Ковка клинка с нуля. Часть IV. Кузнечная сварка

Кузнечная сварка не обеспечивает высокой надежности сварного соединения, она малопроизводительна, пригодна для ограниченного числа сплавов, требует высокой квалификации рабочего и реже применяется на заводах, где всегда имеются другие, более современные методы сварки (дуговая, газовая, контактная и др.). Однако в полевых условиях, при ремонте неответственных деталей машин, при ковке сложных поковок ручной ковкой часто применяют кузнечную сварку.

Этот метод относится к сварке давлением и состоит в сближении соединяемых поверхностей путем пластического деформирования на расстояния (2-М) −10«8 см, при которых возникают межатомные силы притяжения. Получить высококачественное неразъемное соединение можно только при условии удаления с соединяемых поверхностей окисленных и других загрязняющих пленок. При сварке давлением это достигается приложением к свариваемым поверхностям давлений, достаточных для разрушения и удаления загрязняющих пленок и снятия всех неровностей на поверхностях заготовок. Таким образом, для осуществления кузнечной сварки металл заготовки должен обладать высокой пластичностью, низким сопротивлением деформированию, а соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены в момент пластического деформирования.

Получение неразъемного соединения кузнечной сваркой состоит из следующих основных операций: подготовка заготовок к сварке, нагревание свариваемых частей заготовок, сварка заготовок пластическим деформированием, отделка заготовки в месте сварки и правка.

Сведения о сплавах, подвергаемых кузнечной сварке

Чаще всего кузнечной сварке подвергают низкоуглеродистые конструкционные стали. Для кузнечной сварки рекомендуют стали с содержанием углерода до 0,3%, не более 0,2% кремния, 0,6-0,8% марганца и не более 0,05% серы и фосфора каждого. При необходимости сварки сталей с повышенным содержанием углерода (больше 0,3%) рекомендуют добавлять к сварочному флюсу опилки из мягкой стали, в которой очень мало углерода. При обработке нагретой под сварку части заготовки такими опилками металл обезуглероживается, что повышает свариваемость поверхностного слоя заготовки.

Подготовка заготовок к сварке состоит в придании соединяемым концам определенной формы. Подготавливаемые концы, как правило, подвергают высадке, их форма зависит от метода сварки. Увеличение сечения свариваемых концов необходимо для выполнения пластической деформации при сварке и придании сварной части поковки требуемой формы.

Режим нагрева заготовок для сварки

Температура нагрева сталей под сварку зависит от содержания в них углерода. Чем больше углерода в стали, тем ниже температура нагрева. Мягкую низкоуглеродистую сталь нагревают до температуры 1350—1370°С. При этой температуре свариваемые концы приобретают ослепительно белый цвет. При сварке стали с повышенным содержанием углерода (например, при сварке лезвия топора из стали У7) заготовку нагревают до температуры 1150°С. Заготовка при такой температуре имеет цвет белого каления с желтоватым оттенком. Хорошее качество сварки возможно при выполнении пластической деформации без понижения температуры металла. Поэтому сварку следует вести быстро, свариваемые концы должны быть тщательно очищены от окалины и шлака.

Температура нагрева заготовок под сварку превышает температуру начала ковки Тн. Как известно, при температуре выше Тн происходит не только интенсивное образование окалины, но и возможен пережог металла.

Для уменьшения образования окалины и удаления с поверхности перед сваркой, а также с целью предохранения металла от пережога заготовку посыпают флюсом. В качестве флюса используют кварцевой песок, смешанный с бурой, или поваренную соль, Так как марганец повышает свариваемость стали, то иногда к флюсу добавляют немного марганца. Флюс посыпают на заготовку в период нагрева, когда ее температура достигает 950-1050°С. Под действием высокой температуры флюс соединяется с окалиной, образуя шлак, который обволакивает заготовку и защищает ее поверхность от окисления при дальнейшем нагреве.

Для нагрева свариваемых концов используют горны и сварочные печи. Камерные печи, предназначенные для нагрева заготовок под ковку, в данном случае неприменимы, так как они не обеспечивают нагрев до высоких сварочных температур. Нагревание под сварку требует, чтобы пламя в горне или печи не было окисленным, т. е. чтобы сгорание топлива происходило при максимальном усвоении кислорода и в очаге не было его излишка. Наилучшим топливом для горна при нагреве заготовок под кузнечную сварку является древесный уголь.

Нагретые заготовки извлекают из горна, ударами о наковальню или ударами молотка сбивают образовавшийся шлак и окалину или счищают их металлической щеткой. Затем, быстро сложив вместе свариваемые концы заготовок, наносят сначала слабые, но частые удары по месту сварки. При слабых ударах остатки шлака выдавливаются наружу, поверхности стыка плотно прижимаются друг к другу, что защищает их от окисления. Сварку заканчивают сильными ударами, подвергая место сварки достаточно большим деформациям и придавая заготовке нужную окончательную форму.

При проковке места соединения отдельные слои металла соединяемых концов внедряются друг в друга, переплетаются, что дополнительно увеличивает прочность соединения. В зависимости от окончательной формы места сварки поковку правят, используя гладилки, обжимки, подбойки и другой кузнечный инструмент.

Способы сварки

Подготовку концов свариваемых частей и их сварку осуществляют разными способами. Сварка нахлесточного соединения обеспечивает наибольшую прочность сварному стыку. Повышенное качество сварного соединения объясняется увеличенной поверхностью соприкосновения свариваемых частей и возможностью подвергать большим деформациям соединяемый участок. Перед сваркой концы заготовок высаживают и им придают форму загнутых утолщений, повернутых относительно продольной оси на угол ~30°.

Способы кузнечной сварки: а) внахлест, б) вразруб, в) встык  

Способы кузнечной сварки: а) внахлест, б) вразруб, в) встык

Подготовленные концы, предварительно подогрев до 1000°С и покрыв флюсом, нагревают до сварочной температуры. Нагретые и очищенные от флюса и окалины концы накладывают друг на друга и легкими, но частыми ударами прижимают друг к другу, а затем сильными ударами тщательно проковывают место соединения. Одновременно выполняется операция протяжки для придания участку сварки первоначальных размеров. После сварки поковке придают требуемую форму.

Достоинством этого способа сварки является также то, что форма исходных свариваемых поверхностей обеспечивает хорошее удаление остатков шлака с соединяемых поверхностей. Заготовки толщиной или диаметром до 30 мм сваривают за один прием и с одного нагрева. При толщине свариваемых концов более 30 мм операцию осуществляют в два приема: с первого, нагрева сваривают тонкие участки утолщений, со второго нагрева выполняют окончательную сварку. При диаметре заготовок свыше 50-60 мм сварку осуществить ручной ковкой не удается, ее выполняют на молоте.

Сварка вразруб требует более сложной подготовки свариваемых концов. Один из них высаживают, разрубают вдоль продольной оси заготовки, а образовавшиеся «лепестки» раздвигают. Конец второй заготовки также высаживают и заостряют так, чтобы он входил в разруб первой заготовки. Нагретые до сварочной температуры и очищенные от шлака концы вставляют друг в друга и энергичными ударами, формируя металл, производят сварку, а затем окончательную отделку заготовки.

Сварку стыкового соединения применяют в тех случаях, когда из-за малых размеров заготовки невозможно подготовить соединяемые концы для нахлесточного соединения. В одних случаях концы заготовок просто закругляют, нагревают до сварочной температуры, стыкуют друг с другом и ударами вдоль оси с двух сторон сваривают. Под действием ударов нагретое место стыка осаживается, увеличивается в диаметре. Поэтому после сварки место стыка протягивают до нужного диаметра.

Сварка стыкового соединения без предварительной высадки соединяемых концов по прочности уступает сварке такого же соединения с предварительным утолщением концов заготовки. При этом способе нагретые концы высаживают, а торцы скругляют.
Подготовленные концы стыкуют и, нанося вдоль оси заготовок по их холодным концам удары, выполняют сварку, а затем окончательную отделку поковки.

Полосовые заготовки сваривают способом врасщеп. Концы заготовок надрезают вдоль продольной оси и разводят. После нагрева до сварочной температуры концы стыкуют и проковывают до получения прочного соединения и исходных размеров.

kuzsvar502

Способы кузнечной сварки: г) врасщеп, д-е) приемы подготовки и сварки заготовок взамок

При сварке концов поковок типа колец или их ремонте применяют сварку с помощью шашек — сварка взамок. Свариваемые концы перед нагревом под сварку подвергают высадке и ковке до получения формы. Из металла заготовки подготавливают вспомогательные шашки. При температуре сварки шашки укладывают между концами закрепленных заготовок и сильными ударами подвергают совместной пластической деформации. Сваренное место затем правят. Этот способ сварки, как правило, выполняют на молоте.

Дефекты при кузнечной сварке и контроль сварного соединения

Дефекты при кузнечной сварке условно можно свести к двум видам: низкое качество сварного соединения, несоответствие размеров и формы поковки требуемой. Сварку считают выполненной хорошо, если прочность сварного соединения не ниже 80-85% прочности металла свариваемых заготовок. Прочность шва может быть проверена изгибом прутка в месте сварки. При хорошем качестве сварки при изгибе шов не расходится и на поверхности металла не появляются трещины.

Нарушение режимов кузнечной сварки может привести к следующим дефектам:

Непровар появляется при недоброкачественной очистке соединяемых поверхностей перед сваркой: стыкуемые поверхности плохо очищены от окалины; после зачистки поверхностей нагретых заготовок задержалось начало ковки и на соединяемых поверхностях образовалась вторичная окалина; свариваемые поверхности недоброкачественно обработали флюсом; при сварке стыкового соединения концы заготовок плохо закруглили, в середине стыка остался шлак, препятствующий сварке концов.

Пережог — неисправимый брак, который возникает в случае нагрева концов заготовок до температуры, превышающей сварочную. Этот дефект очень вероятен при выполнении кузнечной сварки, так как температура сварки весьма близка к температуре пережога и при недостаточно внимательном нагреве легко ошибиться и пережечь металл.

Низкая прочность сварного шва и околошовной зоны. Нагрев заготовок до сварочной температуры сопровождается ростом зерен. В случае малого набора металла при высадке свариваемых концов степень деформации металла при сварке будет недостаточной, зерна не раздробятся и металл шва будет иметь крупнозернистую структуру и пониженную прочность.

Низкая прочность околошовной зоны возникает при нагреве концов заготовки перед сваркой на большую длину. Крупнозернистая структура металла в месте стыка прорабатывается (измельчается) в процессе ковки утолщений, а зоны, прилегающие к концам и не имеющие утолщений, такой деформации не подвергаются и сохраняют крупнозернистую структуру. Поэтому при сварке следует нагревать только утолщенные концы соединяемых заготовок.

Неточность размеров сечения поковки после сварки возникает при недостаточном наборе металла на свариваемых концах. При проковке таких концов сечение поковки уменьшается и окончательные размеры окажутся меньше требуемых по чертежу. Правила безопасности труда при выполнении кузнечной сварки связаны с высокой температурой нагрева металла и применением флюсов. При перегреве металл начинает искриться, а на поверхности заготовки образуется жидкий шлак. При работе с такими заготовками в момент зачистки и ковки брызги шлака и искры могут вызвать ожоги, а также возгорание легковоспламеняющихся материалов и одежды. Поэтому при кузнечной сварке поковки нагрева следует аккуратно и тщательно очищать от окалины и шлака, а рабочее место должно отвечать требованиям пожарной безопасности.

Полезные советы:

  1. В качестве заготовок для изготовления бородков, фасонных зубил и т. п. можно использовать стандартные молотки, придав их рабочим концам необходимую форму.
  2. Горн закрытого типа можно изготовить из чугунной печки-буржуйки, внутреннюю поверхность которой желательно зафутеровать огнеупорным кирпичом. Воздух подается через поддувало, в дверцу которого вмонтирован отрезок стальной трубы.
  3. Используя для подачи воздуха в горн пылесос, его подключают в сеть через лабораторный трансформатор. Изменяя питающее напряжение, регулируют подачу воздуха. При этом двигатель пылесоса будет защищен от перегрузки.
  4. Хорошие колосники для горна получают из частей литых чугунных решеток, используемых в дорожных и тротуарных водоприемниках.
  5. Чтобы уберечь мелкие детали от перегрева и проваливания в топливо, их нагревают в отрезке стальной или чугунной трубы, который помещают в раскаленные угли.
  6. При смачивании поверхности углей водой образуется спекшаяся корка, хорошо удерживающая тепло в зоне нагрева.
  7. Восстановить насечку старого напильника или надфиля можно, выдержав его в смеси разбавленных серной и соляной кислот в соотношении 1:1. При этом размер насечки станет несколько меньшим.
  8. Используя в качестве источника тепла паяльные лампы, их защищают от перегревания экраном из листового асбеста с отверстием для сопла или используют для этого металлическую сетку, обмазанную глиной.
  9. Чтобы увеличить срок службы нихромовых спиралей, их аллитируют, т. е. насыщают поверхность алюминием. Для этого спирали выдерживают в расплаве алюминия с добавкой около 1% хлористого аммония при температуре 950-1150°С.

Клинки на кузнечном форуме →

Илья Куликов,
кузнец-оружейник

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *