Чаще всего сварка, особенно сварка где-то в быту, делается по принципу: кое-как слепили, кое-как наварили, кое-как держится. Но если использовать знания теории, то результате будет куда лучше. Я сделал небольшой конспект с основами физики и материаловедения для "бытовых" сварщиков.
Основные физические свойства металлов
Начнём с физических свойств. Поскольку мы обычно используем электродуговую сварку, и собственно сейчас мы про это и говорим, то электропроводность напрямую определяет, как мы можем варить.
Если у вас есть грязь на том изделии, которое вы свариваете, то высокие токи при низких напряжениях будут плохо проходить через это изделие. Прежде чем прицепить крокодила на железяку, которую вы будете сваривать, полезно ее зачистить, потому что электропроводность так увеличится.
Если материалы грязные, то и дуга может не разгораться, и будут залипать электроды, и всякие гадости будут происходить.
Ещё важно помнить про теплопроводность - во-первых, так вы не обожжёте руку, а во-вторых - зона термического влияния сварного шва зависит от теплопроводности и у металлов она довольно высокая.
Теперь про склонность к окислению. Когда мы свариваем две детали, нужно добиться максимальной частоты соединяемых поверхностей. Это нужно для того, чтобы тот материал, который у нас попадает с электрода на сам по себе шов, попадали в прямую реакцию при высокой температуре с этим основным элементом.
Если у нас есть какое-то покрытие или какая-то грязь, или, еще хуже, оксидная пленка, то шов не будет схватываться. И вот чуть позже мы поговорим о том, что окисление - это прямой враг при сварке, особенно, например, цветных металлов. И тот же алюминий варится всегда в защитных атмосферах.
Когда подбираются электроды для сварки, когда подбираются пары металл-металл, которые мы свариваем, они должны хорошо друг с другом дружить. Впрорчем, это скорее теория для общего развития. В бытовых условиях такие ситуации довольно редкие. Опять-таки, выше мы скажем про такие штуки, как гальванические пары, про различные варианты коррозии.
Очень плохая идея сваривать те металлы, которые образуют друг с другом такую пару. Почему? Потому что усилится коррозия. Если сразу ничего не заметите, то через пару месяцев такое изделие превратится просто в решето.
Поэтому сопоставимость металлов в одной детале, в одном соединении, в одном изделии – это важный момент, и это лучше проверять по справочнику.
Самое важное - это структура
Следующее – это структура металла, знание кристаллической решетки и о том, как нагрев меняет её. Это, на самом деле, просто ахиллесовая пита или самый важный пункт, про который нужно поговорить.
Все материалы, а в частности металлы, имеют атомную структуру. Атомная структура - это расположение атомов этого элемента определенным образом и в определенной последовательности.
Как правило, все металлы, с которыми мы будем работать при сварке, имеют кристаллическую атомную структуру.
Кристаллическая решетка характеризуется рядом с параметров. Это расстояние между атомами, это размеры самих атомов и это их расположение в структуре всего элемента, всего образца. Когда мы про это говорим, нам очень важно понимать, что есть разные кристаллические элементы с разными структурами.
Если эти структуры сильно различаются, то не всегда получится сварить такие элементы. Для того, чтобы понять, будет это работать или нет, полезно обращаться к разным таблицам, в которых все это расписано.
Еще не менее важный факт, что любое термическое влияние и любое термическое воздействие на эту структуру меняют ее. Иными словами, если у нас была закаленная сталь и мы ее свариваем, то эта закаленная сталь скорее всего отпустится.
А еще есть такая гадкая штука, как зона термического влияния сварного шва. Все очень просто. Когда догорит электрическая дуга, температура металла в этих точках достигает огромных показателей.
Эти огромные показатели настолько сильно меняют кристаллическую структуру, что атомы переставляются внутри материала другим образом. Когда это происходит, изначальные свойства изделия мы уже теряем. Ведь, как вы помните из материаловедения, у нас главное, что есть - это связь структуры со свойствами.
Когда структура металла изменилась, свойства металла тоже обязательно изменятся.
К чему это приводит? К тому, что происходят разные паразитные явления при сварке. Это охрупчивание в зоне термического влияния, это потеря причностных свойств и много чего другого. Это сложно контролировать и сложно избежать.
Когда мы говорим про какие-то отработанные технологические процессы, там все это выверено. Вся технология настолько отточена, что и переживать не о чем. Когда же мы с вами говорим про такие вот работы, которые есть у нас на даче, часто про это просто никто не думает.
Потому кристаллическая решетка это самое важное, что должен знать о металле сварщик, и он обязательно должен знать, что кристаллическая решетка меняется при неправильной термической обработке.
А еще очень полезно знать, что если мы аккуратно работаем, то влияние на эту кристаллическую исходную решетку будет минимальным. Это нужно держать в голове и на это нужно обращать внимание.
Дальше у нас есть понимание, что от структуры зависят свойства. Например, мелкозернистая сталь прочнее крупнозернистой. Это важный момент. Почему? Потому что одно из самых ярких паразитных явлений, которые мы наблюдаем, это неконтролируемый рост зерна. Очень часто и охрупчивание происходит по этой причине.
Что такое зёрна и причём они тут?
Когда мы рассматриваем структуру металла в микроскоп, мы видим, что она похожа на какую-то такую засохшую пустыню. Вот эта вот засохшая пустыня, это соединение атомов определенным образом. Какое-то время атомы соединяются практически идеально. Пока это так, у нас растет равномерная гомогенная структура, и получается одно аккуратное зернышко.
В какой-то момент эта гомогенность упирается в неправильную ориентацию структуры и еще во что-то дефективное. Получается, что у нас одна зона с хорошей структурой, где атомы расположены правильно, и другая зона с правильной структурой встречаются вместе. Образуется переходная зона. Это и будет граница зерна. Пока граница зерна выглядит так, как планировалось том изделии которые мы делаем, все в порядке, но когда мы начинаем нагревать железяку, атомы на стыках начинают перепрыгивать из одной системы в другую. Это приводит к тому, что растут зерна. Когда зерна растут - это дефект для материаловедения и этот дефект приводит к повышению хрупкость. Когда хрупкость растет - изделие становится хуже.
Не нужно ничего перегревать. Нагрев это всегда плохо но без нагрева варить мы не сможем поэтому, а потому должны выдерживать некоторый баланс и стараться нагревать образец как можно слабее и сохранять структуру, которая была.
Но есть тут подводный камень - если не греть деталь на достаточную температуру, то у нас не будет провариваться шов. Будут появляться различные дефекты.
По большому счету - самый простой способ это варить теми электродами, которые подходят по табличке, и с теми параметрами режима, которые у вас написаны на пачке.
Разные дефекты
Дальше у нас тут возможные дефекты, которые будут появляться. Трещины, закалочные структуры, поры.
Трещины, как правило, появляются при быстром охлаждении. Структура закалки всегда связана с движением слоев внутри детали.
В случае черняги - это углерод пытается внедриться в твердый раствор, который у нас образуется. Чем быстрее это происходит, тем более неприятная и напряженная выходит структура металла. Поэтому, если быстро охладить образец или варить в режиме несоответствующем реальности, у нас есть большие шансы, большие вероятности того, что все это потрескается. Решение очень простое - первое мы не должны перегревать железяку, а второе - нужно остужать образец равномерно. Ну и, конечно же, не стоит поливать сварной шов водой.
Дальше про поры. Поры и дырки образуются из-за того, что образец был, нпример, грязный. Мы варили образец который покрашен масляной краской Краска горела и в результате выделяла активно гадкие газы, которые во-первых воняют, а во-вторых - они портят, собственно говоря, весь шов. Они портят шов и химически, и физически. Химически они портят шов, потому что те продукты сгорания, которые у нас есть, смешиваются с расплавленным металлом и не позволяют образоваться правильному подходящему соединению.
Обработайте минимально образцы, с которыми работаете Сточите старую краску. Ну и те газы, которые у вас отводятся, как правило, попадают в шов, который кристаллизуется довольно-таки быстро. И там образуются пузырьки воздуха. Это плохо, потому что шов не сплошной. Все, что не сплошное, быстро и легко ломается.
Следующий момент, который важен, это подбор правильного состава электрода. Ведь если электрод неподходящий и обмазка неправильная, либо его используют неправильно, то тоже будут подходить вот такие вот пузырьки воздуха, шов, который у нас получается. Это важный момент. В идеальном случае нужно было бы изготавливать образцы и смотреть, какой шов получается, смотреть его под микроскопом и все это дело прорабатывать и оттачивать технологию.
Но мы-то разбираем процесс для бытовых задач и, конечно же, не будем это делать, потому что это сложно.
Следующий момен - это закалочные структуры. Мы про них уже проговорили. Но для вас, как для практика, это не имеет принципиального значения. Важнее всего помнить, что любой нагрев металла до критической точки подразумевает измененеи исходной его структуры.
Следующий момент касается свариваемости. Свариваемость у стали разная. Свариваемость – понятие сложное, но для того, чтобы понять, как все это происходит, вам нужно примерно представлять физический процесс сварки. В чем он заключается?
Физика процесса переноса металла на шов
У нас есть электрическая дуга, но почему бы просто не разжигать электрическую дугу каким-нибудь щупом или чем-то другим? А все просто - нам нужен припой, который летит с электрода.
Если вы посмотрите на то, как работает сварка под микроскопом и замедленной съемки, вы увидите, что электрическая дуга переносит капли расплавленного металла с электрода на тот шов, который мы делаем. И получается сложный физический процесс.
Мы нагреваем одну стенку образца, другую стенку второго образца, располагаем их рядом друг с другом, доводим до температуры плавления и на ту зону, которая у нас между этими образцами имеется, мы переносим элементы электрода.
Электрод при этом имеет сложную конструкцию, он покрыт специальной обмазкой и помимо этого состоит из проволоки. Проволока является основным материалом, а обмазка является некоторой легирующей добавкой.
Обмазки бывают разные и, как правило, они служат для разных целей. Некоторые из них, например, образуют защитную газовую среду вокруг шва, который сваривается. Иногда ее бывает достаточно. И поскольку мы говорим про бытовые варианты использования сварочного аппарата, вам, скорее всего, на 95% этого будет достаточно. Я еще, честно говоря, не видел, чтобы заборы варили с помощью защитных атмосфер типа аргона.
И вот когда все это происходит, вам нужно понимать, как функционирует металл.
А металл функционирует все так же. Есть образцы, пускай они будут одинаковые для удобства, у них есть кристаллическая структура. Эта кристаллическая структура определенные параметры, как мы сказали, имеет, и они будут отличаться в зависимости от типа металла. Определенные параметры - это когда у нас атомы расположены некоторым структурированным стандартным образом.
Мы нагрели один образец из атомов, другой образец из атомов, потом поднесли их близко друг к другу. Довели до температуры начала плавления. На щель между деталями мы наносим расплавленный припой, который летит с электрода и переносится дугой. Когда с электрода летят капли металла, они вступают в взаимодействие с основной частью материала. Когда это происходит, это не просто какое-то там налипание или что-то такое. Происходит реакция на атомном уровне с участием металла от двух деталей и мтеалла от припоя электрода.
Структура объединяется так, что атомы из электрода пролезают в в атомную структуру основного материала. И пока это так, у нас образуются сложные соединения. Атомы взаимодействуют таким образом, что пытаются построить новую структуру. Дальше начинаются разные интересные шутки. Если структуры были одинаковые, то образец просто перестраивается.
Образуются новые, допустим, границы зерен или что-то такое, и получается хороший гомогенный шов. Это когда материалы обладают хорошей сваримостью. Когда материалы обладают более плохой сваримостью, атомы одного элемента оказываются отличными от атома другого элемента. А еще хуже, если у нас там есть какие-то сложные химические соединения. И тогда вот этому всему при высокой температуре некуда деться. Структура получается ломанная и не образуется нормальное её строение. Механических свойств витоге просто нет.
Термическая обработка шва
Стоит сказать пару слов про термическую обработку полученного соединения. Иногда просто буквально очевидно, что вы перегрели металл или резко его охладили. Более того - иногда резким охлаждением является охлаждение просто на воздухе. Тогда мы можем попробовать нормализовать структуру. А что для этого нужно сделать?
Но мы уже помним, что у любого металла есть кристаллическая структура. У этой кристаллической структуры атомы расположены определенным образом, и когда мы чего-то там нахимичили с температурами, атомы встали непонятно как. Образовалась зона термического влияния, иногда очень обширная. Для того, чтобы попробовать вернуться к исходной структуре, например, опять повысить вязкость и исключить хрупкие разрушения такой конструкции, нам с вами можно попробовать это дело нормализовать с помощью локального нагрева.
Например, взять паяльную лампу или взять газовый резак и зону, где было явное термическое влияние, как следует прокалить и дать ей спокойно остыть на воздухе. Очень часто такие манипуляции помогают изделию сохранять исходные свойства. Но всё зависит от исходной структуры деталей. Делать это нужно аккуратно и с умом.
На самом деле, для таких целей нужно использовать диаграмму состояния, смотреть, что именно мы свариваем друг с другом и смотреть, в какие зоны мы попадаем. Но диаграмма состояния - штука довольно сложная и не все в них легко ориентируются. Поэтому просто знайте, что любую структуру, полученную в результате сварочных работ, можно нормализовать. Иногда это нужно. В идеальном случае, конечно, это чуть ли не научная работа, и вам нужно все это дело отрабатывать на практике.
Сварной шов и его неприятные особенности
Сварной шов это всегда какая-то неприятная зона, даже если вы его смогли как-то обработать, если вы не нарушили технологию, или если вы потом его отпускали посредством горелок и нормализации, всегда это будет проблема, всегда там будет коррозия.
В этих зонах наибольшая химическая активность потому сварные швы полезно защищать. Во-первых, удалять все остатки флюса и всякой гадости. Полезно обработать поверхность. В зоне влияния шва активность будет высокая, потому что структура нарушена. Электроны будут пытаться хватать то, что есть снаружи. Обычно это кислород и коррозия.
Нанесите какую-то краску на очищенный шов. Лучше использовать сразу краску по ржавчине потому что она включает и грунтовку, и все остальное что необходимо для правильного процесса.
Как варить правильно? Это на самом деле отдельная тема для лекции. Но зная даже то, что мы сейчас с вами обозначили физически, мы можем сказать, что знаем больше.
Хочется помочь проекту, но нет возможности купить премиум? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️. Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями
