Кузнечная сварка сталей

ПОЛУЧЕНИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Операцию получения неразъемного соединения ручной или машинной ковкой называют кузнечной сваркой.
В начале VI в. русские кузнецы путем кузнечной сварки варили многослойную сталь “харалуг”, которая по своему качеству превосходила булатные и дамасские иранские и турецкие клинки. Этот метод относится к сварке давлением в твердом состоянии и заключается в сближении соединяемых поверхностей путем пластического деформирования, при котором возникают межатомные силы притяжения.

Получить качественное неразъемное соединение можно только при условии удаления с соединяемых поверхностей оксидных и других загрязняющих пленок. При сварке давлением это достигается приложением к свариваемым поверхностям давлений, достаточных для разрушения и удаяения загрязняющих пленок и ликвидации всех неровностей на поверхностях заготовок.

Таким образом, для осуществления кузнечной сварки металл заготовки должен обладать высокой пластичностью и низким сопротивлением деформированию, а соединяемые поверхности должны быть тщательно очищенными в момент пластического деформирования.

Кузнечная сварка обеспечивает высокую надежность сварного соединения, но требует высокой квалификации рабочего.

Процесс получения неразъемного соединения кузнечной сваркой состоит из следующих основных элементов: подготовки заготовок к сварке; нагревания свариваемых частей заготовок; сварки заготовок пластическим деформированием; отделки заготовки в месте сварки и правки. Для качественного соединения требуется выполнение на всех этапах сварки определенных приемов и технологических режимов.

СТАЛИ ДЛЯ КУЗНЕЧНОЙ СВАРКИ

Чаще всего кузнечной сварке подвергают низкоуглеродистые конструкционные стали. Свариваемость сталей зависит от количества и вида примесей.

С увеличением содержания углерода, серы, фосфора и других элементов свариваемость ухудшается.
Марганец в пределах 0,5— 03% улучшает свариваемомть стали.

Для кузнечной сварки рекомендуют стали с содержанием: углерода— до 0,3%; кремния — не более 0,2%; марганца — 0,6— 0,8%; серы — не более 0,05%.

При необходимости сварки сталей с повышенным содержанием углерода (больше 0,3%) рекомендуют добавлять к сварочному флюсу опилки из мягкой стали, в которой очень мало углерода. При обработке нагретой под сварку части заготовки такими опилками металл обезуглероживается, что повышает свариваемость поверхностного слоя заготовки.

Поскольку хром, вольфрам, медь и другие элементы снижают свариваемость сталей, ие рекомендуется проводить кузнечную сварку легированных сталей и других сплавов. Сварка этих сплавов требует выполнения строгих технологических режимов, что практически невыполнимо при ручной ковке. К тому же дефекты сварки трудно обнаружить визуально, а их присутствие совершенно недопустимо в деталях большинства машин и механизмов.

ПОДГОТОВКА ЗАГОТОВОК К СВАРКЕ

Подготовка заготовок состоит в придании соединяемым концам определенной формы; которая зависит от способа сварки. Подготовленные концы, как правило; подвергают высадке. Увеличение сечения свариваемых концов необходимо для выполнения их пластической деформации при сварке и придания сварочной части поковки требуемой формы.

НАГРЕВ ЗАГОТОВОК ПОД СВАРКУ

Температура нагрева сталей под сварку зависит от содержания в них углерода: чем больше углерода в стали, тем ниже должна быть температура нагрева.

Мягкую низкоуглеродистую сталь нагревают до 1350— 1370°С (при этой температуре свариваемые концы приобретают ослепительно белый цвет). При сварке стали с повышенным содержанием углерода (например, при сварке лезвия топора из стали У7) заготовку нагревают до 1150°С (при такой температуре заготовка имеет цвет белого каления с желтоватым оттенком). Более точно температуру заготовки определяют не на глаз, а с помощью оптического пирометра.

Хорошее качество сварки возможно, если при выполнении пластической деформации температура металла не понижается, поэтому сварку следует вести быстро. Свариваемые концы должны быть тщательно очищены от окалины и шлака.

Следует заметить, что температура нагрева заготовок под сварку выше температуры начала ковки (ТН). Как известно, при температуре, превышающей ТН, происходит не только интенсивное образование окалины, но и возможен пережог металла. Для уменьшения образования окалины и ее удаления с поверхности перед сваркой, а также с целью предохранения металла от пережога заготовки присыпают флюсом. В качестве флюса используют кварцевый песок, смешанный с бурой (Na2B4О7) или поваренной солью. Так как марганец повышает свариваемость стали, то иногда его в небольшом количестве добавляют к флюсу.

ФЛЮСЫ ДЛЯ КУЗНЕЧНОЙ СВАРКИ

Для кузнечной сварки использовали такие флюсы:

Флюс № 1. Составляют смесь из 6 ч. буры, 2 ч. нашатыря, 1 ч. железисто-синеродистого калия и 0,5 ч. смолы. Смесь кипятят, помешивая, до густоты сметаны. Охлажденную массу перемешивают и толкут с 1 ч. железных опилок (не ржавых). При сварке посыпают этим порошком нагретые докрасна предметы, дают порошку расплавиться и затем куют.

Флюс № 2. Приготовляют порошок из смеси 1 ч. нашатыря, 2 ч. буры, 2 ч. железисто-синеродистого калия и 4 ч. железных опилок (не ржавых). Накаливают докрасна предметы, подлежащие сварке, посыпают их 2—3 раза указанной смесью, пока она не начнет плавиться, и тогда куют.

Флюс № 3. Порошок из смеси 35 ч. борной кислоты, 30 ч. поваренной соли, 26,7 ч. железисто-синеродистого калия, 8,3 ч. канифоли.

Флюс N° 4. Порошок из смеси 41,5 ч. борной кислоты, 3 ч. поваренной соли, 15,5 ч. железисто-синеродистого калия, 8 ч. жженой соды.

Назначение флюса. Флюс посыпают на заготовку в период нагрева, когда ее температура достигает 950—1050°С. Под действием высокой температуры флюс соединяется с окалиной, образуя жидкотекучий шлак, который обволакивает заготовку и защищает ее поверхность от окисления при дальнейшем нагреве. Перед
4 сваркой шлак удаляется, а при деформации он выжимается из места сварки.

НАГРЕВ СВАРИВАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

Для нагрева свариваемых концов используют горны и сварочные печи. Камерные печи, предназначенные для нагрева заготовок под ковку, в данном случае неприменимы, так как не обеспечивают нагрева до высоких сварочных температур.

При нагреве под сварку требуется, чтобы пламя в горне или печи не было окислительным, т. е. чтобы сгорание топлива происходило при максимальном усвоении кислорода и в очаге небыло его излишка.

Наилучшим топливом для горна при нагреве заготовок под кузнечную сварку является древесный уголь. Количество серы в кузнечном угле допускается до 1 %, при большем ее содержании получить качественное соединение не удается. Кроме того, кузнечный уголь не должен содержать более 7% золы, так как в ней также содержится сера.
В случае использования в качестве топлива кокса следует выбирать те его сорта, в которых содержится минимальное количество серы.

ОСОБЕННОСТИ КУЗНЕЧНОЙ СВАРКИ

Нагретые заготовки извлекают из горна, ударами о наковальню или молотком сбивают образовавшийся шлак и окалину либо счищают их металлической щеткой. Затем, быстро сложив вместе свариваемые концы заготовок, наносят слабые, но частые удары по месту сварки. При слабых ударах остатки шлака выдавливаются наружу и поверхности стыка плотно прижимаются друг к другу, что защищает их от окисления.

Сварку заканчивают сильными ударами, подвергая место сварки достаточно большим деформациям и придавая заготовке требуемую окончательную форму поковки. В этот момент структура металла измельчается и ликвидируется его крупно-зернистость, образование которой было возможным при нагреве заготовки до высокой сварочной температуры.

При проковке места соединения отдельные слои металла соединяемых концов внедряются друг в друга, переплетаются, что дополнительно увеличивает прочность соединения.
В зависимости от окончательной формы места сварки поковку правят, используя гладилки, обжимки, подбойки и другой кузнечный инструмент.

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

В зависимости от формы и размеров используют следующие основные способы сварки: внахлестку; вразруб (в замок, в обхват]; встык; врасщеп; с помощью шашек.

СВАРКА ВНАХЛЕСТКУ

Эта сварка является одним из самых распространенных способов кузнечной сварки, обеспечивающим наибольшую прочность сварного стыка. Повышенное качество сварного соединения объясняется увеличенной поверхностью соприкосновения свариваемых частей и возможностью подвергать большим деформациям участок, на котором они соединяются.

Перед сваркой концы заготовок высаживают и придают им форму загнутых утолщений (рис. 1), повернутых относительно продольной оси на угол 30°. Подготовленные концы, предварительно подогрев до 960—1000° С и покрыв флюсом, нагревают до сварочной температуры.

сварка внахлестку увеличенная поверхность соприкосновения свариваемых частей

Нагретые и очищенные от шлака и окалины концы накладывают друг на друга и легкими, но частыми ударами прижимают друг к другу (рис. 2), затем сильными ударами тщательно проковывают место соединения. Одновременно выполняют операцию протяжки для восстановления первоначальных размеров участка сварки. По окончания операций поковке придают требуемую форму.

Сварка внахлестку прижимаются ударами молотка

Достоинством сварки внахлестку является также то, что форма исходных свариваемых
поверхностей обеспечивает хорошее удаление остатков шлака с соединяемых участков.
Заготовки толщиной или диаметром до 30 мм сваривают за один прием и с одного нагрева.

При толщине свариваемых концов более 30 мм операцию осуществляют в два приема:

1] с первого нагрева сваривают тонкие участки утолщений;
2) со второго нагрева выполняют окончательную сварку.

При диаметре заготовок 50—60 мм и выше осуществить сварку ручной ковкой не удается — ее выполняют на молоте.

СВАРКА ВРАЗРУБ

Такая сварка требует более сложной подготовки свариваемых концов. Конец одной заготовки высаживают и разрубают вдоль ее продольной оси, а образовавшиеся "лепестки” раздвигают. Конец второй заготовки также высаживают и заостряют так, чтобы он входил в разруб первой заготовки. Нагретые до сварочной температуры и очищенные от шлака концы вставляют друг в друга и энергичными ударами, формируя металл, осуществляют сварку, а затем окончательную отделку заготовки. Рассмотренный способ применяют при сварке заготовок из сталей различных марок.

СВАРКУ ВСТЫК

Этот способ сварки применяют в тех случаях, когда конструкция будущей поковки или малые размеры заготовки не дают возможности подготовить соединяемые концы подобно их подготовке при сварке внахлестку. В одних случаях концы заготовок просто закругляют, нагревают до сварочной температуры, стыкуют друг с другом и ударами вдоль оси с двух сторон сваривают. Под действием ударов нагретое место стыка осаживается, увеличиваясь в диаметре, поэтому после сварки его протягивают до нужного диаметра.

Сварка встык без предварительной высадки соединяемых концов по прочности соединения уступает сварке встык с предварительным утолщением концов заготовок. При этом способе нагретые концы высаживают, а торцы скругляют. Затем подготовленные концы стыкуют и, нанося вдоль оси заготовок по их холодным концам удары, выполняют сварку, а после этого — окончательную отделку поковки.

СВАРКА ВРАСЩЕП

Сварку полосовых заготовок осуществляют способом врасщеп. Концы заготовок надрезают вдоль продольной оси и разводят. После нагрева до сварочной температуры их стыкуют и проковывают до получения прочного соединения и исходных размеров.

СВАРКА С ПОМОЩЬЮ ШАШЕК

При сварке концов поковок типа колец или их ремонте применяют способ, выполняемый с помощью шашек.
Свариваемые концы перед нагревом под сварку подвергают высадке и ковке до получения формы. Из металла заготовки подготавливают вспомогательные шашки. При температуре сварки шашки укладывают между концами и закрепленных заготовок и сильными ударами подвергают совместной пластической деформации. Сварной участок затем правят. Рассмотренный способ сварки чаще всего выполняют на молоте.

ДЕФЕКТЫ КУЗНЕЧНОЙ СВАРКИ

Дефекты, возникающие при кузнечной сварке, можно разделить на два основных вида:
1] низкое качество сварного соединения;
2) несоответствие формы поковки требуемой.

Если дефекты второго вида обнаруживаются визуально или с помощью простейшего измерительного инструмента, то прочность сварного соединения визуально установить практически невозможно. Сварку считают выполненной качественно, если прочность сварного соединения не ниже 80-85% прочности металла свариваемых заготовок.
Прочность шва может быть проверена изгибом прутка в месте сварки. Бели качество сварки высокое, шов не расходится и не появляются трещины на поверхности металла.

Следует, однако, отметить, что не всегда поковку после сварки можно изогнуть, а приборами для контролирования качества сварных соединений участки ручной ковки не оснащаются. Следовательно, даже при всех благоприятных условиях не рекомендуется применять кузнечную сварку для изготовления поковок ответственных деталей, а в случаях ее применения необходимо строго выдерживать технологические режимы. Нарушение режимов и приемов ковки при сварке может привести к дефектам, описанным ниже.

Непровар появляется при некачественной очистке соединяемых поверхностей перед сваркой: стыкуемые поверхности плохо очистили от окалинык после зачистки поверхностей нагретых заготовок кузнецы задержались с началом ковки и на соединяемых поверхностях образовалась вторичная окалина; свариваемые поверхности недоброкачественно обработали флюсом; при сварке встык концы заготовок плохо закруглили, в середине стыка остался шлак, препятствующий качественной сварке концов.

Пережог — неисправимый дефект (брак], который возникает в случае нагрева концов заготовок до температуры, превышающей сварочную. Этот дефект очень вероятен при выполнении кузнечной сварки, так как сварочная температура весьма близка к температуре пережога и при недостаточно внимательном нагреве легко ошибиться и пережечь металл.

Низкая прочность сварного шва объясняется следующим: нагрев заготовки до сварочной температуры сопровождается ростом зерен; в случае малого набора металла при высадке свариваемых концов степень деформации металла при сварке будет недостаточной, зерна не раздробятся, вследствие чего металл шва будет иметь крупнозернистую структуру и пониженную прочность.

Понижение прочности околошовной зоны наблюдается при нагреве концов заготовки перед сваркой на большую длину. Крупнозернистая структура металла в месте стыка прорабатывается (измельчается] в процессе ковки утолщений, а зоны, прилегающие к концам и не имеющие утолщений, такой деформации не под-
вергаются и сохраняют крупнозернистую структуру. Поэтому при сварке следует нагревать только утолщенные концы соединяемых заготовок.
Неточность размеров сечения поковки после сварки возникает при недостаточном наборе металла на свариваемых концах. При проковке таких концов сечение поковки уменьшится и окончательные размеры окажутся меньше исходных, требуемых чертежом.

УСТРАНЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

Дефекты кузнечной сварки, как правило, невозможно или трудно устранить по окончании ковки. Анализируя причины рассмотренных дефектов, можно сделать вывод, что качество сварки зависит от квалификации кузнеца. Сварка должна выполняться быстро, с соблюдением всех требований к режиму нагрева и выполнению приемов ковки.

БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА

Особенности требований безопасности при выполнении кузнечной сварки связаны с высокой температурой нагрева металла и применением флюсов. В случае перегрева металл начинает искриться, а на поверхности заготовки образуется жидкий шлак. При работе с такими заготовками в момент зачистки и ковки брызги шлака к искры могут нанести травмы работающим в виде ожогов и вызвать возгорание легковоспламеняющихся материалов и одежды, поэтому при кузнечной сварке поковки после нагрева следует аккуратно и тщательно очищать от окалины и шлака. Кроме того, рабочее место должно отвечать всем требованиям пожарной безопасности.