Сварка металла при низкой температуре

СОДЕРЖАНИЕ

• Влияние низкой температуры на проведение сварочных работ
• Общие и частные правила сварки при отрицательных температурах
• Сварка стали при отрицательных температурах
• Применение дополнительного оборудования
• Защитная экипировка сварщика

Влияние низкой температуры на проведение сварочных работ

Для начала следует пояснить, что имеется в виду не мечта всех специалистов по металлургии – технология холодного сваривания металла, которая не приводила бы к изменению химических и физических свойств металла, а классическая дуговая сварка, применяемая уже более полутора сотен лет, только осуществляемая в условиях низкой температуры воздуха.

Мороз действительно способен влиять на качество сварного шва. Под воздействием электрической дуги (чья температура превышает 100 млн °С) металл расплавляется, так что близкие к дуге участки достигают температуры в 6000 °С (столько же, к примеру, на поверхности Солнца). Разумеется, никакая материя при такой температуре не может оставаться ни в каком другом состоянии, кроме как газообразном.

Испаряется и металл (поэтому так важно проводить сварочные работы в хорошо проветриваемом помещении). Просто «шеститысячные» участки крайне малы, поэтому в пар переходит незначительное количество железа и примесей, к тому же это вещество быстро конденсируется.

Гораздо большее количество металла имеет температуру под 3000 °С. Железо плавится при 1580 °С, поэтому именно «трехтысячный» металл образует так называемую сварочную ванночку, благодаря которой и происходит последующая спайка двух деталей.

Температура воздуха в течение года колеблется от -60 °С в условиях Крайнего Севера зимой до +40-50 °С летом (кстати, в условиях того же Крайнего Севера). Казалось бы, какое значение может оказать даже самый лютый мороз на процессы, происходящие при температурах в тысячи градусов? А вот может, ибо самые важные изменения происходят именно в момент, когда металл остывает.

Читайте также: «Организация сварочных работ»

Теплоемкость атмосферы огромна, а коэффициент теплопередачи достаточен для того, чтобы обычный воздух влиял на скорость остывания металла, подвергшегося свариванию.

На морозе из жидкой сварочной ванночки просто не успевают выйти все газы, которые образуются в ней при воздействии высоких температур. Но что самое неприятное – не успевает всплыть шлак. Под шлаком подразумеваются побочные вещества, образующиеся в то время, когда какие-либо включения и добавки в железо начинают взаимодействовать с кислородом и азотом в воздухе. Они образуют окалину, оксиды и нитриды.

Шлак обладает совершенно другими свойствами, нежели сам металл (гораздо менее привлекательными с точки зрения прочностных характеристик), поэтому его присутствие совершенно необязательно. В обычных условиях вторым инструментом сварщика всегда является молоток, которым он отбивает шлак сразу после того, как ванночка застывает.

Если мороз крепкий, то металл в ванночке кристаллизуется слишком быстро, в результате чего шлак под воздействием силы Архимеда просто не успевает подниматься на поверхность в густеющей субстанции. То же самое происходит и с пузырьками газов, которые также не успевают всплыть.

Читайте также: «Сварочный стол своими руками»

В итоге в затвердевшем материале шва остаются шлаковые включения и хорошо различимые невооруженным глазом пузырьки – поры. Разумеется, они сильно ослабляют прочность шва как при работе на излом, так и на растяжение.

Статистика здесь неумолима: при падении температуры с +20 °С до -50 °С время удержания сварочной ванночки в жидком состоянии сокращается на целых 10 %. В итоге половина шлаковых и газообразных включений остаются запертыми в массиве металла.

Также при пониженных температурах улучшается теплоотвод от расплавляемой зоны. В результате кромки деталей, которые должны в итоге спаяться, плохо прогреваются и не сливаются воедино на достаточном для обеспечения прочности соединения массиве – возникает эффект под названием «непровар».

Мороз также замораживает влагу в воздухе – холодный воздух более сырой по определению. Сильный локальный нагрев воздушной массы от сварочной дуги приводит сначала к испарению замерзших микрокристаллов льда, а затем к их быстрой конденсации на всем, что рядом, в частности на электроде и металле. А это уже несет в себе опасность удара током (так как электропроводность воды намного ниже, чем 38 Вольт, принятых в сварочных трансформаторах в качестве стандарта).

Попадая в зону действия электрической дуги, вода естественным образом разделяется на водород и кислород (происходит ее гидролиз). Кислород быстро вступает во взаимодействие с самим металлом и его включениями, образуя оксиды и окалину, а вот водород формирует те самые пузырьки-поры. Хорошо хоть взрыв водорода сварщику не грозит, так как этого газа там очень мало. Но вот током «шибануть» может даже очень знатно!

И наконец, последний негативный эффект (по порядку, но отнюдь не по значимости) от сварки при низких температурах воздуха – это падение пластичности металла и ухудшение его механических свойств. Увеличивается перепад пластичности между зоной сварки и остальным объемом охлажденного стального массива. Это не сулит ничего хорошего с точки зрения дальнейшей эксплуатации сваренных деталей. Нагрузку такая пайка будет выдерживать значительно меньшую.

Читайте также: «Контактная сварка»

Сильнее всего все приведенные эффекты проявляются при значительном охлаждении массивов, участвующих в сварочном процессе, то есть при температуре от -40 °С и ниже. Возможно, такие температуры – не редкость за полярным кругом, но для большинства жителей планеты наступление подобной погоды – это чистая экзотика.

Обычно речь идет о температурах, -10… -15 °С. А здесь сварщиков поджидает угроза иного порядка – проблемы со сварочным трансформатором. Дело в холодном воздухе, который перенасыщен влагой. В процессе любого преобразования тока потери на тепло неизбежны. И они довольно большие по абсолютному значению, учитывая, сколько энергии тратится на саму сварку.

Проще говоря, провода и обмотки трансформатора нагреваются. В итоге микрокристаллы льда, парящие в воздухе, оседают на проводниках и расплавляются, превращаясь в прекрасно проводящую ток воду.

Да, проводники в обмотке имеют тончайший слой лаковой изоляции, но в инверторе присутствуют и те места, которые заизолировать невозможно, например контакты. Поэтому крайне не рекомендуется проводить сварочные работы на открытом воздухе (а также в помещении, но при «забортных» температурах) в холодное время года.

Читайте также: «Контактная сварка»

В крайнем случае не стоит продолжать сварку сразу после того, как инвертор занесен внутрь теплого помещения с мороза, – нужно дать ему отстояться, чтобы влага внутри испарилась. При этом, если требуется сделать наоборот – вынести трансформатор наружу и продолжить работу, то это вполне допустимо (ведь внутри прибора влаги не будет, а значит, его работоспособность не пострадает).

К слову, сварочные работы прекрасно выполняются и в безвоздушном (космическом) пространстве не просто в условиях низких температур, а близких к абсолютному нулю (-273,15 °С). Впервые сварка в космосе была осуществлена в 1984 году советскими космонавтами С. Савицкой и В. Джанибековым. Результат был получен великолепный. Правда, это была электронно-лучевая сварка, к тому же влажность в космосе нулевая, да и воздуха нет.

Общие и частные правила сварки при отрицательных температурах

Если температура окружающего воздуха не меньше -10 °С, то можно использовать для сварки обычный трансформатор. Если же температура падает ниже данного значения, а осуществлять сварные работы в сухом, отапливаемом помещении по каким-то причинам невозможно, то для их производства в условиях улицы следует воспользоваться специализированным профессиональным или полупрофессиональным оборудованием, специально приспособленным для эксплуатации в подобных условиях.

Читайте также: «Контроль сварных швов: разбираемся в методах оценки»

Для того чтобы обеспечить безопасность проведения работ, следует придерживаться нижеизложенных правил:

1. Детали, подвергаемые сварке, должны быть досуха очищены от снега и наледи. Главное – это очистить места сваривания.
2. Предполагаемые сочленения необходимо предварительно прогреть до 120-160 °С. Используйте для этого паяльную лампу. (Разумеется, это требование не относится к легкоплавким металлам, таким как алюминий, – только сплавы железа).
3. Работая со сваркой под открытым небом, применяйте постоянный электрический ток обратной полярности.

Есть и нюансы:

1. Не стоит формировать швы с наложением. Это нужно, чтобы избежать стремительных температурных переходов между массивами металла, имеющими разные толщины. Формируйте только стыковые швы.
2. Не делайте больших сварных ванночек – стремитесь сократить их объемы до возможного минимума.
3. Увеличьте силу электрического тока (примерно на 10-15 %) и понизьте скорость хода электрода (просто медленнее им ведите).
4. Применяйте специальные электроды, которые не способствуют образованию газов и, как следствие, пор. К тому же такие электроды обеспечивают и хорошую пластичность формируемого шва. Это Э50А, Э46А или Э42А с основным покрытием. Прокалите их непосредственно перед применением.
5. Легкие прихватки должны быть заменены на фиксированные струбцины – недопустимо, чтобы свариваемые детали «ходили» друг относительно друга. А придерживать их у вас не получится – еще и на эту операцию внимания не хватит.

Под открытым небом следует производить только финальные работы. Подготовку составляющих элементов, которые также требуют сварки, можно и нужно выполнять в сухом, теплом и хорошо вентилируемом помещении.

Сварка стали при отрицательных температурах

При температуре ниже 0 °С можно без каких-либо ограничений производить сварку деталей, выполненных из сплавов железа, вплоть до класса C52/40. При этом имеет значение не температура окружающего воздуха, а именно температура металла. А температурная разница между этими веществами может быть весьма существенной.

Если сталь углеродистая (с толщиной до 30 мм) или низколегированная (с толщиной до 16 мм), то можно задействовать технологию полуавтоматической, а также классической (ручной) сварки конструкций с такими толщинами листов при низких температурах воздуха – вплоть до -20 °С (но не ниже). Если же толщина низколегированных стальных элементов больше 16 мм, то предельно допустимая температура для проведения сварочных работ составляет уже -10 °С.

Если температура воздуха существенно ниже указанных предельных значений, то можно выйти из положения с помощью предварительного нагревания кромок элементов, которые предполагается сваривать. Нагревать нужно до температуры 120-160 °С с обеих сторон; охват нагревом должен составлять не более 10 см.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Сварку можно проводить и при особо низких температурах воздуха (до -40 °С и менее). Но тогда вырубку дефектов швов нужно производить после нагревания металла до 110 °С и выше, а заварку дефектов швов – при температуре около 210 °С. В общем, нужно греть!

Для прогрева эффективнее всего использовать сварочную горелку (пропановую или газокислородную) или паяльную лампу. Определять степень прогрева можно с помощью термокраски или термокарандашей (еще можно задействовать контактные термопары).

Применение дополнительного оборудования

При проведении сварочных работ в условиях пониженных температур большое распространение получила технология создания защитной газовой среды. В место сварки подается газовая смесь, вытесняющая кислород и создающая инертную среду. В результате не образуется ни окалины, ни других шлаков, и к тому же сокращается насыщение ванночки расплава газами. Локальная газовая ванна может создаваться при помощи:

• смеси углекислого газа и аргона;
• гелия;
• и даже водорода (в особых условиях).

При такой сварке дополнительно обеспечивается струйный перенос металла в пространстве шва, он обретает пластинчатую, плотную структуру, очищается от пузырьков вторичного газообразования.

Но, конечно, в холодное время года лучше всего с точки зрения комфорта и удобства проводить сварные работы в отапливаемом, вентилируемом, сухом помещении. Если цех не оборудован стационарными радиаторами, то для отопления применяются тепловые пушки. Удобнее всего использовать электрические модели (где не сгорает никакого топлива) – тогда не нужно заботиться о дополнительной производительности вентиляционной системы и выхлопе.

Защитная экипировка сварщика

Комфортные условия труда помогают сварщику избежать брака в работе. Более того, производительность труда здесь во многом зависит от комфортной экипировки. Разумеется, удобнее всего работать в теплом, вентилируемом помещении – тогда и одежды требуется минимум. Но работать в таких условиях получается не всегда.

Если приходится осуществлять сварочные работы при минусовых температурах, то оптимальной является одежда из синтетических тканей. Она должна быть недлинной, без отворотов, но при этом нужно, чтобы одежда плотно облегала тело, не препятствовала газообмену, а главное, не пропускала холод. К сожалению, основным минусом синтетики является ее потенциальная горючесть, поэтому профессиональные сварщики ее надевают редко.

Во время проведения сварочных работ обязательно нужно использовать рукавицы, фартук и средства специальной защиты. Это, прежде всего, брюки и куртки из ткани, стойкой к попаданию искр (со свойствами «Тр»). Зимой используется одежда с маркой Тр-30 – она способна удерживать тепло человеческого тела при падении температуры до -30 °С с ветром.

Большое значение для сохранения здоровья сварщика играют сварочные маски. Сейчас наиболее популярными являются модели «хамелеоны».

Главный элемент маски – светофильтр, состоящий из нескольких слоев поляризационных пленок и жидких кристаллов. Такой фильтр способен реагировать на изменение интенсивности светового потока при воспламенении дуги за 0,001 с. Как следствие, глаза сварщика всегда защищены как от вспышек дуги, так и от ее губительного жесткого ультрафиолетового излучения.

Однако с понижением температуры до -10 °С время срабатывания светофильтра увеличивается с 0,001 с до 0,005-0,009 с. Такая «выдержка» еще может защитить глаза от «зайчиков», но при более низких температурах «хамелеоны» уже становятся бесполезны, так как время срабатывания фильтра возрастает кратно.

Читайте также: «Организация рабочего места автослесаря»

Если сварка в помещении осуществляется при низкой температуре, то для достижения высокого качества проведения сварочных работ крайне важными являются условия труда сварщика: то, во что он одет, какое у него оборудование и защитные принадлежности, какой у него режим труда и отдыха.

Также имеет большое значение, доступна ли площадка для проникновения осадков. Не стоит экономить на создании комфортных условий труда – иначе выйдет намного дороже. И лучше, конечно же, осуществлять сварочные работы в сухом, отапливаемом и хорошо вентилируемом цеху.