Сварка при низких температурах
При низких температурах работоспособность стали и ее сварных соединений ухудшается: повышается твердость, временное сопротивление, предел текучести и усталости, снижаются пластичность и ударная вязкость.
Показателем работоспособности стали при низкой температуре является критическая температура хрупкости- такая температура, при которой наблюдается резкое снижение ударной вязкости. Чем ниже эта температура, тем надежнее работает сталь при низкой температуре. У строителей сталей, применяемых для изготовления несущих конструкций, нормируется величина ударной вязкости при низких температурах. У сталей марок ВСт3пс и ВСт3сп ударная вязкость при температуре минус 20 °С должна быть не ниже 29Дж/см2, у низколегированной стали 16ГС такая же величина ударной вязкости 29 Дж/см2 должна быть при температуре минус 40 °С, а у стали 09Г2С, 15ХСНД и др. - при температуре минус 70 °С. У некоторых сталей, например ВСт3кп, плохо раскисленной, критическая температура хрупкости не нормируется, так как она наступает от 0 до -20 °С. Поэтому такую сталь применяют ограниченно для вспомогательных конструкций, работающих на спокойную статическую нагрузку в климатических районах с температурой не ниже минус 30 °С.
Влияние низкой температуры
Низкие температуры оказывают существенное влияние на процесс сварки. Скорость охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны с понижением температуры сварки повышается, в результате чего увеличивается насыщение металла газовыми и шлаковыми включениями, неуспевшими всплыть на поверхность и перейти в шлак.
Повышенный отвод тепла от сварочной ванны и увеличение содержания в ней газов (водорода, кислорода и др.) могут привести к образованию горячих и холодных трещин в сварном соединении. Кроме того, ухудшается проплавление охлажденного металла и увеличивается возможность образования непроваров. На кромках свариваемого металла и на электродах возможна конденсация малозаметной влаги, что также приведет к увеличению содержания водорода в наплавленном металле.
С понижением температуры сталь становятся все более чувствительной к концентраторам напряжений; ими могут быть мельчайшие внутренние и внешние дефекты наплавленного металла, которые в условиях отрицательных температур могут привести к образованию трещин. Еще большее влияние на образование трещин могут оказать более значительные концентраторы напряжений, такие, как резкие изменения сечений элементов сварного соединения, сосредоточение сварных швов, резкие переходы от наплавленного к основному металлу, незаверенные кратеры, прерывистые швы, замкнутые контуры сварных швов и др. В условиях низких температур сварщик должен уделять повышенное внимание правильному ведению процесса сварки.
Свариваемые материалы
Для обеспечения работоспособности сварных соединений при низких температурах должна быть выбрана при проектировании и изготовлении сварных строительных конструкций сталь, имеющая достаточно низкий температурный интервал хрупкости. Это правило подбора стали для изготовления конструкций, работающих в различных климатических районах нашей страны, предусмотрено в СНиП II-23-81* «Стальные конструкции». Нормами установлено, что конструкции, предназначенные для районов с низкой температурой, должны свариваться электродами Э42А, Э46А (низкоуглеродистые стали) и Э46А, Э50А, Э60 и Э70 (низколегированные стали), электродами с покрытием основного типа, обеспечивающими высокую ударную вязкость наплавленного металла при низкой температуре. Большое значение для повышения качества сварных соединений имеет их рациональное конструирование, исключающее замкнутые контуры, близкое расположение швов, резкое изменение сечений (рис. 22.1), применение прерывистых швов, скопление швов и других конструктивных форм, вызывающих концентрацию напряжений.
Сборка конструкций и их элементов под сварку в условиях отрицательных температур должна выполняться без применения ударов и холодной правки металла.
Рис. 22.1. Примеры нерациональных конструкций, вызывающих концентрацию напряжений и разрушение при низкой температуре а - приварка тонкой полосы; б - расстояние между швами (стрелками показаны места концентрации напряжений)
В случае необходимости металл правят с применением подогрева. Кантовать собранные под сварку конструкции следует с большой осторожностью, не допуская ударов при поворачивании.
Особое внимание должно быть уделено очистке кромок, подлежащих сварке, от снега, инея, льда и использованию качественных, хорошо прокаленных электродов. Электроды и сварочную проволоку для аргонодуговой сварки следует хранить в отапливаемом складе при температуре не менее 15 °С.
Режимы и процесс с варки
Для сварки следует применять постоянный ток обратной полярности. Особенно необходимо обеспечить хороший провар кромок, не допускать дефекты шва в виде непроваров, пористости, шлаковых включений, резких переходов от основного к наплавленному металлу, поверхностных дефектов - наплывов и вмятин. Зачищать корень шва перед подваркой и удалять дефектные места следует вышлифовкой или воздушно-дуговой и кислородной выплавкой, не допуская применения вырубки зубилом во избежание образования трещин. Наиболее действенной мерой, предупреждающей образование дефектов при сварке на морозе, является предварительный подогрев. СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» установил порядок его применения. В конструкциях, возводимых или эксплуатируемых при температуре ниже минус 40 °С, удаление дефектных мест и расчистка корня шва вышлифовкой или выплавкой разрешаются только после подогрева сварного соединения до темпера на длину 90-150 мм от стыка. Подогрев осуществляют газовым пламенем после закрепления на стыках инвентарных форм, стальных изогнутых или круглых накладок. Сварочный ток увеличивают по сравнению с расчетным на 1 % при понижении температуры на каждые 3°С от 0°С. Сварка допускается до температуры не ниже - 30 °С, а при более низкой температуре (до -50 °С) нужна специальная технология (сварка в тепляке и др.). При ванной сварке скорость охлаждения выполненных стыков необходимо снижать путем обмотки их асбестом. Асбест и инвентарные формы можно снимать только после остывания шва до 100 °С и ниже.
При ручной аргонодуговой сварке трубопроводов в условиях низких температур должны выполняться такие же требования предварительного подогрева, как при сварке покрытыми электродами.
Некоторые металлы, например алюминий, медь и др., а также хромоникелевые аустенитные стали типа 08Х18Н10Т хорошо работают при самых низких отрицательных температурах, так как критический температурный интервал хрупкости у них практически отсутствует или чрезвычайно низок. Эти металлы могут свариваться при низких температурах без подогрева.
Сварка при низких температурах
Обычно сварочные работы стараются проводить летом или весной. Однако как быть, если выполнение сварки необходимо при отрицательных температурах? Еще несколько лет назад представить себе работы со сваркой холодной осенью или зимой было невозможно, сегодня же, благодаря современному оборудованию — это реальность. Итак, давайте разберемся, чем сварка на морозе отличается от сварки летом, как низкая температура влияет на качество сварки, а также каких правил стоит придерживаться, чтобы выполнить работы безопасно и качественно.
Влияние минусовой температуры на качество сварки
Работы по сварке в условиях низких температур требуют от мастера-сварщика не только навыков, но и особых знаний нагрева металла на морозе. Отметим, что сварочные работы при температуре не ниже минус 10°С можно проводить обычным способом. Однако более низкие температуры могут оказать влияние на качество швов, прочность соединений и даже работоспособность техники. Какие явления наблюдаются при сварке на холоде:
- Время жидкого состояние сварочной ванны сокращается на 10%, ударная вязкость стали ухудшается. Металл становится хрупким, быстрее остывает и кристаллизуется, растворенные газы не до конца выходят из сварочной ванны, и в швах возникают поры и трещины.
- Тепло от зоны сварки отводится интенсивнее. Кромки свариваемых элементов переплавляются хуже. Между металлом шва и основным материалом может не получиться качественного сплавления (непровар).
- Влага может попасть в зону сварки. Это снижает качество металла шва. Влага появляется в целом от холодного воздуха, инея, который образуется на свариваемых кромках, а также, если электроды долгое время были хранились на холоде.
Бытовые сварочные работы обычно проводят углеродистой сталью. Обратим внимание, что если соединяемые элементы имеют толщину не больше 16 миллиметров, с ними можно работать как при обычной сварке до минус 30°С. Если сталь низколегированная — до минус 15°С.
Интересный факт: сварочные работы возможны даже в открытом космосе, где температура составляет минус 273°С. Впервые работы в космосе провели в 1984 с помощью электронно-лучевой сварки.
Правила сварки при отрицательных температурах
Говоря о правилах сварки при отрицательных температурах, необходимо прежде обратить внимание на оборудование, с помощью которого проводят работы. Если на момент проведения сварки температура окружающего воздуха не ниже минус 10°С, для работы допустимо использовать стандартное сварочное оборудование. При температуре ниже минус 10°С лучше использовать специализированное оборудование для работы на холоде, профессиональное или полупрофессиональное. Его комплектуют элементами, которые устойчивы к низким температурам. Электроды, применяемые в работе, должны соответствовать стандартам и техническим условиям. У аппарата должны быть сертификат, где указан завод-производитель, обозначен тип, марка и диаметр, партия и дата изготовления.
Также для обеспечения безопасности и качества работы рекомендуем придерживаться основных правил сварки конструкций при низких температурах:
- Очищать от снега детали и место для сварки.
- Предварительно прогревать свариваемые металлы. Например, если работы проводятся при температуре воздуха минус 20°С, необходимо прогревать металл до 120-160°С. Эта рекомендация не относится к меди или алюминию, их можно сваривать без прогрева.
- При работе на открытом воздухе нужно применять постоянный электрический ток обратной полярности.
Стоит знать и частные правила:
- Не накладывать швы друг на друга, избегать стремительных переходов между металлами разной толщины.
- Начинать работу со стыковых швов.
- Сократить количество металла в жидком состоянии.
- При работе необходимо одновременно на 10-15% увеличивать ток сварки и снижать скорость перемещения электрода.
- Зачищать кромки элементов, которые были сварены.
- Заменить прихватки струбцинами или другими приспособлениями.
- Использовать электроды, которые обеспечивают пластичные швы: Э50А, Э46А или Э42А.
Дополнительное оборудование для сварки на холоде
Сварка зимой может проводится не только на открытом воздухе, но и в зданиях, в условиях промышленных предприятий: в цехах, на складах, площадках строительства и.т.д. Если это так — для качественной работы требуется обогреть помещение. Именно для этих целей может потребоваться дополнительно оборудование. Это может быть тепловая пушка или дизельные и газовые устройства. Для первого устройства потребуется подключение к электрической сети, для второго — регулярное поступление топлива.
Практически все модели оборудования для обогрева имеют похожие конструкцию и принцип работы. Они выполнены в форме цилиндра, имеют элемент для нагрева и вентилятор с большой мощностью. Холодный воздух проходит через аппарат и выходит теплым.
Чтобы выбрать оборудование необходимой мощности, учитывайте объем обогреваемого помещения. Обратите внимание, что для использовать газовые или дизельные устройства можно только в хорошо вентилируемых помещениях.
Резюме
Сварочные работы зимой возможны и могут быть выполнены качественно. Для проведения сварки на открытом воздухе при низкой при температуре необходимо правильно подобрать оборудование и следовать основным правилам. Так работы до минус 10°С могут быть произведены стандартными бытовыми инверторами. В более жестких условиях понадобятся специализированные аппараты и знание тонкости работы со сваркой в холоде.
Похожие статьи
Разбираемся в основных методах сварки
Наиболее распространенные методы сварки, использующиеся в бытовых и профессиональных целях — ММА, MIG/MAG и TIG.
Зима – не помеха для сварки
Сварочные работы уже давно не считаются привилегией исключительно профессионалов. В настоящее время такой способ соединения металлов активно используется и в быту. При этом все большую популярность приобретают сварочные инверторы. Это вполне объяснимо: они легкие, компактные, удобные в эксплуатации и обеспечивают отличное качество швов. Чаще всего сварочные работы проводятся в теплое время года. Можно ли делать это при отрицательных температурах? Попробуем разобраться.
Сварочные работы зимой
Влияние температуры на процесс сварки металлов
Низкие температуры действительно оказывают влияние на процесс сварки. Расплавленный металл остывает и кристаллизуется с большей скоростью. Это означает, что из сварочной ванны не успевают выйти все растворенные газы или перейти в шлак неметаллические включения. Подобная ситуация может привести к образованию трещин или пор в швах. Известна такая статистика: при понижении температуры с +20 °С до -50 °С время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии уменьшается на 10 %. Это, в свою очередь, приводит к тому, что половина из всех выявляемых дефектов относится именно к неметаллическим включениям.
При низких температурах повышается отвод тепла от зоны сварки. Это ухудшает проплавление кромок соединяемых элементов и может привести к образованию еще одного серьезного дефекта – непровара. Дополнительную опасность несет конденсация влаги на электродах или металле. Вода является источником водорода, который способствует образованию пор в швах. Кроме того, при низких температурах ухудшаются показатели пластичности сталей и механических свойств швов.
Все приведенные выше факты правдивы, но они в полной мере проявляются при экстремально низких температурах (от -40 °С и ниже). Бытовая сварка крайне редко требует работы в столь сложных условиях. Как правило, речь идет о температуре не ниже -10 °С. Дополнительно следует учитывать, что чаще всего для бытовых целей используются углеродистые стали. При толщине соединяемых элементов не более 16 мм работать с ними в обычном порядке можно до температуры -30 °С. Для низколегированных сталей этот показатель при той же толщине несколько меньше и составляет -15 °С.
Самая низкая температура поддерживается в открытом космическом пространстве. Она составляет -273 °С, но даже в таких условиях возможно выполнение сварочных работ. Впервые они были проведены в 1984 году советскими космонавтами С. Савицкой и В. Джанибековым. Для этой цели использовался специально созданный аппарат электронно-лучевой сварки.
Влияние температуры на сварочный инвертор
Низкие температуры могут влиять не только на металлы, но и на сварочные инверторы. Одним из главных врагов такой техники является влага. Ее появление внутри аппарата может привести к закорачиванию электронных компонентов и их выходу из строя. Низкие температуры при определенных условиях могут способствовать образованию конденсата в сварочных инверторах.
Точка росы
В этой связи важно вспомнить о понятии точка росы. Фактически это максимальная температура поверхности, при которой на ней появляется влага в виде конденсата. По-другому это утверждение можно перефразировать так: если поверхность холоднее точки росы, то конденсат на ней выпадет. Данная величина не является постоянной и напрямую зависит от влажности. Чем она выше, тем ближе точка росы к фактической температуре. Например, в душе при стопроцентной влажности зеркало запотевает при комнатной температуре. Обратная ситуация в герметичном оконном стеклопакете. Там влажность близка к нулю, поэтому конденсата не наблюдается никогда.
В сварочном инверторе влага может конденсироваться только в одном случае: если он постоял какое-то время на морозе, а затем попал в более теплое помещение. В такой ситуации его категорически запрещается использовать сразу. Инвертор должен постоять полтора-два часа, чтобы его температура сравнялась с температурой окружающей среды, а появившийся конденсат испарился. Если же аппарат из теплого помещения выносится на мороз, конденсат в нем образоваться не может и на работоспособности устройства это никак не отразится.
Как выполнять сварочные работы в морозы?
В целом сварочные работы при температуре не ниже -10 °С можно выполнять обычными бытовыми инверторами без каких-либо отрицательных последствий для качества швов, прочности соединений или работоспособности самой техники. При более сильных морозах следует использовать полупрофессиональные или профессиональные модели, специально предназначенные для эксплуатации при низких температурах. Они комплектуются электронными элементами, устойчивыми к холоду.
Дополнительно следует выделить несколько мероприятий, которые рекомендуется выполнять при проведении сварочных работ в зимний период:
- По возможности избегать пересечений сварных швов и резких переходов толщин металла.
- Сварочные работы начинать с швов, дающих максимальную усадку (стыковых).
- Минимизировать объем наплавленного металла.
- Во время работы сварочный ток увеличивать на 10-15 % и одновременно примерно на такую же величину уменьшать скорость перемещения электрода.
- По возможности начинать и заканчивать сварку на выводных планках.
- Тщательно зачищать кромки свариваемых элементов.
- Вместо прихваток использовать, например, струбцины или другие аналогичные приспособления.
- Применять не склонные к образованию пор типы электродов, обеспечивающие высокую пластичность швов: Э50А, Э46А или Э42А с основным покрытием. Перед использованием их необходимо тщательно прокалить.
Инверторы для сварки зимой
Влияние отрицательных температур на сварщика
Отрицательные температуры могут влиять не только на металлы или технику, но и непосредственно на сварщиков. Трудоспособность в таких условиях снижается, а значит, возрастает риск появления дефектов. Оптимальным способом избежать подобной ситуации является использование специальной зимней защитной одежды. Не меньшего внимания заслуживают сварочные маски.
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются «хамелеоны». Их главным элементом является светофильтр. Он состоит из нескольких слоев жидких кристаллов и поляризационных пленок. Светофильтр реагирует на интенсивность светового излучения и срабатывает автоматически. Для затемнения ему необходимо не более 0,001 секунды. Этого вполне достаточно для надежной защиты глаз от губительного воздействия ультрафиолетового излучения, возникающего во время сварки.
Время срабатывания светофильтра «хамелеона» увеличивается при уменьшении температуры окружающей среды. При -5 °С оно составляет уже не 0,001 с, а 0,005-0,009 с. Как правило, такие маски предназначены для использования при температуре не ниже -10 °С. В этом случае они гарантируют надежную защиту глаз. При более низких температурах светофильтр может попросту не успевать срабатывать.
Заключение
Таки образом, зима вовсе не является преградой для выполнения сварочных работ. При температуре до -10 °С для этой цели вполне подойдут обычные бытовые инверторы. Для организации сварочных работ в более сильные морозы необходимо приобретение специализированной техники.
При низких температурах получение сварных соединений высокого качества затрудняется. Сварка при низких температурах имеет свои особенности.
1. При низкой температуре снижается важнейший показатель механических свойств стали — ударная вязкость, сталь делается хрупкой. Это способствует возникновению в конструкциях больших остаточных напряжений, которые могут вызвать появление трещин в сварных соединениях в процессе сварки или при эксплуатации конструкции.
2. В процессе сварки повышается скорость охлаждения и кристаллизация жидкого металла сварочной ванны, что затрудняет удаление из него газов и неметаллических включений. Это увеличивает содержание в металле шва газов (кислород, водород, азот), окислов и частичек шлака. В результате снижаются механические показатели металла шва, а также увеличивается вероятность появления в нем трещин.
3. Повышенный отвод тепла от зоны сварки ухудшает проплавление кромок основного металла, что увеличивает вероятность получения серьезного дефекта сварных швов — непроваров.
4. Качество металла шва может быть снижено нз-за попадания в зону сварки влаги. Источником влаги служат: холодный окружающий воздух; иней на свариваемых кромках; электроды, длительное время хранившиеся на холоде.
Наибольшие трудности возникают при сварке на холоде сталей с повышенным содержанием углерода, а также сталей, легированных марганцем, хромом, молибденом. Такие стали склонны к за-
Калке и при быстром охлаждении в сварном соединении могут появиться трещины.
Сварку сталей при низких температурах следует выполнять с соблюдением ряда мероприятий, направленных на снижение остаточных сварочных напряжений и уменьшение степени закалки свар, ного соединения.
Основные из этих мероприятий:
1. По возможности защищать рабочее место сварщика от ветра и атмосферных осадков.
2. Обеспечить тщательную сборку конструкций под сварку. Свариваемые кромки тщательно зачищать.
3. Обеспечить максимальную свободу перемещения элементов конструкции от усадки швов, т. е. сборку конструкций выполнять при помощи приспособлений, по возможности избегая прихваток.
4. Применять электроды с хорошими технологическими свойствами, не склонные к образованию пор в наплавленном металле, обеспечивающие повышенную пластичность и ударную вязкость его. Для сварки при низких температурах предпочтительны электроды типов Э42А, Э46А, Э50А с основным покрытием. Электроды тщательно прокаливать. Прокаленные электроды хранить в герметичной таре, пеналах или в полиэтиленовой пленке.
5. Сварку вести при повышенной погонной энергии дуги за счет увеличения сварочного тока на 10—15% и уменьшения скорости перемещения дуги вдоль кромок.
6. В первую очередь сваривать швы, дающие максимальную усадку (например, поперечные стыковые швы). Начало и конец шва следует, как правило, выводить за пределы свариваемых конструкций на начальные и выводные планки.
7. Сварку вести до выполнения швов проектного размера без перерывов, за исключением времени, необходимого на смену электродов. В случае вынужденного перерыва сварку возобновлять после подогрева основного металла в соответствии с разработанным технологическим процессом.
8. Стремиться к максимальному уменьшению объема наплавленного металла. Избегать концентрации напряжений в виде чрезмерных усилий шва, резких переходов, пересечений швов, непроваров. Угловые швы выполнять с наименьшей выпуклостью. Сварку многослойных швов выполнять «каскадом», «горкой», секциями.
9. При сварке сталей, склонных к закалке, применять предварительный, сопутствующий, последующий подогрев.
Согласно СНиП III —18—75 ручную и механизированную сварку металлоконструкций из стали классов до С52/40 включительно при температурах, ниже указанных, следует производить с предварительным подогревом стали до 120—160 °С на ширину 100 мм с каждой стороны соединения.
Сварку конструкций из стали класса С60/45 следует производить при температуре не ниже —15°С при толщине стали до 16 мм и не ниже 0 °С при толщине стали 17—25 мм. При более низких температурах сварку такой стали указанных толщин следует производить с предварительным подогревом до температуры 120— 160 °С. При толщине стали свыше 25 мм предварительный подогрев.
Примечание: при температуре окружающего воздуха ниже минус 20 °С сварка трубопроводов из углеродистых и легированных сталей должна выполняться по техническим условиям и технологическим инструкциям.
Читайте также: