Использование медных подкладок при сварке нержавеющей стали для улучшения качества шва

При сварке деталей из коррозионностойких сталей, особенно в корневой зоне, часто возникает трудность с формированием обратной поверхности соединения. Применение медных подкладок позволяет стабилизировать процесс, обеспечить симметрию проплавления и снизить вероятность прожога.

Такие подкладки особенно эффективны в ручной аргонодуговой и автоматической сварке неплавящимся электродом с подачей присадки.

Медь применяется за счёт высокой теплопроводности, превышающей 390 Вт/м·К. Это позволяет эффективно отводить тепло от зоны сваривания и предотвращает перегрев и деформацию краёв. Контакт должен быть плотным, чтобы не допускать прогаров и минимизировать провисание капли расплава. Поверхность подкладки необходимо зачищать абразивом зернистостью не крупнее Р120 и обезжиривать ацетоном.

Теплоёмкость меди при 20 °C составляет около 0,39 Дж/г·К. Это обуславливает её устойчивость к перегреву и позволяет использовать подкладку без дополнительного охлаждения при кратковременной сварке.

При длительном прогреве в многопроходной сварке может потребоваться водяное охлаждение, реализуемое через проточные каналы в теле подкладки.

Толщина медного листа должна быть не менее 5 мм при длине шва до 200 мм и не менее 10 мм при протяжённых соединениях. Применение тонких пластин приводит к прогибу и снижению теплоотвода. При сборке конструкций подкладка плотно прижимается к нижней кромке либо магнитами, либо механическим прижимом. Для вертикальных швов применяются фиксирующие лапки или винтовые опоры.

Для уменьшения прилипания капель металла и облегчения удаления окислов, рабочую поверхность покрывают графитовой смазкой, допустимо использовать составы на основе дисульфида молибдена.

Это не ухудшает контакт и сохраняет форму после многократного применения. Допускается использование вкладышей из фольги между подкладкой и изделием при сварке тонколистовых деталей.

В случае соединения трубопроводов, при невозможности установки массивной опоры, используют вставные вкладыши из медного прутка диаметром 12–20 мм. Такие элементы прижимаются за счёт распорной системы, или временной струбцины. После выполнения корня шва вкладыш удаляется, повторное использование возможно после зачистки.

В аргонодуговой сварке при применении тока до 160 А и вольфрамового электрода диаметром 2,4 мм медная подкладка позволяет уменьшить обратный валик до 1,5 мм при толщине металла 3 мм.

Это существенно упрощает последующую зачистку шва и снижает внутреннее напряжение в зоне соединения. При сварке листов толщиной от 6 мм подкладка способствует равномерному распределению теплового пятна и формированию симметричного корня.

Для автоматизированной сварки под флюсом или в защитной среде важно обеспечить стабильный зазор между изделием и подкладкой не более 0,3 мм. При большем зазоре возникает неравномерность теплового режима и возможен прожог. В серийном производстве применяются водоохлаждаемые опоры, выполненные из меди М1 или М2 с температурным расширением не выше 17 мкм/(м·°C).

Перед началом работ необходимо проконтролировать чистоту поверхности подкладки и отсутствие задиров, способных повредить основную деталь. Для зачистки не допускается применение угловых шлифмашин с лепестковыми кругами крупнее Р80, так как это увеличивает шероховатость. Грубая обработка вызывает перегрев и нарушает равномерность теплоотвода.

Допустимая температура рабочей поверхности медной пластины при сварке нержавейки толщиной до 4 мм не должна превышать 120 °C. При превышении этого значения возрастает риск деформации детали. Для контроля температуры используют контактные термодатчики, либо цветную термоиндикаторную ленту.

В производственных условиях длина подкладки выбирается на 20 мм больше длины предполагаемого шва с каждой стороны. Это исключает крайние перегревы и обеспечивает стабилизацию в начале и конце прохода. При сварке внахлёст применяются подкладки с выемкой под стыковую зону глубиной до 1,2 мм и шириной до 10 мм.

На практике, при сварке листов AISI 304 толщиной 2,5 мм с использованием аргона чистотой 99,995% и вольфрамового электрода с добавлением циркония, медная подкладка обеспечивает уменьшение ширины зоны термического влияния до 3 мм. Это положительно влияет на структуру стали и минимизирует риск межкристаллитной коррозии.

Если сварка выполняется без присадочного материала, подкладка особенно необходима для сохранения формы шва и предупреждения его провисания. В случае с изделиями толщиной менее 1,5 мм допускается использование гибких медных полос, которые формуются под нужную конфигурацию перед установкой. Важно следить за равномерностью давления и отсутствием перекосов.

При сварке труб с наружным диаметром до 76 мм используют разъёмные подкладки с секторным прижатием. В конструкции предусматриваются упоры, не позволяющие подкладке смещаться при нагреве. Места соприкосновения с изделием притираются вручную по шаблону. В случае отклонений более 0,1 мм возникает неравномерность теплоотвода.

Часто применяются медные охлаждаемые стержни с диаметром до 25 мм, используемые в вертикальной сварке тонкостенных сосудов. В теле стержня предусмотрен спиральный канал для протока воды с температурой 18–20 °C и скоростью до 1,2 л/мин. Это позволяет поддерживать стабильную температуру в зоне обратного валика.

Рекомендуется не применять подкладки из окисленной меди, так как наличие поверхностной плёнки снижает теплопроводность. При визуальном контроле должна отсутствовать побежалость, цветовые разводы и следы окисей. Восстановление поверхности проводится травлением в растворе серной кислоты с последующей нейтрализацией.

В массовом производстве изделий из стали AISI 316 с толщиной до 5 мм медные подкладки входят в состав стационарных сборочных приспособлений. Они оснащаются системой прижима с усилием не менее 100 Н, обеспечивающим равномерный контакт. При сварке с импульсной подачей тока подкладка снижает ширину зоны термического влияния на 30%.

Медные элементы применяются многократно, при условии отсутствия эрозии более 0,3 мм от первоначальной геометрии. После каждой операции производится зачистка и контроль плоскостности. При появлении выработки глубиной более 0,5 мм элемент заменяется новым. Допускается локальное восстановление формы наплавкой с последующей механической обработкой.