В контексте Газовая сварка.Ручная дуговая сварка.

Подводная сварка и резка металлов имеет большое значение при строительстве гидротехнических сооружений, ремонте судов и подводной части металлических конструкций портовых, нефтепромысловых и других сооружений.

Сущность процессов сварки или резки под водой состоит в том, что под действием тепла сварочной дуги, горящей под водой в газовом пузыре, образованном диссоциированной водой, парами металла и материалов покрытия, происходит плавление основного и электродного металла с образованием валика или шва, а при резке — удаление расплавленрого металла с образованием полости. Если при резке в зону горения дуги на нагретый или расплавленный металл подать струю кислорода, то он сгорает, и жидкие окислы удаляются из полости (рис.1).

Рис.1. Процесс электрокислородной резки

1 - канал; 2 - стальной стержень; 3 - покрытие; 4 - гидроизоляция

По мере развития сварочной техники совершенствовались процессы сварки и резки под водой. В настоящее время находит преимущественное применение электрическая дуговая сварка стальными толстопокрытыми электродами с гидроизоляцией и резка с применением трубчатых толстопокрытых гидроизолированных электродов, по центральному каналу которых подается кислород или воздух.

Процесс подводной электродуговой сварки и резки во многом подобен дуговой сварке и резке на воздухе. Особенностью является то, что в связи с бурным выделением газов вокруг горящей дуги видимость ограничена, практически виден лишь участок в зоне горения дуги (в радиусе 10—15 мм). Кроме того, сварщик-водолаз ограничен в своих движениях скафандром и течением воды в водоеме.

Все это значительно осложняет процесс сварки, а при резке мешается еще шланг, прикрепляемый к электрододержателю для подачи кислорода или воздуха.

При горении дуги на воздухе ее столб заполняет азот, кислород, пары металла и материалов покрытия электродов. При горении дуги под водой столб дуги заполняют другие газы: водород — 65—85%, угарный газ—15—25%, углекислый газ — 3—5%. Имеется также незначительное количество кислорода, паров металла и материалов электродных покрытий.

Молекулярный водород, находящийся в столбе дуги, горящей под водой, диссоциирует на атомарный водород: H₂ -> H + H — Q . Этот процесс сопровождается поглощением тепла дуги, что приводит к снижению термоэлектронной эмиссии с катода и затрудняет зажигание дуги.

Для создания нормальных условий зажигания дуги под водой напряжение холостого хода источника питания дуги должно быть более высокое (70—85 в).

На зажигание дуги и горение ее под водой существенное влияние оказывают растворенные в воде соли, содержащие элементы с низким потенциалом ионизации. Так, например, потенциал ионизации калия равен 4,3, натрия — 5,1, кальция — 6,0. Соли этих элементов значительно улучшают условия зажигания и горения дуги под водой.

Кроме этого, на стабильность горения дуги влияет плотность тока, которая обычно при ручной сварке составляет 12—20 а/мм², а при полуавтоматической сварке в углекислом газе с применением сварочной проволоки диаметром 1—2 мм достигает 200— 250 а/мм². Чем больше плотность тока, тем стабильнее горение дуги, так как термоэлектронная эмиссия более.интенсивна.

На устойчивость горения дуги под водой оказывает влияние и «чехольчик», который образуется на конце электрода в результате некоторого запаздывания плавления электродного покрытия по сравнению с плавлением стержня. Как ранее указывалось. дуга под водой горит в газовом пузыре, объем которого не превышает 1—1,5 см³.

Известно, что температура столба дуги по сечению не одинакова. В центре температура выше, поэтому происходит диффузия частиц от центра к периферии. Диффундирует и атомарный водород, который, попадая в более холодные участки, образует молекулярный водород, выделяющийся в виде пузырьков. Этот водород частично соединяется, с кислородом, образуя воду, а частично растворяется в металле.

Давление газов, окружающих дугу и расплавленный металл, повышается с увеличением глубины, например, при сварке на глубине 10 м парциальное давление водорода составляет 1,7 ати, а на глубине 20 м — 2,6 ати.

Большое давление воды и газов в дуге увеличивает проникающую способность дуги, и металл при сварке под водой проплавляется больше, чем при сварке на воздухе.

Водород также существенно влияет на механические свойства наплавленного металла. При высокой температуре водород растворяется в жидком металле, образуя растворы внедрения. Максимально растворяется водород в металле в дуге при переносе капель металла.

В связи с очень быстрым охлаждением и образованием корки на поверхности валика водород не успевает выделиться из металла. В моменты аллотропических превращений, когда растворимость водорода в стали резко падает, происходит быстрый процесс его выделения. Водород заполняет несплошности и образует поры и трещины - флокены.

Кроме того, насыщение металла водородом приводит к резкому снижению его пластических свойств: относительное удлинение равно 4—5%; ударная вязкость — 1 - 2,5 кг·м/см²; угол загиба — 25—35^o. Если учесть, что при недостатке раскислителей металл шва будет еще насыщен кислородом, то становится ясно, почему металл, наплавленный под водой, имеет низкие пластические свойства.

Сварка и резка под водой может производиться при питании дуги переменным или постоянным током, который обеспечивает лучшую стабильность дуги. Для закрепления электродов и подвода к ним сварочного тока применяются специальные электрододержатели (рис.2).

Рис.2. Электродержатель для подводной кислородно-дуговой резки

1 - головка; 2 - зажимной патрон; 3 - клапан; 4 - подвод кислорода; 5 - кабель

Сварочный ток для сварки под водой подбирается так же, как и для сварки на воздухе, но он должен быть на 15—20% больше.

Режимы кислородно-дуговой резки подбираются по таблице 1.

Газы, заполняющие пузырь при горении дуги под водой, находятся под давлением окружающей воды, и если зажечь дугу между трубчатым электродом и изделием без предварительной подачи воздуха или кислорода, то газы устремятся в канал электрода, увлекая за собой капли расплавленного металла. Это нарушит нормальный процесс горения дуги. То же самое происходит при обрыве дуги с предварительным прекращением подачи воздуха или кислорода.

Поэтому при зажигании дуги под водой между трубчатым электродом и изделием следует сначала подать газ в канал трубчатого электрода, а затем коротким замыканием зажечь дугу. При прекращении процесса резки или при смене электрода следует сначала оборвать дугу, а затем прервать подачу газа.

Рис. 3. Электрокислородная подводная резка.

Зажигать дугу следует у кромки разрезаемого металла. В месте начала резки электрод следует задержать до тех пор, пока не будет прорезана вся толщина металла. Если же операция начинается с середины изделия, то после зажигания дуги электрод необходимо удерживать на одном месте до образования сквозного отверстия. После этого электроду сообщается два движения — поступательное по оси для поддержания нормальной длины дуги и продольное по линии реза.

Определить, прорезан ли металл, можно по направлению струи шлака, расплавленного металла и искр, вырывающихся из-под электрода. Когда металл прорезан нормально или образовано сквозное отверстие, струя шлака и поток искр исчезает с поверхности реза. Если при передвижении электрода струя шлака и сноп искр начнет перемещаться вверх, то это значит, что металл не прорезается и нужно замедлить продольное перемещение электрода.

Резку можно производить тремя способами.

Метод резки с поддержанием видимой дуги (рис.3 а) применяется при малой толщине разрезаемого материала (2—5 мм). При этом после зажигания дуги расстояние от «чехольчика» до изделия составляет 2—3 мм, и электрод перемещается равномерно вдоль линии реза.

Из-за плохой видимости и значительной трудности поддержания постоянной видимой дуги этот метод применяется редко. Большим преимуществом пользуется метод опирания (рис.3 б). Он заключается в том, что после зажигания дуги и возникновения нормального процесса резки, резчик опирает «чехольчик» электрода на металл, поддерживая его под углом 10—15^o в сторону движения. Этот метод наиболее прост и удобен, в особенности при применении шаблонов.

Метод углубления электрода (рис.3 в) рекомендуется при резке толщин более 30 мм.