Технология сварки-пайки металлоконструкций из оцинкованной стали

Сварка — пайка — технологический процесс, основанный на вводе в основной металл низкого содержания тепла, что приводит к расплавлению только присадочного материала.

Возрастающие требования к повышению стойкости к кор­розии ведут к применению во многих отраслях материалов с предварительно нанесенными покрытиями. Среди различных возможностей защитить сталь от коррозии цинк приобретает особое значение благодаря своим антикоррозионным каче­ствам, с одной стороны, и его низкой цены — с другой.

Нанесенный на основной материал слой цинка составля­ет в зависимости от метода производства от 1 до 20 мкм. Большое количество оцинкованных деталей применяется в автомобилестроении, строительном хозяйстве, в вентиляци­онной и кондиционерной технике, в бытовой технике и т. п.

Благодаря катодной защите цинк имеет большое значение для защиты стали от коррозии. Если происходит поврежде­ние защитного слоя цинка, то цинковое покрытие влияет на железо катодной защитой. Это влияет также на расстоянии 1 — 2 мм на непокрытую поверхность. Благодаря дистанцион­ному влиянию катодной защиты цинка защищаются как неоцинкованные кромки срезов листов, так и микротрещины, ко­торые возникают вследствие холодной обработки давлением, а также окружение сварочного шва, в котором испаряется цинк. Таким же образом на основании катодной защиты исключает­ся подпленочная коррозия цинкового слоя кромок среза.

В чем же сущность сварки — пайки оцинкованных деталей?

Цинк начинает плавиться при ~ 420 °С и при ~ 906 °С испа­ряться. Эти качества неблагоприятно влияют на сварочный про­цесс, так как зажигание сварочной дуги сопровождается испа­рением цинка. Испарение цинка и оксидов может привести к образованию пор, трещин, дефектам сварочных соединений и нестабильной сварочной дуге. Поэтому благоприятнее для оцин­кованных деталей, если устанавливается меньше тепла. Аль­тернатива при сварке — пайке оцинкованных листов в среде защитного газа — это применение медесодержащей присадоч­ной проволоки. Особенно известны проволоки медно-кремниевые (Си SI3) и алюминиево-бронзовые. При использовании этих проволок можно назвать следующие преимущества:

  • нет коррозии сварочного шва;
  • минимальное разбрызгивание;
  • малое выгорание покрытия;
  • малое тепловложение;
  • простая последующая обработка шва;
  • катодная защита основного материала в непосредствен­ной области шва.

Эти присадочные материалы благодаря высокому содер­жанию меди имеют относительно невысокую точку плавле­ния (в зависимости от состава сплава — от 950 до 1080 °С). Основной материал не плавится, это значит, что соединение соответствует скорее пайке. Отсюда происходит также обо­значение «Сварка — пайка, или МИГ -пайка». Защитный газ рекомендуется, как правило, аргон.

Присадочные материалы

Для сварки — пайки оцинкованных листов рекомендуются следующие медные сплавы:

  • CuSi3;
  • CuSi2Mn;
  • CuA18.

В практическом применении присадочные материалы типа CuSi3 используются наиболее часто. Их существенное пре­имущество состоит в небольшой прочности, которая облег­чает последующую механическую обработку. Текучесть при­садочного материала определяется значительным образом благодаря содержанию кремния. При повышающемся содер­жании кремния плавление становится вязким, поэтому нуж­но обращать внимание на жесткий допуск в содержании ле­гирующих добавок в сплаве.

Присадочный материал типа CuSi2Mn используют также для цинковых покрытий. Дополнительное содержание 1% марганца в проволоке повышает жесткость. По этой причине ее механическая обработка труднее, чем при других медных сплавах. Эта проволока применяется прежде всего там, где не требуется последующая механическая обработка. Свароч­ный присадочный материал типа СиА18 используется преж­де всего для стали с алюминиевым покрытием.

При процессе сварки — пайки используется преимуще­ственно управляемый переход материала в шов, следова­тельно, импульсная сварочная дуга. В некоторых случаях при­менения, специально при толстых слоях цинка от 15 мкм, большое количество испарений может вести к нестабильно­сти процесса пайки или сварки. Поэтому удобнее в случаях такого типа применять короткую сварочную дугу, которая мо­жет держаться стабильнее. В этом случае предъявляются вы­сокие требования к источнику питания и его характеристике регулировки.

В среде богатого аргоном защитного газа посредством надлежащего выбора параметров основного и импульсного тока достигается управляемый, без короткого замыкания пе­реход материала в шов (рис.1).

Переменная форма импульса при сварке — пайке (Iknt-сила тока, при которой применяется струйная дуга, IM — ус­редненная сила тока).

При оптимальном выборе параметров капля присадочного материала отрывается от проволочного электрода по импуль­су. В результате процесс почти лишен брызг. Исследования показали, что различные присадочные материалы и защит­ные газы требуют различной формы импульса. Это привело к отдельной для каждого присадочного материала «срезан­ной» по массе форме импульса. Особенно это действует для бронзовой и медной проволок.

Рис. 1

Чтобы в тонких листах испарение цинка оставалось как можно меньше, нужно вести процесс при небольшой силе тока. Поэтому главное требование состоит в том, чтобы ис­точник тока в нижней области мощности обеспечивал осо­бенно стабильную дугу. Низко устанавливаемая сила основ­ного тока при этом так же важна, как и быстро реагирующее регулирование длины дуги, чтобы длина дуги могла держать­ся короткое время. Следствие — небольшой нагрев основно­го материала и уменьшение количества испарения цинка. Как результат обоих эффектов — встречается небольшое количе­ство пор (рис. 2).

Это положительно влияет как при последующей обработ­ке шва шлифовкой, так и при повышенном показателе проч­ности соединения пайкой.

Рис. 2. Угловой шов при импульсной сварочной дуге (толщина листа 1,5 мм)

Режим синержик

Хорошего результата пайки МИГ оцинкованных листов можно достигнуть только при помощи источника питания с достаточно богатым уровнем свободы в выборе параметров. Благодаря множеству бесступенчато устанавливаемых пара­метров (приблизительно тридцать параметров) можно без проблем улучшить отрыв капли при сварке импульсной ду­гой или использовать короткое замыкание при сварке корот­кой дугой для большого количества присадочных материа­лов. Эти дополнительные параметры усложняют обслужива­ние источника питания и ограничивали бы из-за этого круг пользователей лишь экспертами.

При помощи так называемого режима синержик (цифровое управление) с запрограммированными параметрами для каждой комбинации проволоки и газа этот процесс очень прост в обслуживании для пользователя.

Производитель сварочных аппаратов принимает на себя задачу оптимизации параметров для многих различных ос­новных и присадочных материалов, а также защитных газов. Этот научно обоснованный результат записывается в элект­ронном запоминающем устройстве в форме банка данных. Пользователь получает выбор параметров для любого при­садочного материала прямо в источнике питания. Встроен­ный микропроцессор заботится о бесступенчатом выборе мощности в диапазоне от минимума до максимума.

Подача проволоки

В сравнении со стандартными проволоками бронзовые проволоки очень мягкие. Поэтому предъявляются особые тре­бования к механизму подачи проволоки. Подача присадочной проволоки должна осуществляться свободно, без трения. 4-роликовый привод с задействованными подающими роли­ками передает сам при небольшой силе прижима достаточ­ную силу для подачи проволоки. Обычно используются гладкие ролики с полукруглой канавкой. Чтобы удерживать неболь­шое сопротивление трения в шланговом пакете, нужно исполь­зовать тефлоновый или пластмассовый канал. Точное вхож­дение проволоки в контактный наконечник — следующая ос­новная предпосылка для бесперебойной подачи проволоки.

Точно подобранный по размеру контактный наконечник в горелке обеспечивает надежный контакт для передачи тока на бронзовую проволоку.

Примеры применения сварки — пайки

Процесс сварки — пайки может применяться как для неле­гированных и низколегированных, так и для нержавеющих сталей. Главным образом этот метод используется для ста­лей с оцинкованной поверхностью. Незначительное выгора­ние слоя как в непосредственной области шва, так и на об­ратной стороне обусловлено малым тепловложением и низ­кой температурой плавления присадочного материала.

Рис. 3. Примеры применения пайки МИГ в автомобильной промышлен­ности и смежных отраслях: элемент топливопровода, дверная петля

Для сварки — пайки подходят все виды сварочных швов и сварочные позиции, которые известны для сварки в среде защитного газа. Как вертикальные швы (снизу вверх и сверху вниз), так и потолочные позиции выполняются безукоризненно. Скорость сварки при пайке МИГ идентична сварке МАГ (до 100 см/мин).

Множество практических применений процесса пайки МИГ известны в автомобильной промышленности и смежных от­раслях. Примеры показаны на рис. 3.

Возможно применение сварки — пайки и для более прочных материалов, таких как стали, например, велосипедные рамы.

Особенность применения сварки — пайки состоит в том, что при обычной сварке металла в среде защитного газа ко­роткой дугой сварочный шов выпуклый. Поэтому даются ог­раничения на длительность прочности. Пайка твердым при­поем может вызвать коробление трубы. Процесс сварки — пайки делает возможным и то и другое: вогнутый шов и не­большое тепловложение в металл.

Рис. 4. Велосипедная рама, изготовленная методом сварки-пайки на работе