§ 56. КУЗНЕЧНАЯ СВАРКА

Кузнечной сваркой называется процесс соединения кусков металла, нагретых до пластического состояния, с применением внешнего давления. Как известно, сталь, нагретая до определённой температуры, обладает пластическими свойствами; если температуру повысить настолько, чтобы поверхность нагреваемого куска приняла тестообразный вид, то такие два куска, будучи прижаты друг к другу, сварятся, т. е. образуют одно целое.

При хорошей сварке прочность изделия в месте сварки должна быть равной прочности цельного куска. В действительности достигнуть тесного соприкосновения между всеми частицами свариваемых частей металла не удаётся; поэтому прочность изделия в месте сварки обычно меньше, чем прочность целого куска. Сварку считают хорошей, если прочность сваренного шва не меньше 85 % от прочности сплошного металла.

Сварка применяется главным образом тогда, когда трудно отковать какое-либо изделие целиком. В этом случае отковывают отдельные его части, а затем соединяют их при помощи сварки. Сварка также широко используется и при ремонтных работах.

Кузнечная сварка состоит из следующих отдельных операций: 1) подготовки свариваемых концов; 2) нагрева их для сварки; 3) сварки концов; 4) проковки и отделки места сварки.

Место сварки должно быть хорошо проковано. Чтобы после сварки и проковки получить то же сечение изделия, которое было и до сварки, свариваемые концы сначала высаживаются, а затем отковываются, в зависимости от принятого способа сварки. После подготовки свариваемые концы подвергаются сварочному нагреву. Нагрев под сварку чаще всего производится в горнах или в специальных сварочных печах. Обычные кузнечные печи для нагрева металла под сварку не приспособлены и не обеспечивают температуру сварочного нагрева. Наилучшее топливо для нагрева под сварку — древесный уголь и кокс. Применяется для нагрева также и каменный уголь, но при условии, если серы в нём не больше 1 %, так как сера ухудшает качество шва сварки.

Температура сварки — около 1275–1400°, т. е. значительно выше температуры начала обычной ковки. Такой высокий нагрев способствует тому, что свариваемые части соединяются лучше. Температура нагрева под сварку зависит от химического состава сталей: чем больше углерода или примесей содержит сталь, тем ниже температура нагрева под сварку. Нагрев под сварку малоуглеродистых сталей прекращают, когда свариваемые концы нагреваются до ослепительно белого цвета, а сталей с большим содержанием углерода — при белом калении с желтоватым оттенком. Наступление сварочного жара (температуры сварки) определяют при помощи оптического пирометра или на глаз.

Много внимания необходимо уделить нагреву свариваемых кусков стали. Необходимо, чтобы места, которые будут подвергаться сварке, не имели на поверхности окалины, не были покрыты шлаком и пр., т. е. поверхность свариваемых концов должна быть совершенно чистой. Чистота свариваемых поверхностей является основным условием для получения доброкачественной сварки, так как посторонние частицы (шлак, окалина) мешают тесному соприкосновению частиц стали между собой и тем нарушают прочность сварного шва. Нагрев нужно вести таким образом, чтобы пламя в горне или печи не было окислительным, т. е. не имело излишка кислорода, и чтобы нагреваемые места металла были покрыты слоем шлака, который предохранял бы металл от непосредственного соприкосновения с пламенем. Для образования шлака поверхность нагреваемого куска металла посыпают при нагреве флюсом. В качестве флюса может быть использован мелкий речной просеянный песок, смешанный с бурой.

Флюс быстро плавится, образуя шлак, который покрывает поверхность свариваемых мест. Этот же шлак растворяет окалину, которая успеет образоваться до покрытия металла шлаком. Когда свариваемые концы нагреты до температуры сварки, их быстро вынимают из горна, ударяют о наковальню, чтобы очистить от прилипшего к поверхности шлака, поспешно скребком и молотком очищают от него свариваемые места, быстро накладывают один конец на другой и наносят сперва слабые, а затем сильные удары молотком (кувалдой), отчего куски металла тесно соприкасаются и свариваются, т. е. соединяются в один кусок.

Энергичная проковка свариваемых частей является также основным условием доброкачественной сварки. При сварке нужно делать сильные и быстрые удары, так как только при этом условии удаётся достигнуть тесного соприкосновения между свариваемыми частицами при наивысших температурах. Кроме того, нагревание стали до сварочного жара вызывает крупнозернистое её строение в нагреваемых местах. Сильная проковка измельчает зерно и этим улучшает качество свариваемого места изделия.

Следует помнить, что хорошая сварка удаётся только при достаточно высокой температуре, поэтому её надо вести до конца при такой температуре. Это может быть достигнуто в том случае, если сварка ведётся быстро.

Последняя операция сварки — отделка поверхности сваренного места — производится с помощью обжимок и обкаток, что зависит от конфигурации свариваемого изделия и от способа сварки.

Свариваемостью обладают не все металлы, например, свинец не сваривается. Далеко не все стали обладают хорошей свариваемостью. Чем меньше примесей содержит сталь, тем лучше она сваривается. Чистое железо способно свариваться хорошо, но всякая примесь в железе ухудшает это свойство. С увеличением содержания углерода в стали свариваемость ухудшается. Свариваемость понижается также с увеличением в стали фосфора, серы, хрома, меди и т. д. Содержание марганца в стали до 0,6–0,8 % улучшает свариваемость, поэтому если в стали имеется марганец, то содержание углерода может быть повышено.

Рекомендуется следующее предельное содержание примесей в стали, при котором можно получить хорошую сварку: углерода 0,2–0,3 %, но не более 0,5 %; кремния не более 0,2 %; марганца 0,6–0,8 %; фосфора и серы как можно меньше, но не более 0,05 %. Если требуется сварить сталь с содержанием углерода больше 0,2–0,3 %, то к сварочному флюсу прибавляют опилки из мягкой стали, которые содержат небольшое количество углерода. В этом случае в месте сварки металл обезуглероживается, что и даёт возможность сварить изделие.

Способы сварки. Существует несколько способов соединения свариваемых частей, основные из них: 1) сварка встык; 2) сварка внахлёстку; 3) сварка в замок (в обхват); 4) сварка впритык; 5) сварка посредством шашек.

Сварка встык заключается в том, что свариваемые куски металла в местах сварки получают небольшую высадку (утолщение) и торцы концов слегка закругляются (фиг. 121, а). Высаженные концы закругляются для того, чтобы выжать со свариваемых поверхностей шлак, который получается при нагреве их до сварочного жара. Затем оба конца нагреваются до сварочной температуры. Кузнец берёт один конец заготовки, а молотобоец другой конец, прикладывают нагретые концы друг к другу (фиг. 121, б) и ударяют по противоположным концам (холодным) кувалдой. Под этими ударами концы свариваются (фиг. 121, в). Затем место сварки хорошо проковывается и отделывается при помощи обжимок и гладилок.

Сварка внахлёстку является более надёжным способом, чем сварка встык. Перед сваркой концы свариваемых кусков высаживаются, затем отковываются так называемые лацканы (фиг. 122, а). После этого концы нагреваются до сварочной температуры, поверхности очищаются от шлака, один лацкан накладывается на другой, как показано на фиг. 122, б, и место сварки проковывается. При помощи гладилок и обжимок сваренное место отделывается, и пруток принимает вид, изображённый на фиг. 122, в.

Сварка в замок (в обхват) применяется при сварке частей металла крупных сечений или при сварке кусков сталей различных марок. Один конец прутка нагревается и высаживается; затем высаженную часть разрубают, а также производят её разводку. При этом целесообразно разрубать конец заготовки из мягкой стали (фиг. 123, а). У другого прутка после высадки конец заостряется (фиг. 123, б). Оба конца нагреваются до сварочного жара, очищаются от шлака. Заострённый конец вводится в раструб второго прутка (фиг. 123, в). Затем место сварки проковывается и отделывается при помощи обжимок и гладилок. Если свариваются два конца из сталей различных марок, то температура нагрева для сварки у них будет разная, поэтому их удобнее нагревать в разных горнах.

Сварка впритык — это сварка, при которой один конец приваривается к другому в виде буквы Т (фиг. 124).

Сварка при помощи шашек применяется для соединения крупных частей. Концы свариваемых частей а и б высаживаются и обрубаются с наклоном приблизительно 30–40°, как это изображено на фиг. 125. Затем отковываются из той же стали, что и соединяемые части, шашки в (с таким же уклоном, какой имеют соединяемые части). Свариваемое место нагревается до сварочного жара, точно так же нагреваются и шашки. После этого шашки укладываются в треугольное пространство между свариваемыми частями а и б, и всё это проковывается под молотом. Этот способ сварки удобно применять при сварке кольцевых деталей, особенно при ремонте лопнувших колец.

Контроль качества сварки и её дефекты

Сварку считают хорошей, если прочность свариваемого шва не меньше 85 % прочности сплошного металла. В большинстве случаев прочность сварного шва изменяется в пределах 60–80 % от прочности сплошного металла.

Прочность сварного шва определяют механическими испытаниями, для чего изготовляется с помощью сварки опытный образец из стали той же марки, из которой производится сварка изделий. Практически качество сварки можно проверить изгибом прутка по месту сварки. Если при изгибе шов не расходится, т. е. не получается трещин, то считается, что сварка достаточно хороша.

Поверхность места сварки изделия должна быть ровной и гладкой. Однако возможны следующие дефекты сварки:

1. Неполная проварка, которая может получаться вследствие окалины, оставшейся на поверхности свариваемых концов; поэтому окалину с этих мест необходимо удалять полностью, посыпая свариваемые концы флюсом (кварцевый песок с прибавкой буры);
2. Непроваренная середина (фиг. 126, а), которая образуется при сварке встык, когда концы свариваемых кусков металла не закруглены, и потому в середине их остаётся шлак, препятствующий сварке;
3. Сечение (толщина) в месте сварки меньше требуемого (фиг. 126, б). Это бывает тогда, когда перед сваркой концы прутков не высаживаются (не утолщены), а при проковке места сварки сечение уменьшается;
4. Пережог, который получается, когда свариваемые концы нагреты до очень высокой температуры.

Самый характер перечисленных дефектов сварки говорит о том, что в основном они зависят от кузнеца. Исправлять дефекты после сварки, как правило, трудно, поэтому изделие бракуется либо переваривается. Для того чтобы избежать дефектов, кузнец должен точно выполнять все условия и приёмы производства сварочных работ.

Приведём некоторые примеры изготовления деталей с применением сварки.

Пример 1. Изготовление звена цепи. Требуется изготовить три звена цепи (фиг. 127, а). Для изготовления звена цепи отрубают от прутка кусок требуемой длины. Каждый конец прутка нагревается отдельно и осаживается (фиг. 127, б). Затем нагревают среднюю часть прутка (заготовки) и изгибают его. После изгиба оттягивают на наковальне свариваемые концы, т. е. делают лацканы (фиг. 127, в). Оттянутые концы сгибают на роге наковальни так, чтобы они перекрывали друг друга (фиг. 127, г). Место сварки кольца нагревается до сварочного жара, очищается от окалины и кладётся на нижник, в котором сделаны вырезы в форме полукольца (фиг. 127, д). На верх кольца накладывается верхник, в котором сделан такой же вырез, как и в нижнике, и ударами по верхнику производится сварка кольца. После этого место сварки проковывается и отделывается на роге наковальни.

Чтобы получить цепь из трёх звеньев, сначала сваривают и окончательно обрабатывают два звена, затем соединяют эти звенья третьим звеном (фиг. 127, е), которое так же, как и первые два звена, сваривают и окончательно обрабатывают. Если требуется изготовить цепь длиной в несколько метров, то сначала готовят отрезки цепи из трёх звеньев, затем эти отрезки соединяют вместе. Все звенья цепи должны иметь одинаковые размеры и форму.

Пример 2. Нужно изготовить глухой ключ для двухдюймовой гайки (фиг. 128, а). Изготовить его можно из полосы сечением 50 × 12 мм следующим образом. Отрубают от полосы кусок длиной 400–410 мм, нагревают концы и заостряют их (фиг. 128, б). Сначала нагревают до 700° один конец, загибают на длину 100 мм и складывают вдвое; такие же операции производят со вторым концом (фиг. 128, в). Отгибают концы — сначала один, затем второй (фиг. 128, г). Нагревают согнутый конец до сварочного жара и сваривают; то же самое проделывают и со вторым концом (фиг. 128, д). После сварки концы хорошо проковывают и отделывают. Затем для образования углов (фиг. 128, е) нужно перебить заготовку, согнуть полосу по форме (фиг. 128, ж), сварить оба конца и одновременно приварить рукоятку (фиг. 128, з). После этого ключ выправляется и отделывается по размеру.

Пример 3. Следует изготовить топор (фиг. 129, а), причём лезвие топора должно быть изготовлено из инструментальной стали, а остальная часть — из низкоуглеродистой. Применяется полоса сечением 60 × 35 мм. Порядок изготовления топора будет следующий. Намечают на полосе нужную длину и отрубают от полосы кусок. Отрубленный кусок нагревается и вытягивается (фиг. 129, б). Затем производится наметка (фиг. 129, в), после которой заготовка сгибается так, как это изображено на фиг. 129, г. Из инструментальной стали отковывается клинообразная заготовка (фиг. 129, д), ширина которой должна соответствовать ширине лезвия топора. Эта заготовка вставляется в основную поковку (фиг. 129, г) и подгоняется (фиг. 129, е). Затем поковку нагревают до сварочного жара и производят сварку. После сварки топор проковывают и отделывают.