Сварка и пайка оцинкованных листов: основные способы

Стальной лист оцинкованный, обладающий высокими антикоррозионными свойствами, находит массовое применение в качестве строительного и конструкционного материала. И в ряде случаев возникает необходимость в сваривании этого проката с целью получения крепкого стыкового соединения. И вот здесь начинаются проблемы.

Дело в том, что многочисленные низкоуглеродистые стали свариваются разными видами сварки и стыкуются другими методами практически без ограничения. Но стоит нанести на них защитный микроскопический слой цинка и сразу возникает масса вопросов. Например, будет ли вообще эффективна пайка «оцинковки», можно ли в принципе и как сваривать оцинкованный прокат, ну и конечно же, не вредно ли сваривать «оцинковку»? Большинство вопросов вполне справедливы. Для обеспечения прочного и надежного сварного соединения металлическое покрытие стального проката должно обладать высокой теплостойкостью, тепло- и электропроводностью, пониженной микротвердостью и механической напряженностью, а также минимальной шероховатостью поверхности. А Zn – легкоплавкий, мягкий металлопрокат с невысокой прочностью. Это означает, что любая электродуговая сварка оцинковки может сопровождаться:

• переносом цинка в зону сварочной ванны, что приводит к снижению прочностных свойств соединения, образованию пор, развитию микротрещин в околошовной зоне;
• выделением в воздух паров оксида цинка, которые обладают токсическими свойствами и обязательно попадут в легкие сварщика. При разовых сварочных работах это может вызвать так называемую «лихорадку металлического дыма», а если постоянно заниматься сваркой «оцинковки» и не соблюдать определенные требования ТБ, можно в итоге получить крупные проблемы со здоровьем;
• нарушением защитного цинкового слоя в околошовной зоне.

Нужно ли удалять покрытие?

Цинк является электроотрицательным активным металлом. Образуя с железом гальваническую пару, он создает надежную электрохимическую защиту стали и благодаря возникающей на нем под воздействием внешней среды защитной пленке очень медленно разрушается в атмосферных условиях.

Повреждение и направленное удаление цинкового слоя априори снижают его коррозионные свойства, но перед сварочными работами его лучше снять путем зачистки свариваемой зоны шлифмашинкой или абразивным материалом. Это значительно упростит сварку и повысит качество выполняемых работ, но размер очищаемого участка должен быть минимально допустимым. Профессиональные сварщики и специалисты, использующие инверторные источники тока, часто не удаляют покрытие механически, а выжигают его сварочной дугой или факелом газовой горелки, но это требует большого практического опыта и основательных знаний о том, как правильно сваривать «оцинковку».

Температура сваривания для цинка

Электрическая сварочная дуга – мощный, длительный электрический разряд в среде ионизированных газов и паров между электродами, находящимися под напряжением. А Zn начинает плавиться уже при температуре +420°С и испаряться при +907°С. Когда выполняется сварка с применением покрытых и вольфрамовых электродов, он всегда выгорает с образованием белых хлопьев окисла.

Поэтому режим работы подбирается, исходя из толщины проката и слоя оцинкованного покрытия, а токовая нагрузка всегда ниже, чем при работе с листовой сталью без покрытия. Зато с применением бронзы, имеющей не столь высокую температуру плавления, как сталь, сварка цинка происходит без затруднений. Но стоимость такой работы значительно возрастает, а прочность соединения понижается.

Методы сварки «оцинковки»

Поскольку основное сечение оцинкованного листа составляет сталь, то методы сварочных работ и типы сварных соединений для него используются такие же, как и для углеродистых сталей. Это сварка:

• ручная электродуговая (MMA);
• ручная аргонодуговая (TIG);
• полуавтоматическая в среде активных и инертных газов (MIG/MAG).

Также может применяться точечная сварка «оцинковки». Но из-за специфики технологии она используется только для листа толщиной до 0,5 мм. А пайку можно выполнять с применением газовой горелки и ацетилена, предварительно нанеся на присадочный пруток смесь из равных пропорций нашатыря и хлорного лития.

Сварка «оцинковки» электродом

Метод, используемый в основном для листового проката толщиной от 1,5 мм. Подходит как для большого производства, так и для мастерских и гаража. Выполняется такая сварка оцинкованной стали в любых климатических условиях с использованием электродов с основным и рутиловым покрытием. В мировой практике при выполнении MMA-сварки стали использоваться электроды с целлюлозным покрытием, но в нашем инжиниринге они еще не нашли особого распространения.

Подготовка к сварке

Свариваемые элементы должны быть заранее обрезаны и размечены по размеру. Кривые участки и кромки выправляются.

После механического или термического удаления цинкового покрытия, приступают к разделке кромок. Также необходимо будет обработать зону будущего сварного шва кислотой или обезжиривающими средствами.

Выбор электродов

Качество сварных швов определяется стабильностью дуги. А стабильность ее горения зависит от режима сварки, типа и марки электродного покрытия, состава флюса, характеристик источника питания. Соответственно, при выборе электродов стоит руководствоваться толщиной защитного покрытия, маркой основной стали и выбранным режимом работы.

Возможное применение электродов

Нюансы процесса

MMA-сварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. Поэтому начинающим часто не понятно, как сваривать «оцинковку» электродуговой сваркой.

Сварочный ток подбирают по диаметру электрода. Работы не стоит выполнять в быстром темпе. Наоборот, лучше снизить скорость сваривания почти на четверть против обычной, а ток уменьшить на 10…15 А. Оптимальная ширина зазора при стыковом соединении – 1,5…2,5 мм. Сварной валик формируется возвратно-поступательно или наплывом. И однозначно не стоит сваривать длинные участки одним непрерывным швом. Помните, внешний вид сварного валика определяет эстетику всего изделия, а отсутствие пор гарантирует долговечность и надежность соединения.

Ручная электродуговая сварка оцинкованного металла толщиной 2 мм может выполняться электродами с рутиловым покрытием ОК46 диаметром 1,6 мм. Режим тока – 40 А.

Обработка сварного шва

Так как защитный слой снят, металл шва и околошовную зону необходимо подвергнуть дополнительной антикоррозионной обработке с применением цинкосодержащих спреев, эпиламов или ингибиторов коррозии. В домашних условиях небольшие стыки можно пролудить оловом.

Для улучшения механических свойств металл шва иногда проковывают при температуре +100…150°С. Отклонения от границ температурного интервала может спровоцировать образование трещин.

Сварка «оцинковки» аргоном

Это вид электродуговой ручной сварки с применением защитного газа аргона. Выходя из сопла, он формирует газовый ламинарный поток и этим защищает расплавленный металл сварочной ванны от окисления. TIG-сварка используется для работы с листом разной толщины, но наиболее эффективна для конструкций и изделий толщиной 0,3…1,0 мм. Также подходит для стыковки «оцинковки».

Подготовка к сварке

Разделка, зачистка и обезжиривание концов выполняется традиционно. Стоит учитывать, что современные TIG-горелки, например, модели с газовыми линзами, позволяют увеличить обзор зрения и вылет вольфрамового электрода. Это дает возможность сварщику более качественно выполнить сварку листовой «оцинковки», главное – правильно рассчитать ширину шва и точно зачистить свариваемую зону.

Расплавленные капли металла не повлияют на антикоррозионные свойства проката, но зато могут критически снизить декоративность. Соответственно, чтобы защитить блестящую цинковую поверхность от разлетающихся брызг в некоторых случаях стоит воспользоваться асбестовым полотном или антиадгезионными жидкими и аэрозольными составами.

Применение флюса

Неплавящийся электрод и кромки изделия обрабатывают кислым раствором хлористого цинка. Также можно использовать ортофосфорную кислоту.

Нюансы процесса

Аргоновый слой позволяет поддерживать более интенсивный темп выполнения работ, но чем толще покрытие, тем медленнее работает сварщик. При этом:

• рабочий угол должен быть 70°, а не 80°, который необходим для углеродистых листов без покрытия;
• поток газа увеличивается до скорости 6…12 л/мин;
• небольшие амплитудные колебания горелки из стороны в сторону помогут более тщательно прогреть металл, удалить малейшие следы цинка, обеспечить ровный шов и прочное соединение.

Заточка электрода определяет глубину провара и ширину шва. Учитывая, что оцинкованная сталь в основном производится в тонколистовом сортаменте, ее сваривают вольфрамовыми электродами Ø 1,6 мм, заточенными под углом 30°. Шов формируют чешуйчатой формы с частым отрывом электрода. Чтобы исключить непровары, ампераж должен быть в пределах 10…30 А.

Обработка сварочного шва

Удаляют остатки шлака и брызг. Учитывая, что аргонодуговая сварка применяется в основном для прецизионных и ответственных металлоизделий из тонкого листа, обеспечить антикоррозионные и эстетические свойства черного металла шва и зачищенной околошовной зоны можно с применением цинкового спрея-грунтовки или специальных красок. Небольшие элементы конструкций и фрагменты можно подвергнуть повторному цинкованию.

Сварка «оцинковки» полуавтоматом

Является универсальным решением, но наибольшее применение находит в производственной сфере, при больших объемах и при работе с металлом толщиной более 0,6 мм. Выполняется с применением сварочного полуавтомата, а сварной валик формируется под защитой ламинарного потока газовой смеси аргона и углекислоты за счет использования стальной омедненной проволоки диаметром 0,8…1,6 мм. Из-за малого сечения присадочного материала образуется высокая плотность тока приблизительно 200 А/мм2.

Подготовка к сварке

Свариваемые отрезки вымеряются на предмет соотношения размеров и геометрии стыка. При необходимости выполняется правка и рихтовка металла. Учитывая, что оцинкованная сталь производится тонколистовой, фаски не снимаются. Технологический зазор – 1,5…2,0 мм.

Применение флюса

Используя флюс HLS-B, можно сварить «оцинковку» без удаления покрытия. Наносят его на обезжиренную поверхность в предварительно нагретом состоянии. В таких случаях необходимо использовать присадочный материал с повышенным содержанием меди (более 60%), кремнием и оловом. Но перед тем, как сваривать «оцинковку» полуавтоматом с использованием флюса, стоит взвесить целесообразность такого подхода, так как сварные соединения, полученные с применением специальных припоев, не отличаются высокой прочностью.

Нюансы процесса

Углекислый газ позволяет максимально защитить металл шва от попадания малейших примесей цинка. Но в то же время его использование провоцирует повышенное образование брызг. По этой причине лучше обратить свое внимание на более дорогую смесь на основе Ar и CO2. Она также обеспечит высокую степень защиты, но с гораздо меньшим количеством разлетающихся брызг.

Если планируется сварка полуавтоматом «оцинковки» с покрытием 85 мкм и более, ток увеличивается на 10 А, а напряжение на 1 В. Когда выполняются работы на вертикально расположенных листах, снижение скорости сваривания может доходить до 30% по сравнению с работой по стали без покрытия. Это позволит остаткам Zn полностью выгореть с поверхности металла перед образованием расплавленной ванны.

Поперечные амплитудные движения горелки, так же, как и при TIG-сварке, помогут лучше прогреть металл. Швы не должны иметь пор, так как при повторном нанесении цинкового слоя, они могут не заполниться и в дальнейшем незащищенный металл будет корродировать.

При использовании MIG/MAG-сварки стальной лист толщиной 2 мм отлично сварится в защитной среде аргона с углекислотой с применением стальной проволоки диаметром 0,8 мм. U – 18,5 В, скорость подачи – 9,0 м/мин, lnd – 10%. Аргоновую сварку оцинкованного автомобильного кузова можно выполнять полуавтоматом и проволокой типа CuSi3.

Обработка сварного шва

Эпоксидная краска с повышенным содержанием цинка, неорганическая цинк-силикатная краска, припой на основе Zn, цинковый аэрозоль для распыления на защищаемую поверхность – все эти материалы позволяют восстановить антикоррозионное покрытие и обеспечить декоративность шва и околошовной зоны. Перед их нанесением необходимо будет:

• удалить окалину и следы шлака;
• выполнить обезжиривание;
• дождаться полного высыхания обработанной поверхности.

С технической точки зрения, контактная сварка «оцинковки» также является полуавтоматической. Это обусловлено тем, что она выполняется на специальных машинах, но с применением ручного труда. Используют ее только для промышленных масштабов производства и при работе с оцинкованным листом толщиной до 0,5 мм. За счет концентрации высоких температур в микроскопической точке исключается нагрев прилегающего слоя цинкового покрытия и в результате образуется диффузионное сварное соединение черного металла с обрамляющим защитным кольцом из цинка. Соответственно, в таком случае дополнительной антикоррозионной обработки не потребуется.

Сварка оцинковки с черным металлом

На вопрос о том, можно ли приварить «оцинковку» к металлу углеродистого стального проката, любой сварщик ответит утвердительно. Но подходить к работе следует с особой тщательностью, так как разница в температурах и тепловом расширении металлов на свариваемых участках может спровоцировать коробление и значительные остаточные напряжения. Также остается вероятность попадания цинка в зону сварного шва с последующей диффузией в материал околошовной зоны, что может спровоцировать растрескивание металла.

Подготовка к сварке

Прежде чем приварить «оцинковку» к черному прокату, необходимо тщательно вымерить геометрию и размеры сварного шва и очистить площадь рабочей зоны от цинкового покрытия. Вначале лучше Zn удалить механическим способом и дополнительно протравить ортофосфорной кислотой. Стык стального проката без покрытия также зачищается и обезжиривается.

Нюансы процесса

Сваривание оцинкованного и черного металла может выполняться с применением газовой и электродуговой сварки. В зависимости от характера работ допускается применение ручных и механизированных видов, но в любом случае шов формируется методом наплыва с частым отрыванием электрода, а сварка «оцинковки» с черным металлом завершается проковкой. То есть металл шва с температурой не ниже 80°С подвергают воздействию ручного ударного инструмента. Удары наносят равномерно по всей длине стыкового соединения и с небольшим приложением силы Это нивелирует остаточные напряжения и придаст телу шва большей пластичности.

Диаметр присадочного материала выбирается с учетом толщины свариваемых элементов:

• до 3 мм – Ø 0,6…0,8 мм;
• 3…4 мм – Ø 0,8…1,0 мм;
• более 4 мм – Ø 1,0…1,2 мм.

Сварка инвертором

Как указывалось выше, стабильность горения дуги во многом зависит от источника питания. К тому же она должна обладать достаточным запасом эластичности при удлинении. И чем меньше отклонение тока от заданного параметра при изменении длины дуги, тем она стабильней и эластичней.

Сегодня новейшие достижения в схемотехнике сварочных аппаратов значительно расширили их функционал и позволили создать инверторные источники питания, которые стали широко применяться для сварки и наплавки не только черных и цветных сплавов, но и оцинкованной стали. Цифровое синергетическое управление обеспечивает им высокие динамические свойства и позволяет автоматически адаптировать параметры сварочной дуги в режиме реального времени с учетом характеристик свариваемого металла, диаметра присадочного материала и других факторов. В итоге сварной шов получается прочным с ровным валиком, без непроваров и других внешних и скрытых дефектов. Наиболее инновационные и технологичные модели инверторов уже имеют встроенную функцию «сварка/пайка оцинковки».

Подготовка к сварке

Перед тем как сварить «оцинковку» инвертором, сварщик должен уже иметь опыт работы с таким оборудованием. Аппарат устанавливают на ровной горизонтальной поверхности, свариваемые металлоконструкции или металлоизделия зачищаются и обезжириваются.

Нюансы процесса

Сварка оцинкованного металла инвертором выполняется током обратной полярности или в импульсном режиме. Ампераж задается минимальный – на 5...10А ниже стандартных табличных значений. Тело шва формируется мягкими плавными движениями, оптимальный угол наклона горелки/электрода – 45 градусов. Высокая точность настроек дает возможность использования присадочного материала предельно тонкого диаметра. По окончании работ удаляется шлак, а шов простукивается для выявления дефектов и проковки металла.

Особенности и вред процесса пайки оцинковки

Пайка представляет собой процесс создания неразъемного соединения за счет использования припоя. Расплавляясь, его металл заполняет зазор между деталями, а так как он легкоплавкий, сталь нагревается до температуры ниже своего плавления. Но в случае с оцинкованным прокатом термическое воздействие распространяется и на цинковое покрытие, которое, как мы уже говорили, начинает плавиться при температурах выше +420°С и испаряться при +907°С.

Температурный режим пайки определяется химическим составом припоев, которые в свою очередь разделяют на низко- и высокотемпературные. Первые содержат свинец, сурьму, олово и расплавляются при температурах до +550°С, в основу второй группы входит медь, цинк и серебро, а температура плавления припоев достигает свыше +550°С. Соответственно, существует высокая доля вероятности, что при пайке оцинкованной стали оксиды цинка также будут выделяться в окружающее пространство, к тому же большинство флюсов при нагреве также выделяет токсические летучие соединения. Поэтому пайка и сварка «оцинковки» вред причиняют здоровью людей и, как вредные технологические операции, должны выполняться исключительно в хорошо проветриваемом помещении. При работе на улице сварщик должен выбрать положение, при котором чистый поток воздуха будет максимально поступать к нему, а не от него. Также стоит обратить внимание на экипировку, так как при выполнении пайки работники часто игнорируют использование средств индивидуальной защиты.