При сварке оплавлением подача газа в зону соединения может преследовать две цели: защиту оплавляемых поверхностей от окисления, а в более общем случае и от взаимодействия с азотом воздуха, или, как это иногда применяется при сварке встык труб, удаление из зазора между оплавляемыми торцами частиц металла для уменьшения внутреннего грата и соответственно увеличения проходного отверстия в стыке. Естественно, что и во втором слу­чае используемый газ должен обладать защитными свойствами.

Если газ применяется только для защиты, его расход обычно невелик и зависит от условий надежного вытеснения воздуха из зоны соединения. При этом газ, омывающий нагреваемые по­верхности с небольшой скоростью, не отбирает от них заметного количества тепла; охлаждающим действием такого потока газа можно пренебречь. Иначе обстоит дело при использовании газа для борьбы с гратом. Скорость газового потока в зазоре между оплавляемыми торцами должна значительно превышать скорость частиц металла, приобретаемую ими при взрыве перемычек (см. §2, гл. V) и достигающую 60 м/сек. При такой скорости частиц металла для эффективного выбрасывания основной их массы из зазора скорость газа, по-видимому, должна превышать 100—150 м/сек. В результате этого расход газа очень велик (например, при сварке с продувкой при оплавлении труб диаметром 32—38 мм он дости­гает 200—250 л/мин) и газовый поток уносит большое количество тепла, что необходимо учитывать при установлении режимов сварки.

Рассмотрим сварку оплавлением с газовой защитой сталей сначала с использованием газа только для защиты. Если не стре­миться к предупреждению окисления в процессе сварки, а доби­ваться только конечного результата — получения соединения, 224

I — без подачи газовой смеси; 2—с подаче» воздуха; 3,4 и 5—с подачей смеси,
содержащей 30; 45 и 70% кислорода

свободного от окислов, то в отдельных случаях можно использо­вать разработанный В. К. Лебедевым и С. П. Кучуком-Яценко способ сварки с подачей в зазор между оплавляемыми торцами сжатого воздуха или воздушно-кислородной смеси [98]. При ог­раниченном объеме газа даже продувка воздухом, не обогащенным кислородом, ускоряет нагрев оплавляемых деталей за счет интен­сификации экзотермических окислительных реакций.

Так, при оплавлении труб размером 108x5 мм из низкоугле­родистой стали с подачей до 1,25 л! сек газа температура вблизи оплавляе­мой поверхности в случае продувки воздухом была приблизительно на 50°, а при продувке смесью, содер­жащей 70% 02, почти на 120° выше, чем при оплавлении без продувки (рис. 150). При расходе газа 2,3 л/сек интенсификация нагрева становилась менее заметной. Дальнейшее увели­чение расхода воздуха, в частности при попытке использовать его для борьбы с гратом, ведет к потере тепла большей, чем его выигрыш в резуль­тате интенсификации реакции окис­ления, и продувка воздухом в этих условиях не ускоряет нагрев, а, на­оборот, его замедляет (рис. 151).

При оплавлении труб диаметром 32 мм подача газа с расходом А л! сек

15 А. С. Гельман

уже приводит к практически одинаковому тепловому эффекту вне зависимости от того, используется ли окислительный газ (воз­дух) или мало взаимодействующий с металлом азот [45]. При сопоставлении результатов этих опытов с данными работы [98] следует учитывать, что при сварке труб диаметром 32 мм скорость истечения газа через зазор при одинаковом его расходе была втрое больше, чем при сварке труб диаметром 108 мм. Понижение интен­сивности нагрева при большой скорости газа в зазоре, вероятно связано не только с теплоотдачей, но и с уменьшением длитель­ности существования контактных перемычек, разрушение кото­рых может быть ускорено быстрым потоком газа [92].

При малом расходе воздуха или воздушно-кислородной смеси существенна не только интенсификация нагрева, но и повышение его равномерности в результате равномерного распределения по торцам источников тепла, обусловленных химическим взаимо­действием газа с металлом.

Продувка воздухом или воздушно-кислородной смесью в прин­ципе возможна при сварке оплавлением сталей, образующих легко­плавкие окислы (вюстит), удаление которых в жидком состоянии не представляет особых затруднений. Однако, как только создаются условия для значительного охлаждения отдельных участков оплав­ленных торцов в ходе осадки, на них появляется окисленный феррит (рис. 152), могущий понизить пластичность соединений. С увеличением скорости продуваемого воздуха степень окисления 226

металла в стыке растет и в соединении появляются обособленные окисные включения, вкрапленные в окисленный феррит. При этом ударная вязкость соединения составляет 3,7 кГм! смг при удар­ной вязкости стыков, сваренных без следов окисления, в сред­нем, 11,0 кГм/см2.

Как правило, при сварке оплавлением стальных деталей небольшого сечения, а также листов и тонкостенных труб удается получить соединения, свободные от дефектов, связанных с окис­лением, и без применения специальной защиты за счет рациональ­ного технологического режима. С увеличением сечения деталей, а при сварке труб — с повышением толщины их стенки осущест­вление таких режимов затрудняется особенно при сварке леги­рованных сталей, и приходится прибегать к защите. Если защитный газ служит только для предупреждения окисления, его расход невелик. При малом расходе и длительном пребывании газа в кон­такте с горячим металлом (сварка оплавлением деталей большого сечения и в том числе толстостенных труб продолжается десятки, а иногда и сотни секунд) в нем успевают достаточно полно пройти химические процессы и газ приближается к термодинамическому равновесию.

Процессы взаимодействия нагретого металла с горячими га­зами также идут намного интенсивнее, чем при подаче большого количества практически холодного газа, как, например, при сварке оплавлением с продувкой. Значительно более высокая температура металла при сварке оплавлением по сравнению с его температурой в случае сварки в твердом состоянии (сопротивлением или с на­гревом т. в. ч.) также способствует интенсификации взаимодей­ствия защитного газа с металлом в зоне сварки. В частности, при защите природным газом, малоэффективным при сварке без оп­лавления, когда требуется добавка ацетилена, в случае сварки оплавлением уже возможно науглероживание стали.

При сварке толстостенных труб из перлитных сталей защит­ную среду можно создать, помещая в свариваемые трубы вблизи от их торцов специальные прессованные брикеты или тампоны, смоченные бензином или обезвоженным спиртом. В частности, хорошими защитными свойствами обладают продукты, выделяе­мые брикетами следующего состава: древесный уголь — 100 вес. ч., нашатырь — 30 вес. ч. и плавиковый шпат —- 9 вес. ч. 1361. При сжигании древесного угля с ограниченным поступлением воз­духа выделяется много СО и Н2, а также некоторое количество газов-окислителей. Нашатырь при температуре выше 350° С возгоняется и диссоциирует на НС1 и аммиак, который при даль­нейшем нагреве распадается на азот и водород. Плавиковый шпат при нагреве брикета не выделяет газов, но служит связующим, уменьшающим опасность рассыпания брикета. Состав газа при оплавлении труб из стали 20ХЗМЕФ размером 172 х25 мм с такими брикетами приведен в табл. 33 136].

По мере разогрева брикета и металла содержание в защитной среде газов-восстановителей и ее науглероживающая способность повышаются. Сварка производилась оплавлением с подогревом, причем подогрев продолжался 210 сек, а оплавление всего 20 сек. Таким образом, вторая проба была взята в начале оплавления. Следует иметь в виду, что с момента отбора пробы до получения результатов анализа газ остывал, что сопровождалось некоторым изменением его состава. Наличие в газе большого количества СО приводило к тому, что даже в условиях сварки оплавлением с бри­кетами труб небольшого сечения (например, труб размером 38 X X 4 мм), когда процесс длится всего 10—12 сек, в стыке наблюда­лось науглероживание. При этом иногда из-за недостаточной про­сушки брикетов и высокой влажности выделяемого газа в наугле - роженном слое появлялись отдельные участки окисленного фер­рита.

Следует отметить, что ни наличие в стыке узкой науглерожен - ной зоны, ни появление в ней отдельных разобщенных участков окисленного феррита заметно не влияют на свойства соединения. Даже при жесткой схеме испытания на ударный изгиб разрушение происходило не по линии стыка (рис. 153). Существенный недоста­ток брикетов — возможность попадания в стык твердых включе­ний в результате механического повреждения брикета.

При сварке толстостенных труб из легированных перлитных сталей хорошие результаты дала предложенная Н. С. Кабано­вым защита продуктами разложения бензина [71]. Для ее осуще­ствления концы труб перед сваркой на расстоянии около 100 мм от стыка забивали шлако-ватой, а внутрь заглушенных концов закладывали тампоны из шлако-ваты, смоченные в бензине. Его расход при сварке трубы сечением 15 000 мм2 составлял около 300 г. В результате разложения паров бензина создавалась вос- становительно-науглероживающая среда.

Вопросы газовой защиты при сварке высоколегированных ста­лей недостаточно разработаны. Во всяком случае, непосредствен­ное использование для этой цели защитных сред, опробованных на сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей, часто не дает положительных результатов. Например, защита продук-
тами разложения бензина, успешно примененная при сварке стали с 3% Сг, уже на стали с 7% Сг и 0,8% Si ока­залась неэффективной.

При сварке с продувкой газом для предупреждения образования значительного грата требуется большой рас­ход газа, обеспечивающий необходимую скорость его истечении через зазор между оплавляемыми торцами. Воз­дух или воздушно-кислород­ная смесь неприемлемы при сварке особо ответственных соединений (в частности, сты­ков труб-поверхностей нагре­ва котельных агрегатов) из-за возможного окисления от­дельных участков соединения.

При сварке труб из низ­коуглеродистой и низколеги­рованных сталей хорошие результаты дает продувка азотом высокой чистоты (99,995% N2) или азотно-во­дородной смесью, содержащей около 12% Н2. Продувка тех­ническим азотом (до 0,5% О 2) ухудшает пластичность со­единений в результате заме­тного окисления металла.

Так, при сварке в идентичных условиях труб размером 32 X 4 мм из стали 20 с продувкой техническим азотом и азотом высокой чистоты минимальная ударная вязкость образцов с надрезом в пло­скости стыка составляла 4,8 и 7,2 кГмісм2 при среднем значении ан як 10 кГм/см2. При продувке воздухом среднее значение удар­ной вязкости понижалось до 5,7 кГмісм2.

Продувка азотом при сварке труб из низкоуглеродистой и низ­колегированной сталей не ведет к заметному их обогащению азотом. Нитриды не были обнаружены в стыке металлографически после специальной термической обработки (нагрев до 550 С в течение 3 ч, охлаждение со скоростью 10° С/ч). В результате такой терми­ческой обработки ударная вязкость соединений даже повышалась, очевидно, как следствие отпуска (на трубах из стали 12Х1МФ, в среднем, с 9,2 до 12,7 кГмісм8 [45]).

Практически важно, что при сварке с защитой соединения высокого качества получаются с осадкой значительно меньшей, чем при сварке таких же труб, но без защиты. Например, при сварке с продувкой азотом высокой чистоты труб из стали 12Х1МФ размером 32x4 мм с осадкой всего на 2,5 мм все образцы (80 шт.) загнулись на 180° без дефектов; ударная вязкость (на 19 нестандартных образцах сечением 10 X 4 мм) равнялась

—2о 8 ‘ к* м'см - При сварке без продувки такое качество соеди­нений достигалось только при осадке на 5 мм. Малая осадка уве­личивает проходное отверстие в стыке при сварке с продувкой.

Хотя при сварке оплавлением требования к чистоте и степени осушки защитного газа менее жесткие, чем в случае сварки без оплавления, высокое содержание в нем кислорода и других газов - окислителей может давать неблагоприятный эффект. В частности, не дала положительных результатов попытка использования для продувки при оплавлении технического азота: в стыках появлялся окисленный феррит и понижалась пластичность соединений (из 100 образцов, сваренных с продувкой азотом высокой чистоты и техническим азотом, загнулись на 180° без дефектов в первом случае все, а во втором только 93 образца) [451.

Сопоставление полученных данных с результатами испытания образцов, вырезанных из труб, сваренных сопротивлением в атмо­сфере азота с различной степенью очистки и осушки, подтверждает, что при сварке оплавлением наличие в защитной среде газов-окис­лителей сказывается на качестве соединений меньше, чем при сварке без оплавления. Тем не менее значительное загрязнение защитной среды и при сварке оплавлением недопустимо. В част­ности, должно быть исключено попадание в зону сварки влаги из ржавчины, не удаленной с поверхности труб, их концы в зоне на­грева должны быть тщательно очищены.

Исследования по сварке с продувкой труб из высоколегиро­ванных сталей очень ограничены Стали с содержанием 12% Сг можно сваривать с продувкой азотом высокой чистоты. Для аусте­нитных сталей это неприемлемо, что подтверждено, в частности, исследованием изломов стыков [441. В стыке труб из стали Х18Н12Т, сваренных с продувкой чистым азотом, в изломе име­лись участки желтоватого цвета, на которых были обнаружены окисные включения (см. рис. 113, б и в.). Пути защиты стыков при сварке аустенитных сталей следует искать в применении смесей, содержащих газы-восстановители, способные и к наугле­роживанию металла.

Выбор защитной среды при сварке оплавлением цветных ме­таллов определяется характером их взаимодействия с газами. Так титан, энергично взаимодействующий со всеми обычными двухатом­ными газами и углеродом, должен свариваться в инертном газе. Мо­либден иногда сваривают в среде малорастворимого в нем водорода.