Сварка никеля и никелевых сплавов. Газовая, дуговая, контактная сварка

Содержание

1. Трудности и особенности сварки никелевых изделий
2. Газовая сварка никеля и никельсодержащих сплавов
• Подготовка металла под сварку
• Газы для сварки, сварочное пламя и мощность горелки
• Выбор присадочного металла
• Выбор флюса для газовой сварки никеля
• Техника газовой сварки никелевых изделий
3. Электродуговая сварка никеля угольным электродом
4. Ручная дуговая сварка никеля металлическим электродом
• Подготовка металла под сварку
• Электроды для ручной дуговой сварки никеля и покрытия для них
• Режимы ручной дуговой сварки никеля и технология сварки
5. Автоматическая и полуавтоматическая сварка никеля под флюсом
• Флюсы для сварки
• Сварочная проволока для автоматической сварки никеля
• Режимы автоматической и полуавтоматической сварки
6. Сварка никеля в реде защитных газов. Аргонодуговая сварка
7. Контактная сварка никеля и его сплавов

Сварку изделий из никеля и его сплавов можно выполнять любыми способами сварки (плавлением, или контактной сваркой). Никель выпускается в виде листового проката, толщиной от 5мм и выше в соответствии с ГОСТ 6235-52. Марки никеля и их химический состав указаны в таблице ниже. Кроме этого, по ГОСТ 2179 изготавливаются листы и проволока из никеля.

Существует никель марок НП и НТ, представляющий собой полуфабрикаты, имеющие химический состав, идентичный составу исходного никеля. Содержание примесей в никеле марок НТ и НП может составлять, приблизительно до 2-4. Наиболее вредные из них - это цинк, висмут, свинец, углерод, кадмий, сера и фосфор.

К наиболее важным сплавам из никеля относятся нихромы и никелевые бронзы, в составе которых преобладает медь, пермаллои - никелево-железные сплавы и монель-металл (сплав меди с никелем, при содержании никеля, примерно, 60-70%)

Трудности и особенности сварки никелевых изделий

1. При сварке никеля и никелевых сплавов расплавленный металл очень хорошо растворяет в себе водород, кислород и углекислый газ, но при остывании металла растворимость газов существенно снижается. Это приводит к водородной болезни и может стать причиной образования пор и других дефектов в сварном соединении.

2. Кислород при сварке вступает в реакцию с жидким никелем и образует оксид NiO, который затрудняет сварку. Водород, растворяясь в металле, может восстанавливать никель из этого оксида по реакции:

NiO + 2H = Ni + H₂O

3. При сварке никеля необходимо предотвращать попадание воды из флюса и обмазки в расплавленный металл. Для этого необходимо просушивать присадочные материалы и добавлять элементы-раскислители, такие как марганец, кремний и др.

4. Такие элементы, как медь, хром, марганец, кремний и железо положительно воздействуют на свойства никеля. Если присутствие этих элементов достаточно велико, то образуются специальные никелевые сплавы, о которых изложено выше по тексту.

5. Оксиды никеля NiO, образующиеся при сварке, затрудняют её из-за того, что их тяжело вывести в шлак. Наиболее хорошо эта проблема решается при газовой сварке, когда окись никеля можно удалить с помощью присадочного прутка, т.к. в жидком состоянии этот оксид хорошо заметен и имеет очень тёмный цвет. Также для этой цели можно использовать элементы-раскислители.

Газовая сварка никеля и никельсодержащих сплавов

Газовую сварку никеля используют, в большинстве случаев, для сварки никелевых листов или полос, толщиной до 3-4 мм. Сварку ведут без подготовки кромок. Часто газовой сваркой соединяют малогабаритные детали, т.е. в таких случаях, когда другие способы сварки плавлением не позволяют обеспечить качественное формирование сварного шва. После сварки шов зачищают от шлака.

Подготовка металла под сварку

Подготовка никелевых листов и полос для газовой сварки заключается в зачистке кромок и выполнении прихваток на расстоянии 200мм друг от друга. Листы, с толщиной, не превышающей 1,5мм, отбортовывают, и сваривают без применения присадочного металла.

Тонкие никелевые листы при сварке подвергаются значительным деформациям. Поэтому, необходимо предварительно раздвигать свариваемые листы под небольшим углом. Рекомендуемый зазор между кромками под сварку выбирают из расчёта 1,5-2% от длины сварного соединения. Фиксирующие приспособления не используют, т.к. они существенно увеличивают риск образования горячих трещин при сварке металла.

Газы для сварки, сварочное пламя и мощность горелки

Газовую сварку никеля ведут нормальным сварочным пламенем, при соотношении кислорода к ацетилену, примерно, 1,1-1,15. Применение других газов для газовой сварки никеля не рекомендуется, и.к. они не обеспечивают требуемого качества шва из-за выделения большого количества воды.

Ацетилен перед сваркой необходимо сушить и освобождать от сероводорода. Поэтому воду в ацетиленовом генераторе следует менять чаще. Для этой цели, также, хорошо подойдёт фильтр-осушитель, наполненный хлоридом кальция CaCl. Осушитель следует располагать за водяным предохранительным затвором, чтобы осушенный газ проходя через затвор, вновь не насыщался водой.

Мощность газосварочной горелки можно определить по формуле:

W=(140…200)s, л/ч, где s - толщина металла, мм

Выбор присадочного металла

Присадочный металл по химическому составу должен быть приближен к свариваемому металлу. Часто в качестве присадочного металла используют нарезки из основного металла. Хорошие результаты показывает присадочная проволока, легированная такими металлами, как кремний, марганец, железо, или титан.

Для того, чтобы снизить риск возникновения трещин, рекомендуется выбирать присадочный материал, содержащий, приблизительно, 20% марганца, 0,06% магния и 0,2% кремния. Можно использовать присадочную проволоку из нихрома. Диаметр проволоки выбирают не менее чем половина свариваемой толщины, но не более 5мм.

Выбор флюса для газовой сварки никеля

При газовой сварке никеля выбирают активные флюсы, способные растворять оксиды, образующиеся в процессе сварки металла, в частности, оксид никеля NiO. В составе флюса не допускается наличие вредных элементов и флюс должен плавиться при более низкой температуре, чем основной металл, чтобы повышать жидкотекучесть сварочной ванны. Для газовой сварки никеля чаще всего выбирают многокомпонентные флюсы. Возможно применение флюсов, использующихся при газовой сварке меди. Наиболее часто встречающиеся марки флюсов представлены в таблице ниже:

Флюсы №5 и 6 в таблице, не нашли широкого распространения, т.к. они достаточно сложны по составу, но при этом, преимуществ перед другими флюсами они не дают. Флюс №4 рекомендуется для сварки никелевого сплава нихрома. Все флюсы замешиваются на воде или на спирте. При этом спирт предпочтительнее, т.к. снижена вероятность попадания воды в сварочную ванну.

Техника газовой сварки никелевых изделий

Сварку осуществляют правым способом газовой сварки, т.к. при таком способе металл сварного шва и зоны термического влияния охлаждается медленнее. Положение сварочной горелки должно быть под углом 45° к свариваемым поверхностям и под углом 90° к присадочному прутку. В большинстве случаев сварка выполняется за один проход. При этом присадочный пруток окунается попеременно, в ёмкость с флюсом и в сварочную ванну.

Чтобы избежать коробления, в случае большой длины сварного соединения, сварку выполняют обратно-ступенчатым способом, отступая при этом от края соединения, приблизительно, на 300мм. После заварки длинного участка соединения, возвращаются к не заваренному краю и сваривают его, также обратно-ступенчатым способом. Рекомендуемые схемы сварки длинных швов никеля показаны на рисунке.

Электродуговая сварка никеля угольным электродом

Такой способ сварки не создаёт каких-либо трудностей. Но, металл при этом насыщается электродом, что крайне нежелательно для никеля. Поэтому, по возможности рекомендуется использовать металлический электрод. Угольным электродом, сваривают, в основном, сплавы на основе никеля.

Флюсы при сварке угольным электродом применяют тех же марок, что и при газовой сварке никеля. Процесс сварки ведут электродами диаметром 6-8 мм. Сварочный ток прямой полярности, постоянный. Сила тока 120-140А. Напряжение электрической дуги 22-26В. Угольные электроды применяются при сварке никеля малой толщины. Для больших толщин их не используют.

Ручная дуговая сварка никеля металлическим электродом

Подготовка металла под сварку

При ручной дуговой сварке никеля необходимо выполнить разделку сварных кромок. Разделка необходима для обеспечения полного провара шва по всей свариваемой толщине. Выполняется разделка V-образная, с углом скоса 35° с каждой стороны и притупление 1-2мм, или чашеобразная. Сборку кромок производят без зазоров.

Наилучшее качество сварного шва получается при однослойной сварке. При сварке никелевых изделий толщиной более 8мм, вместо двухслойного шва рекомендуется выполнять двухсторонний шов при Х-образной разделке. Если свариваемая толщина превышает 15мм, то Х-образная разделка необходима.

Электроды для ручной дуговой сварки никеля и покрытия для них

Электроды используются только с защитным покрытием. Выбирают электроды со стержнем из проволоки марок Н1, НП-1, или НП-2 (ГОСТ 2179). Как показал практический опыт, электроды, содержащие в составе титан, церий и другие легирующие элементы связывают кислород и способствуют уменьшению размеров зёрен.

Рекомендуется также к применению электроды с сердечником из никелькремниевой проволоки марки НЗОК или марганецсодержащей НМц 2,5. Допускается применение проволоки из нихрома. Но одними из лучших электродов для сварки технического никеля являются электроды Прогресс 50.

Диаметр электрода можно рассчитать по формуле: d=s/2+1, где s - толщина свариваемого металла, мм. При этом, диаметр электрода не должен превышать 5мм. Длина электрода составляет 300мм, а толщина защитного покрытия составляет 2-3мм на диаметр, в зависимости от диаметра электрода.

Состав применяемых электродных покрытий представлен в таблице ниже:

Покрытие №2 является наиболее предпочтительным. Оно дешёвое, простое по составу и обеспечивает хорошее качество сварки. Прочность сварного шва, полученного при использовании этого покрытия, составляет 300-390МПа. Этот показатель близок к нижнему значению прочности основного металла. Покрытие каждого состава замешивают на жидком стекле, масса которого составляет 25-30% от массы сухих компонентов. Нанесение покрытия происходит окунанием в них электродного стержня.

Режимы ручной дуговой сварки никеля и технология сварки

Сварка выполняется при постоянном токе обратной полярности. Силу сварочного тока выбирают из расчёта 25-30А на 1мм диаметра электрода. Рекомендуется держать электрод перпендикулярно к поверхности сварки. Можно немного наклонять, но угол наклона не желательно делать более 15° относительно сварных кромок.

При сварке никеля, толщиной более 15мм, рекомендуется выполнять предварительный подогрев до температуры 200-250°С для обеспечения хорошего формирования шва. Также широко применяется сварка на медных подкладках с зазором между кромками 2-3мм.

Напряжение электрической дуги 24-28В. Процесс сварки выполняют достаточно короткой дугой. Рекомендуемая скорость сварки 7-9м/ч. Электроды марки Прогресс 50 обеспечивают хорошее качество сварки в любых пространственных положениях. Другие марки электродов не рекомендуется применять при сварке потолочных швов.

После сварки рекомендуется провести термообработку сварного соединения, нагревая его до температуры 800-900°С и охлаждая на воздухе. Термообработка повышает качество сварного шва и снижает риск возникновения холодных трещин.

Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка никеля под флюсом

Флюсы для сварки

При использовании сварочных тракторов-автоматов хорошие показатели получаются при выборе электродной проволоки, легированной церием в сочетании с плавленым флюсом марок АН-26. Состав этих флюсов указан на этой странице.

Но большее распространение для автоматической сварки никеля и никелевых сплавов получили флюсы керамические. Состав основных марок керамических флюсов представлен в таблице ниже:

Смесь компонентов замешивается на жидком стекле, масса которого определяется из расчёта 16-20% от суммарной массы сухих компонентов. Полученная смесь размельчается до гранул, размером 1-2мм для автоматической сварки и 0,8-1,3мм для полуавтоматической сварки.

Сварочная проволока для автоматической сварки никеля

Состав электродной проволоки должен быть максимально приближен к составу свариваемого металла. Это проволоки марок Н1, НП по ГОСТ 492 и ГОСТ 2179. Допускается, в некоторых случаях, применения проволоки НМц по ГОСТ 1049.

Диаметр проволоки зависит не столько от толщины свариваемого никеля, сколько от способа подготовки сварных кромок и обычно составляет 3-5мм. При сварке никеля толщиной не более 6мм, скосы на кромках не делают. Собирают детали без зазора и используют проволоку диаметром 3мм. При сварке металлов разной толщины выполняют двухсторонние скосы с углом 30-55° с каждой стороны.

Проволока диаметром менее 3мм применяется ограничено, из-за её перегрева на "вылете", т.е. от точки подачи тока да электрической дуги. Для полуавтоматической сварки никеля выбирают проволоку диаметром 3мм.

Режимы автоматической и полуавтоматической сварки

Режимы сварки никеля подбираются, исходя из толщины свариваемого металла и диаметра электрода. Напряжение электрической дуги составляет, примерно, 30-34В, длина дуги рекомендуется средняя. Характер тока - постоянный, обратной полярности.

Ориентировочные режимы сварки представлены в таблице ниже:

Сила тока может колебаться в пределах ±10А. Скорость сварки может отличаться на 1м/ч. Для никеля, толщиной более 10мм допускается Х-образная разделка кромок.

Сварка никеля в среде защитных газов. Аргонодуговая сварка никеля

Сварка в среде аргона - наиболее распространённый вид сварки цветных металлов и сплавов. Но при сварке никеля он может не обеспечить хорошего качества сварного соединения. Если в составе защитного газа будет чисты аргон, то сварной шов будет со множеством пор.

Происходит это из-за подсасывания воздуха из окружающей среди и присутствия кислорода в составе аргона. Углерод из электродов и флюсов соединяется с кислородом, образуя угарный газ СО, который и является причиной появления пор.

Уменьшить вероятность образования пор можно при добавлении в аргон водорода. При этом количество водорода в газовой смеси не должно превышать 20%. Кроме этого, присадочная проволока должна быть легирована титаном. Выполнение этих условий позволяет получить шов без пор, т.к. титан раскисляет никель быстрее, чем успевает образовываться оксид NiO, а водород, имеющийся в составе защитного газа, соединяется с кислородом, образуя воду, которая легко улетучивается из расплавленного металла и вредного воздействия не оказывает. При сварке никеля марок Н-1 и НП-1, состав газовой смеси должен быть из аргона, с добавлением 3,2-3,5% водорода.

Опыты, проведённые на практике, показали, что добавление азота в газовую смесь вместо водорода также позволяет исключить образование пор при сварке.

Аргонодуговая сварка никеля выполняется прямым током обратной полярности. Расход аргона составляет около 540л/ч, а водорода - 20л/ч. С помощью аргонодуговой сварки возможно выполнять сварку и самого никеля и сплавов на его основе. Также можно сваривать никель с конструкционными и хромоникелевыми сталями.

Контактная сварка никеля и его сплавов

Контактная сварка всех способов используется, главным образом, для сварки никелевых сплавов, в основном, нихромов. Такие сплавы хорошо свариваются из-за своей достаточно большой величины электрического сопротивления. Тля сварки самого никеля контактная сварка применяется ограничено, и только для малых толщин металла. В таблице ниже приведены приблизительные режимы точечной сварки нихромов, которые можно взять за основу и при выборе режимов сварки для никеля:

Проволока из никеля хорошо сваривается при помощи конденсаторных машин. При сварке внахлёст применяют точечные машины, а при сварке встык - стыковые. Режимы сварки в стык проволоки диаметром 0,5мм составляют: ёмкость конденсатора - 960мкф, напряжение на конденсаторе 560В, сжатие стыка усилием 160 Н.

Из-за повышенного давления на электроды, их необходимо изготавливать из материалов повышенной прочности. Кроме того, в процессе сварки необходимо охлаждение, которое происходит путём подачи струи воды в зону сварки.

Дополнительные материалы по теме: