Сварочные работы широко применяются в различных сферах деятельности, начиная от легкой промышленности и заканчивая отраслью ракетостроения. При этом они могут проводиться в самых разнообразных условиях, в том числе и в водяных парах. Одним из основных преимуществ сварки в водяном паре является ее невысокая стоимость и легкость обеспечения подобной защитной среды. Важной особенностью является и то, что испарения воды защищают место сварки от негативного воздействия азота. 

 

В то же время такая защитная среда содержит значительно больший объем кислорода и водорода. А повышенное количество влаги, представленной в виде пара, ранее и вовсе считалось крайне негативным фактором, которого следовало избегать, так как он, по распространенному мнению, приводил к появлению в структуре шва характерных пор. К слову, позднее отношение к этому изменилось. В научных работах К.К. Хренова (СССР) про подводную сварку, указано, что даже при сварке металлов под водой можно добиться высокого качества соединения при содержании в зоне дуги значительного количества водяных испарений и продуктов их диссоциации.

 

подводная сварка

 

Рекомендации по применению технологии дуговой сварки в водяном паре были выдвинуты сразу несколькими советскими учеными. Все они неоднократно подчеркнули такие особенности данного метода, как:

  • высокое содержание водорода (H2) вблизи сварочной дуги;
  • высокая окислительная способность водяного пара;
  • затруднение раскисления металлического соединения, вследствие высокого содержания H2.

 

Металл при этом виде сварки окисляется не только паром, но и кислородом, высвобождающимся при диссоциации пара:

химическая реакция окисления металла

Сварка в водяном паре: что следует помнить?

При использовании водяного пара в качестве защитной среды при сварке наблюдается интенсивное окисление металла кислородом. В связи с этим уровень парциального давления в зоне дуги снижается, в то время как увеличивается показатель содержания водорода. В результате научных исследований доказано, что при сваривании металлов под водой с применением толстопокрытых электродов сварочную дугу окружает газ, состоящий на 64-92% из водорода. Аналогичные показатели этого газа будут содержаться в области дуги и при работе с применением водяного пара.

 

водяной пар

 

Одной из важнейших особенностей сварки в водяном паре является то, что получаемые в итоге сварные швы обладают высокой плотностью. Это объясняется большой окисленностью металла, препятствующей растворению в нем водорода, а также тем, что во время проведения такой работы используется проволока с небольшим содержанием раскислительных элементов (однако, без включения углерода). В свою очередь в случае использования проволоки с повышенным уровнем содержания элементов раскислителей будет наблюдаться снижение уровня плотности шва, но в то же время повысятся механические свойства соединения.

 

Эксперты кроме того рекомендуют использовать проволоку с высоким содержанием углерода (0.35-0.5%), что позволит снизить парциальное давление водорода в атмосфере дуги, а также уменьшить процент содержания в ней водорода. А это в свою очередь даст возможность увеличить уровень раскислительности металлического шва за счет повышения уровня содержания раскислительных элементов (к примеру, кремния и марганца) и, конечно же, повысить механическую прочность шва. Также следует отметить, что добавление кислорода к воде или водным парам в зоне сварки позволяет уменьшить вероятность образования пор, вызываемых водородом. В то же время точных данных о том, какое же сочетание легирующих и раскислительных элементов в проволоке является оптимальным, нет. В этом случае целесообразно сравнить сварку в водяном паре со сваркой в воздухе.

 

Как проводится сварка в воздухе?

Технологии, обеспечивающие получение высоконадежных металлических швов при осуществлении сварки в воздухе, открывают широкие перспективы для автоматизации сварки стальных сплавов, в первую очередь низколегированных и углеродистых сталей.

Суть сварки в воздухе заключается в том, что в область сварочной дуги поступает значительное количество кислорода и азота (его объем должен приблизительно в два с половиной раза превышать объем кислорода). Кроме того, поступает и небольшое количество водорода, содержащегося в водяных парах. Основным элементом для создания защитной среды при сварке в воздухе является азот, однако он затрудняет получение плотных швов с хорошими механическими свойствами.

 

Какие бывают виды сварки в воздухе?

Все виды сварки такого типа можно разделить на две основные категории:

  1. сварка в спокойном воздухе;
  2. сварка в струе воздуха.

Первый метод часто называют еще сваркой открытой дугой. Для этой технологии чаще всего используются самозащитные проволоки – трубчатые порошковые или легированные сплошного сечения. В случае применения легированной проволоки сплошного сечения следует позаботиться о снижении вредного воздействия кислорода и азота на уровень механической прочности и плотности шва. Добиться этого можно путем добавления в состав проволоки регулирующих элементов (Al, Ti, Ce), обладающих химическим сходством с кислородом и азотом и способных образовывать с ними прочные окислы и нитриды с высокой температурой плавления. Именно этот метод был предложен учеными Б. Е. Патоном и Т. М. Слуцкой.

 

Если же говорить о трубчатых порошковых проволоках, то такие изделия состоят из металлической оболочки, изготовленной из сталей с низким содержанием углерода, а также внутреннего порошкового сердечника. Такой сердечник содержит в своем составе элементы раскислители, железный порошок и шлакообразующие компоненты.

 

Отдельно стоит рассказать и о сварке в струе воздуха, получившей определенную распространенность в промышленности. Подача воздуха осуществляется в виде сплошной или кольцевой струи. Этот тип сварки разработан после того как обнаружили, что во время наплавки сталей при увеличении расхода воздуха пористость металла уменьшается до определенного предела, хотя содержание азота и кислорода существенно возрастает.

 

Для этого типа сварки чаще всего применяются проволоки из кипящего стального сплава. В то же время при использовании проволоки с большим содержанием раскислительных элементов, получить высокую плотность шва уже не удается. Аналогичные трудности могут наблюдаться и при проведении сварки при низких и отрицательных температурах.

 

В целом из-за сложностей с получением достаточной плотности шва при применении струи воздуха подобная технология в основном применяется при сварке и наплавке однослойных швов неответственного назначения. При этом нередко вместо сплошной струи используется кольцевая. Такое решение позволяет снизить количество воздуха, попадающего в область сварки, за счет обеспечения содержания в ней большого количества газов и паров, выделяющихся в плавящейся металлической массе. Тем не менее полностью исключить попадание воздуха в зону сварки очень сложно даже с применением кольцевой струи.

 

Кольцевая струя позволяет снизить количество азота в области сварки, и, как следствие, в самом шве (по сравнению с работой со сплошной струей воздуха или же свариванием в среде спокойного воздуха). В то же время содержание азота все равно будет выше чем при работе с применением классической дуговой сварки (с использованием плавящихся электродов).

 

В сфере металлургии сваривание со струей воздуха особенно востребовано при проведении наплавочных работ, а также при изготовлении некоторых узлов сельскохозяйственных машин, выполняемых из тонкой низкоуглеродистой стали.

 

Эксперты советуют добавлять в область дуги нитридообразующие элементы (Zr, Ti), чтобы связать часть азота в нитриды для повышения износостойкости металлического соединения. Одним из методов, основанных на этом принципе, является технология наплавки струей воздуха по слою легирующего порошка. Такой метод был разработан советскими учеными В.В. Степановым, В. С. Штенниковым и А. А. Буки.

 

В заключение, стоит отметить, что рассмотренные виды сварки оправданно применять только в узкоспециализированных случаях. Основной же объем сварочных работ проводится стандартными методами.

 

Уважаемые читатели, обращаем ваше внимание, что компания «ПРОМТЕХГАЗ» не выполняет сварочные работы в водяном паре и воздухе и не является экспертом в этой области. Данная статья является обзорным материалом методики сварки. Рекомендуем также прочесть наши статьи о выборе сварочного аппарата и секретах правильного обслуживания сварочного оборудования.