. Каждая полукольце - вая горелка имеет свой ствол, что позволяет обеспечивать повы­шенную мощность нагревательного пламени.

Станки различных типов разработаны для газопрессовой сварки с осадочным давлением, определяемым максимальным сечением свариваемых деталей. Для зажатия свариваемых элементов и осадки используют ручной, пневматический и гидравлический способы.

Станки с ручным приводом для зажатия и осадки используют только для сварки деталей с поперечным сечением до 1000 мм2. Усилие, необходимое для зажатия деталей, должно примерно в 2 раза превышать усилие для осадки. Для сварки более крупных деталей с площадью поперечного сечения 1000—6000 мм2 приме­няют станки с ручным или пневматическим способом зажатия и пневмоприводом для осадки. Еще более крупные станки имеют гидравлическую систему для зажатия и осадки деталей при сварке. Горелка в процессе сварки перемещается вдоль оси свариваемых деталей ручным или механическим приводом, в обе стороны от места сварки.

На рис. 62 в качестве примера показан станок МГСП 15/160-53 конструкции ВНИИАВТОГЕНМАШа, предназначенный для сварки труб и стержней на машиностроительных заводах и стройплощадках.

На раме 1 укреплены зажимы 2 (подвижный) и 4 (неподвижный), между которыми расположена горелка 3. Станок имеет пневмати­ческий мембранный силовой привод 6, расположенный в нижней части рамы. Рычаги 5 и 7передают усилие от мембранного привода к зажимам 2 и 4. Маховички 8 и 9 служат для центрирования сва­риваемых деталей.

В пространство между дву мя двойными мембранами привода 6 подается воздух давлением до 0,6 МПа (G кгс/см2) с помощью пяш - позиционного распределительного пневмокрана 10. Раздвигаясь,

мембраны действхют на рычаги 5и 7, а те передают усилие зажимам 2 и 4, вследствие чего происходит сначала зажатие деталей, а Зспеч (при дальнейшем л оде мембран) осадка вследствие перемещения подвижного суппорта с зажимом 2 в горизонтальном направлении.

Станок снабжен пультом управления, пневмоту рбиньлн для про­дольного колебательного перемещения горелки, автсматижскпм ограничителем величины осадки, обдувочным устроисіьом для охлаждения зажимов (автоматически включающимся при заллчании юрелки), сдвоенным газовым рубильником для кислорода и аце­тилена. Станок позволяеі осуществлять сварку при величине оса­дочных давлений 20—40 МН/м2 (2—4 кге/мм2). При сварке труб

диаметром 159 мм и толщиной стенки 8 мм расход воздуха на один стык 0,35 м[8], ацетилена 0,15 м3, кислорода 0,15 м3, воды 7 дмз^ продолжительность нагрева стыка 80 с.

Автоматизация станков для газопрессовой сварки обеспечивает постоянство качества сварки и повышает механические свойства сварных соединений. Наиболее совершенным является способ авто­матизации процесса сварки по величине осадки, заранее задавае­мой для данных условий сварки.

Для низкоуглеродистой стали должно быть равно при сварке труб (2,0—3,5 кгс/мм2), сплошных сечений 15—25 МН/м2 (1,^—2^ кгс/мм2). При сварке труб из низколегированной стали давление осадки выбирают равным 50—60 МН/м2 (5—6 кгс/мм2) ^ит сварке труб из хромоникелевой аустенитной стали типа

Х18Н10Т - 100-120 МН/м2 (10-12 кгс/мм2).

Величина осадки при сварке труб а — (1,0 4- l,3)s, при сварке сплошных стержней. а — 0,3d (s — толщина стенки трубы, d ~ диаметр стержня). При недостаточной величине осадки прочность сварного соединения снижается вследствие неполного удаления пленки окислов металла из зоны сварки.

Тепловая мощность пламени, необходимая для прогрева стыка^ при сварке труб составляет 1,8—2,2 дм3/ч - мм2, при сварке стержней сплошного сечения 1,0—2,5 дм3/ч-мм2 ацетилена. Для уменьшения окисления металла в стыке пламя горелки должно - иметь избыток ацетилена 5—8% т. е. состав смеси Р0 - 1/1,05 ч - 1,08. Эта выз­вано тем, что при газопрессовой сварке восстановительная газовая среда в зоне сварки может быть обеспечена только при достаточном удалении концов ядер пламени от поверхности металла. Эго воз­можно лишь при некотором избытке ацетилена в газовой смеси.

Газопрессовая сварка характеризуется применением равномер­ного и постепенного нагрева, надежной защитой нагреваемого ме­талла факелом пламени от действия кислорода воздуха, однород­ностью металла в месте сваривания, применением последующей механической и термической обработки. Это обусловливает полу­чение высоких прочностных свойств сварного соединения, времен­ное сопротивление которого при правильном выполнении сварки, как правило, бывает выше, чем у свариваемого металла. Пластич­ность сварных стыков после проведения проковки и нормализации не ниже пластичности основного металла. При испытании на виб­рационную нагрузку пределы выносливости для сварных образцов и образцов из основного металла почти одинаковые.

Микроструктура сварного соединения имеет однородное стро­ение. При недостаточно удачном сочетании давления осадки, вре­мени сварки и температуры нагрева в месте шва появляется светлая ферритная полоска. Для предупреждения появления ферритной полоски при сварке в пластическом состоянии рекомендуется пред­варительно сплавлять кромки стыка по периметру, после чего производить последующий нагрев стыка до температуры свари­вания.

Сварка в пластическом состоянии. Для обеспечения равномерного нагрева всего сечения стыка кромки свариваемых деталей скаши­вают под углом 6—15°. При сварке труб с толщиной стенки 3,5—8,0 мм угол скоса равен 10—15°. Это обеспечивает хороший провар всей толщины стенки трубы и предупреждает образование значи­тельного утолщения стенки на внутренней поверхности трубы.

Торцы кромок необходимо тщательно очищать от ржавчины, окалины, масла, краски и прочих загрязнений. Свариваемые детали

должны быть возможно точнее сцентрированы относительно друг друга; несовпадение кромок не должно превышать 1,0—1,5 мм.

Для нагревания применяют пламя с избытком ацетилена до 8%, так как окислительное пламя вызывает появление пленки окислов в стыке, что снижает его прочность. Слишком большой избыток ацетилена также вреден — происходит науглероживание свариваемого металла и повышение его хрупкости. При нагреве концы ядер пламени многопламенной горелки должны быть уда­лены на одинаковое расстояние от поверхности детали. В зависи­мости от мощности пламени горелки это расстояние составляет 8—20 мм. Нагрев должен быть равномерным по всей поверхности стыка.

Практически всегда нижняя сторона стыка нагревается сильнее верхней, поэтому горелку несколько опускают, приближая на 1—2 мм верхние пламена к поверхности стыка.

Свариваемые детали центрируют, надежно зажимают в губках станка и подвергают предварительному сжатию. Необходимую величину осадки устанавливают заранее. Затем зажигают пламена горелки, регулируют их, обеспечивают правильное положение пламен относительно поверхностей свариваемых деталей и начи­нают нагрев стыка. По мере нагревания кромки сжатых деталей деформируются, и тогда горелкой совершают колебательные дви­жения (одно-два движения в секунду) в обе стороны от стыка на 10—12 мм, равномерно прогревая металл около шва.

При нагреве до белого каления и появления тонкой пленки плавящегося металла детали сжимают до заданной величины осадки. Затем горелку гасят, стык охлаждают в спокойном воздухе. После охлаждения стык подвергают нормализации нагревом той же горелкой до температуры 850—900° С с последующим охлажде­нием на воздухе.

Наиболее частый дефект газопрессовой сварки — непровар в стыке вследствие недостаточной температуры нагрева и неравно­мерного распределения теплоты по всему сечению стыка, а также недостаточной величины осадочного давления. При неточном цент­рировании деталей происходят взаимное смещение и перекос сва­риваемых стержней, полос или труб. Посторонние включения в стыке вследствие попадания в него ржавчины, окалины и загряз­нений также вызывают непровар и снижают прочность сварки. При слишком продолжительном нагреве возможны перегрев металла, рост зерна в околошовной зоне и, как следствие, понижение пла­стичности и ударной вязкости сварного соединения. Перегрев можно устранить последующей нормализацией места сварки. Пламя с избытком кислорода приводит к появлению в шве большого коли­чества включений, окислов и ‘снижению прочности соединения.

Сварка оплавлением. При сварке этим способом на оплавление и усадку при сварке дается припуск 15—20 мм. Концы не требуют тщательной подготовки и могут быть обрезаны с помощью кисло­родной резки. Остатки шлака и окислов после резки удаляют

зубилом, проволочной щеткой или наждачным камнем. Стержни сближают до соприкосновения, зажигают и регулируют характер и положение пламен горелки, а затем начинают нагрев стыка. Сверху стыка пламя несколько приближают к поверхности. Во время нагрева стыка горелку перемещают вправо и влево на расстояния, равные диаметру свариваемой детали. Вначале число колебаний равно 20—25, а в конце — 50—60 в минуту.

По достижении температуры нагрева 1100—1200° С (оранжево­желтый цвет) стержни раздвигают на 15—20 мм, направляют пламе­на в образовавшийся зазор и оплавляют торцы стержней. При этом вместе с жидким металлом с поверхности торцов стекают шлаки, послё чего, не отводя горелки, стержни сжимают с удельным усилием сжатия 30—35 МН/м" (3—3,5 кгс/мм2). Сжатие прекра­щают после достижения заданной величины усадки.

Для повышения пластичности и ударной вязкости металла место сварки вновь нагревают до температуры 1150° С, срубают утолще­ние (грат), затем место сварки проковывают до заданного размера. Если это предусмотрено техническими условиями, то проводят термообработку стыка (нормализацию, отжиг) по заданному режиму для данной марки стали.