Зварювання та пайка оцинкованих листів: основні способи

Сталевий лист оцинкований, що володіє високими антикорозійними властивостями, знаходить масове застосування в якості будівельного і конструкційного матеріалу. І в ряді випадків виникає необхідність у зварюванні цього прокату з метою отримання міцного стикового з'єднання. І ось тут починаються проблеми.

Річ у тому, що численні низьковуглецеві сталі зварюються різними видами зварювання і стикуються іншими методами практично без обмеження. Але варто нанести на них захисний мікроскопічний шар цинку і відразу виникає маса питань. Наприклад, чи буде взагалі ефективна пайка «оцинковки», чи можна в принципі та як зварювати оцинкований прокат, ну і звичайно ж, не шкідливо зварювати «оцинковку»? Більшість питань цілком справедливі. Для забезпечення міцного і надійного зварного з'єднання металеве покриття сталевого прокату має володіти високою теплостійкістю, тепло- і електропровідністю, зниженою мікротвердістю і механічною напруженістю, а також мінімальною шорсткістю поверхні. А Zn – легкоплавкий, м'який металопрокат з невисокою міцністю. Це означає, що будь-яке електродугове зварювання оцинковки може супроводжуватися:

• перенесенням цинку в зону зварювальної ванни, що призводить до зниження міцнісних властивостей з'єднання, утворення пір, розвитку мікротріщин в навколошовній зоні;
• виділенням в повітря парів оксиду цинку, які мають токсичні властивості та обов'язково потраплять в легені зварника. При разових зварювальних роботах це може викликати так звану «лихоманку металевого диму», а якщо постійно займатись зварюванням «оцинковки» й не дотримуватися певних вимог ТБ, можна в підсумку отримати великі проблеми зі здоров'ям;
• порушенням захисного цинкового шару в навколошовной зоні.

Чи потрібно видаляти покриття?

Цинк є електронегативним активним металом. Утворюючи з залізом гальванічну пару, він створює надійний електрохімічний захист сталі й завдяки утворюваній на ньому під впливом зовнішнього середовища захисній плівці дуже повільно руйнується в атмосферних умовах.

Пошкодження та спрямоване видалення цинкового шару апріорі знижують його корозійні властивості, але перед зварювальними роботами його краще зняти шляхом зачищення зварювальної зони шлифмашинкою або абразивним матеріалом. Це значно спростить зварювання та підвищить якість виконуваних робіт, але розмір очищувальній ділянці повинен бути мінімально допустимим. Професійні зварювальники й фахівці, які використовують інверторні джерела струму, часто не видаляють покриття механічно, а випалюють його зварювальною дугою або факелом газового пальника, але це вимагає великого практичного досвіду й ґрунтовних знань про те, як правильно зварювати «оцинковку».

Температура зварювання для цинку

Електрична зварювальна дуга – потужний, тривалий електричний розряд в середовищі іонізованих газів і парів між електродами, що знаходяться під напругою. А Zn починає плавитися вже при температурі +420°С і випаровуватися при +907°С. Коли виконується зварювання із застосуванням покритих й вольфрамових електродів, він завжди вигорає з утворенням білих пластівців оксиду.

Тому режим роботи підбирається, виходячи з товщини прокату й шару оцинкованого покриття, а струмове навантаження завжди нижче, ніж при роботі з листовою сталлю без покриття. Зате із застосуванням бронзи, що має не настільки високу температуру плавлення, як сталь, зварювання цинку відбувається без труднощів. Але вартість такої роботи значно зростає, а міцність з'єднання знижується.

Методи зварювання «оцинковки»

Оскільки основний перетин оцинкованого листа становить сталь, то методи зварювальних робіт та типи зварних з'єднань для нього використовуються такі ж, як і для вуглецевих сталей. Це зварювання:

• ручне електродугове (MMA);
• ручне аргонодугове (TIG);
• напівавтоматичне в середовищі активних та інертних газів (MIG/MAG).

Також може застосовуватися точкове зварювання «оцинковки». Але через специфіку технології його використовується тільки для листа товщиною до 0,5 мм. А пайку можна виконувати із застосуванням газового пальника та ацетилену, попередньо завдавши на присадний пруток суміш з рівних пропорцій нашатирю та хлорного літію.

Зварювання «оцинковки» електродом

Метод, який використовується в основному для листового прокату товщиною від 1,5 мм. Підходить як для великого виробництва, так і для майстерень та гаража. Виконується таке зварювання оцинкованої сталі в будь-яких кліматичних умовах з використанням електродів з основним і рутиловим покриттям. У світовій практиці при виконанні MMA-зварювання почали використовуватися електроди з целюлозним покриттям, але в нашому інжинірингу вони ще не знайшли особливого поширення.

Підготовка до зварювання

Зварювані елементи повинні бути заздалегідь обрізані й розмічені за розміром. Криві ділянки та кромки виправляються.

Після механічного або термічного видалення цинкового покриття, приступають до розбирання кромок. Також необхідно буде обробити зону майбутнього зварного шва кислотою або знежирювальними засобами.

Вибір електродів

Якість зварних швів визначається стабільністю дуги. А стабільність її горіння залежить від режиму зварювання, типу і марки електродного покриття, складу флюсу, характеристик джерела живлення. Відповідно, при виборі електродів варто керуватися товщиною захисного покриття, маркою основної сталі та обраним режимом роботи.

Можливе застосування електродів

Нюанси процесу

MMA-зварювання зазвичай супроводжується значними коливаннями довжини дуги. Тому початківцям часто не зрозуміло, як зварювати «оцинкування» електродуговим зварюванням.

Зварювальний струм підбирають за діаметром електрода. Роботи не варто виконувати у швидкому темпі. Навпаки, краще знизити швидкість зварювання майже на чверть проти звичайної, а струм зменшити на 10...15 А. Оптимальна ширина зазору при стиковому з'єднанні – 1,5...2,5 мм. Зварений валик формується поступально або напливом. І однозначно не варто зварювати довгі ділянки одним безперервним швом. Пам'ятайте, зовнішній вигляд зварного валика визначає естетику всього виробу, а відсутність пір гарантує довговічність і надійність з'єднання.

Ручне електродугове зварювання оцинкованого металу товщиною 2 мм може виконуватися електродами з рутиловим покриттям ОК46 діаметром 1,6 мм. Режим струму – 40 А.

Обробка зварного шва

Так як захисний шар знятий, метал шва та навколошовну зону необхідно піддати додаткової антикорозійній обробці із застосуванням цинкоутримуючих спреїв, епіламів або інгібіторів корозії. У домашніх умовах невеликі стики можна пролудити оловом.

Для поліпшення механічних властивостей метал шва іноді проковують при температурі +100...150°С. Відхилення від меж температурного інтервалу може спровокувати утворення тріщин.

Зварювання «оцинковки» аргоном

Це вид електродугового ручного зварювання із застосуванням захисного газу аргону. Виходячи з сопла, він формує газовий ламінарний потік й цим захищає розплавлений метал зварювальної ванни від окислення. TIG-зварювання використовується для роботи з листом різної товщини, але найбільш ефективне для конструкцій й виробів товщиною 0,3...1,0 мм. Також підходить для стикування «оцинковки».

Підготовка до зварювання

Оброблення, зачистка й знежирення кінців виконується традиційно. Варто враховувати, що сучасні TIG-пальники, наприклад, моделі з газовими лінзами, дозволяють збільшити огляд зору та виліт вольфрамового електрода. Це дає можливість зварнику більш якісно виконати зварювання листової «оцинковки», головне – правильно розрахувати ширину шва й точно зачистити зварювану зону.

Розплавлені краплі металу не вплинуть на антикорозійні властивості прокату, але зате можуть критично знизити декоративність. Відповідно, щоб захистити блискучу цинкову поверхню від розлітаючихся бризок в деяких випадках варто скористатися азбестовим полотном або антиадгезійними рідкими та аерозольними сумішами.

Застосування флюсу

Неплавкий електрод та кромки виробу обробляють кислим розчином хлористого цинку. Також можна використовувати ортофосфорну кислоту.

Нюанси процесу

Аргоновий шар дозволяє підтримувати більш інтенсивний темп виконання робіт, але чим товще покриття, тим повільніше працює зварювальник. При цьому:

• робочий кут повинен бути 70°, а не 80°, який необхідний для зварювання вуглецевих листів без покриття;
• потік газу збільшується до швидкості 6...12 л/хв;
• невеликі амплітудні коливання пальника з боку в бік допоможуть більш ретельно прогріти метал, видалити найменші сліди цинку, забезпечити рівний шов й міцне з'єднання.

Заточка електрода визначає глибину провару й ширину шва. З огляду на те, що оцинкована сталь в основному виробляється у тонколистовому сортаменті, її зварюють вольфрамовими електродами Ø 1,6 мм, заточеними під кутом 30°. Шов формують лускатої форми з частим відривом електрода. Щоб виключити непровари, ампераж повинен бути в межах 10...30 А.

Обробка зварювального шва

Видаляють залишки шлаку й бризок. З огляду на те, що аргонодугове зварювання застосовується в основному для прецизійних та відповідальних металовиробів з тонкого листа, забезпечити антикорозійні та естетичні властивості чорного металу шва й зачищеною навколошовної зони можна із застосуванням цинкового спрею-ґрунту або спеціальних фарб. Невеликі елементи конструкцій та фрагменти можна піддати повторному цинкуванню.

Зварювання «оцинковки» напівавтоматом

Є універсальним рішенням, але найбільше застосування знаходить у виробничій сфері, при великих обсягах й при роботі з металом товщиною більше 0,6 мм. Виконується із застосуванням зварювального напівавтомата, а зварений валик формується під захистом ламінарного потоку газової суміші аргону та вуглекислоти за рахунок використання сталевого обмідненого дроту діаметром 0,8...1,6 мм. Через малий перетин присадного матеріалу утворюється висока щільність струму приблизно 200 А/мм².

Підготовка до зварювання

Зварювані відрізки виміряються на предмет співвідношення розмірів й геометрії стику. При необхідності виконується правка та рихтування металу. З огляду на те, що оцинкована сталь виробляється тонколистовою, фаски не знімаються. Технологічний зазор – 1,5...2,0 мм.

Застосування флюсу

Використовуючи флюс HLS-B, можна зварювати «оцинковку» без видалення покриття. Наносять його на знежирену поверхню в попередньо нагрітому стані. У таких випадках необхідно використовувати присадний матеріал з підвищеним вмістом міді (більше 60%), кремнієм та оловом. Але перед тим, як зварювати «оцинковку» напівавтоматом з використанням флюсу, варто зважити доцільність такого підходу, бо зварні з'єднання, отримані із застосуванням спеціальних припоїв, не відрізняються високою міцністю.

Нюанси процесу

Вуглекислий газ дозволяє максимально захистити метал шва від попадання найменших домішок цинку. Але в той самий час його використання провокує підвищене утворення бризок. З цієї причини краще звернути свою увагу на більш дорогу суміш на основі Ar й CO₂. Вона також забезпечить високий ступінь захисту, але з набагато меншою кількістю розлітаючихся бризок.

Якщо планується зварювання напівавтоматом «оцинковки» з покриттям 85 мкм та більше, струм збільшується на 10 А, а напруга на 1 В. Коли виконуються роботи на вертикально розташованих листах, зниження швидкості зварювання може доходити до 30% у порівнянні з роботою по сталі без покриття. Це дозволить залишкам Zn повністю вигоріти з поверхні металу перед утворенням розплавленої ванни.

Поперечні амплітудні рухи пальника, так само, як і при TIG-зварюванні, допоможуть краще прогріти метал. Шви не повинні мати пір, бо при повторному нанесенні цинкового шару, вони можуть не заповнитися та надалі незахищений метал буде кородувати.

При використанні MIG/MAG-зварювання сталевий лист товщиною 2 мм відмінно звариться в захисному середовищі аргону з вуглекислотою із застосуванням сталевого дроту діаметром 0,8 мм. U – 18,5 В, швидкість подачі – 9,0 м/хв, lnd – 10%. Аргонове зварювання оцинкованого автомобільного кузова можна виконувати напівавтоматом й дротом типу CuSi₃.

Обробка зварного шва

Епоксидна фарба з підвищеним вмістом цинку, неорганічна цинк-силікатна фарба, припій на основі Zn, цинковий аерозоль для розпилення на поверхню, що захищається, – всі ці матеріали дозволяють відновити антикорозійне покриття та забезпечити декоративність шва й навколошовної зони. Перед їх нанесенням необхідно буде:

• видалити окалину та сліди шлаку;
• виконати знежирення;
• дочекатися повного висихання обробленої поверхні.

З технічної точки зору, контактне зварювання «оцинковки» також є напівавтоматичним. Це обумовлено тим, що воно виконується на спеціальних машинах, але із застосуванням ручної праці. Використовують його лише для промислових масштабів виробництва та при роботі з оцинкованим листом товщиною до 0,5 мм. За рахунок концентрації високих температур в мікроскопічній точці виключається нагрівання прилеглого шару цинкового покриття й у результаті утворюється дифузійне зварне з’єднання чорного металу з обрамленим захисним кільцем з цинку. Відповідно, в такому випадку додаткової антикорозійної обробки не буде потрібно.

Зварювання оцинковки з чорним металом

На питання про те, чи можна приварити «оцинковку» до металу вуглецевого сталевого прокату, будь-який зварювальник відповість ствердно. Але підходити до роботи слід з особливою ретельністю, бо різниця в температурах та тепловому розширенні металів на зварювальних ділянках може спровокувати викривлення й значні залишкові напруги. Також залишається ймовірність попадання цинку в зону зварного шва з подальшою дифузією в матеріал навколошовної зони, що може спровокувати розтріскування металу.

Підготовка до зварювання

Перш ніж приварити «оцинковку» до чорного прокату, необхідно ретельно виміряти геометрію й розміри зварного шва та очистити площу робочої зони від цинкового покриття. Спочатку краще Zn видалити механічним способом та додатково протравити ортофосфорною кислотою. Стик сталевого прокату без покриття також зачищається та знежирюється.

Нюанси процесу

Зварювання оцинкованого й чорного металу може виконуватися із застосуванням газового та електродугового зварення. Залежно від характеру робіт допускається застосування ручних та механізованих видів, але в будь-якому випадку шов формується методом напливу з частим відривом електрода, а зварювання «оцинковки» з чорним металом завершується проковуванням. Тобто метал шва з температурою не нижче 80°С піддають дії ручного ударного інструменту. Удари задають рівномірно по всій довжині стикового з'єднання й з невеликим додатком сили Це нівелює залишкові напруги й додає тілу шва більшої пластичності.

Діаметр присадного матеріалу вибирається з урахуванням товщини зварювальних елементів:

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

Зварювання інвертором

Як зазначалося вище, стабільність горіння дуги багато в чому залежить від джерела живлення. До того ж вона повинна мати достатній запас еластичності при подовженні. І чим менше відхилення струму від заданого параметра при зміні довжини дуги, тим вона стабільніше й еластичніше.

Сьогодні новітні досягнення в схемотехніці зварювальних апаратів значно розширили їх функціонал й дозволили створити інверторні джерела живлення, які стали широко застосовуватися для зварювання та наплавлення не тільки чорних та кольорових сплавів, а й оцинкованої сталі. Цифрове синергетичне управління забезпечує їм високі динамічні властивості та дозволяє автоматично адаптувати параметри зварювальної дуги в режимі реального часу з урахуванням характеристик зварювального металу, діаметру присадного матеріалу та інших факторів. В результаті зварений шов виходить міцним з рівним валиком, без непроварів та інших зовнішніх й прихованих дефектів. Найбільш інноваційні та технологічні моделі інверторів вже мають вбудовану функцію «зварювання/пайка оцинковки».

Підготовка до зварювання

Перед тим як зварити «оцинковку» інвертором, зварник повинен вже мати досвід роботи з таким обладнанням. Апарат встановлюють на рівній горизонтальній поверхні, зварювальні металоконструкції або металовироби зачищаються та знежирюються.

Нюанси процесу

Зварювання оцинкованого металу інвертором виконується струмом зворотної полярності або в імпульсному режимі. Ампераж задається мінімальний – на 5...10А нижче стандартних табличних значень. Тіло шва формується м'якими плавними рухами, оптимальний кут нахилу пальника/електрода – 45 градусів. Висока точність налаштувань дає можливість використання присадного матеріалу гранично тонкого діаметра. Після закінчення робіт видаляється шлак, а шов простукується для виявлення дефектів та проковування металу.

Особливості та недоліки процесу пайки оцинковки

Пайка уявляє собою процес створення нероз'ємного з'єднання за рахунок використання припою. Розплавляючись, його метал заповнює зазор між деталями, а так як він легкоплавкий, сталь нагрівається до температури нижче свого плавлення. Але у випадку з оцинкованим прокатом термічний вплив поширюється й на цинкове покриття, яке, як ми вже говорили, починає плавитися при температурах вище +420°С й випаровуватися при +907°С.

Температурний режим пайки визначається хімічним складом припоїв, які у свою чергу поділяють на низько- та високотемпературні. Перші містять свинець, сурму, олово й розплавляються при температурах до +550°С, в основу другої групи входить мідь, цинк та срібло, а температура плавлення припоїв досягає понад +550°С. Відповідно, існує висока частка ймовірності, що при пайці оцинкованої сталі оксиди цинку також будуть виділятися в навколишній простір, до того ж більшість флюсів при нагріванні також виділяє токсичні леткі сполуки. Тому пайка і зварювання «оцинковки» завдають школу здоров'ю людей і, як шкідливі технологічні операції, повинні виконуватися виключно в добре провітрюваному приміщенні. При роботі на вулиці зварник повинен вибрати положення, при якому чистий потік повітря буде максимально надходити до нього, а не від нього. Також варто звернути увагу на екіпіровку, бо при виконанні пайки працівники часто ігнорують використання засобів індивідуального захисту.