Сварка швов из оцинкованной стали: методы предотвращения повреждения покрытия

Введение в оцинкованную сталь и сварочный вызов

Оцинкованная сталь является одним из наиболее широко используемых материалов в отраслях, начиная от производства автомобилей до воздуховодов HVAC, кровельного и сельскохозяйственного оборудования. Защитное цинковое покрытие стали, применяемое с помощью горячего цинкования или электрогальванизации, обеспечивает исключительную коррозионную стойкость, действуя как жертвенный анод. Однако, когда производителям необходимо создавать длинные, непрерывные соединения - как в топливных баках, силосах или автомобильных кузовных панелях - сварка шва становится процессом выбора. Сварка шва быстро производит герметичные, прочные соединения, но интенсивное тепло, связанное с этим, может испарять, плавить или разрушать цинковое покрытие. Если не тщательно контролировать, результатом является потеря защиты от коррозии в зоне сварки, потенциальная пористость в сварной системе и даже растрескивание оцинкованной стали жидкого металла без повреждения покрытия, поэтому является критическим навыком как для инженеров по производству, так и для педагогов сварки.

Это расширенное руководство охватывает науку оцинкованной стали, конкретные риски сварки шва на металлическом покрытии и комплексный набор методов - от настройки параметров до восстановления после сварки - которые обеспечивают как целостность сварного шва, так и сохранение покрытия. В конце у вас будет практическая основа для достижения высококачественных швных сварных швов, которые поддерживают коррозионную стойкость, которую было разработано цинковое покрытие.

Почему цинковое покрытие имеет значение

Перед погружением в сварочные техники важно понять, что делает цинковое покрытие и почему его повреждение недопустимо. Цинк обеспечивает защиту с помощью двух механизмов:

Типичное оцинкованное оцинкованное покрытие толщиной 45-85 мкм с каждой стороны, в то время как электрооцинкованное покрытие тоньше, как правило, 7-20 мкм. Процесс сварки может удалить или разложить это покрытие тремя способами: испарение при температурах выше 907 ° C (точка кипения цинка), механическое брызгивание из-за быстрого расширения испаренного цинка и химическая реакция со сварным бассейном, который образует хрупкие и менее защитные цинк-железные интерметаллы.

Исследования Американской ассоциации гальванизаторов подчеркивают, что даже небольшие потери покрытия на сварном швах могут сократить срок службы детали на годы, особенно в агрессивных средах, таких как воздействие соли на дороге или промышленные атмосферы. Таким образом, любая процедура сварки шва для оцинкованной стали должна уделять первоочередное внимание сохранению как можно большего количества исходного слоя цинка.

Методы сварки швов и их пригодность для оцинкованной стали

Шовная сварка не является единым процессом; она охватывает несколько техник. Каждая по-разному взаимодействует с цинковым покрытием.

Сварка швов сопротивления (RSW)

Сварка с использованием сварочного шва с сопротивлением использует колеса из медного сплава, которые прикладывают давление и пропускают электрический ток через перекрывающиеся края заготовки. Тепло, генерируемое электрическим сопротивлением, плавит металл вдоль непрерывного шва. Это наиболее распространенный метод для листового металла толщиной около 3 мм. Проблема с оцинкованной сталью заключается в том, что цинк имеет более низкое электрическое сопротивление, чем сталь, поэтому ток имеет тенденцию отдавать предпочтение покрытию, вызывая неравномерный нагрев и быструю испарение цинка. Современные сварщики с сопротивлением шва используют такие функции, как:

  • Текущая пошаговая или импульсная модуляция для управления вводом тепла.
  • Специальные электродные геометрии, которые концентрируют ток на поверхности.
  • Охлаждение циркуляции воды внутри электродов, чтобы предотвратить прилипание цинка к колесам.

Американское общество сварки (AWS) рекомендует, чтобы для оцинкованной стали ток сварки был уменьшен на 10-15% по сравнению с непокрытой сталью, а скорость сварки увеличилась, чтобы минимизировать время воздействия покрытия на пиковые температуры.

Лазерная сварка швов

Лазерная сварка пучка производит узкий, глубокий сварной шов с очень небольшой зоной, подверженной тепловому воздействию. Это по своей сути уменьшает площадь потери покрытия. Однако высокая плотность энергии все еще может испарять цинк вдоль сварочного пути, и цинковый пар может вызвать пористость, если он попадает в расплавленный бассейн. Лазерная сварка шва оцинкованной стали часто использует небольшой зазор между листами (0,1-0,2 мм), чтобы позволить пару цинка вырваться, или использование защитного газа (аргон или гелий) для выдувания пара. Волокнижные лазеры с длиной волны около 1 мкм поглощаются более эффективно сталью, чем цинком, помогая уменьшить повреждение покрытия.

MIG/MAG сварка швов (с наполнителем или без него)

Для более толстых материалов, где сопротивление сварки неосуществимо, автоматизированная сварка MIG или MAG с непрерывным наполнителем может производить шовную сварку. Этот метод использует расходуемый электродный провод и защитный газ, обычно смесь аргона и CO2. Поскольку тепло входа и сварочного бассейна больше, потери покрытия могут быть обширными - до 25 мм с каждой стороны сварки. Чтобы минимизировать повреждение, параметры сварки должны жестко контролироваться: низкий ток, высокая скорость перемещения и короткая длина дуги. Кроме того, наполнительные провода, содержащие цинк или алюминий, могут помочь восстановить некоторую защиту от коррозии в самом сварном металле.

Управление цинковым покрытием: предварительные и внутрипроцессные методы

Независимо от того, какой метод сварки шва выбран, существуют проверенные методы для уменьшения повреждения покрытия. Следующие стратегии необходимы для производственных сред, где качество и коррозионная стойкость не подлежат обсуждению.

Оптимизация параметров сварки

Наиболее прямой способ ограничить испарение цинка - это сохранить тепло ввод как можно ниже, пока еще достигается сплав. Для сварки с сопротивлением это означает использование более низкого тока, более короткого времени сварки (или более высоких скоростей перемещения) и более высоких электродных сил. Сила помогает поддерживать хороший электрический контакт и снижает сопротивление на интерфейсе, что, в свою очередь, снижает ненужное нагревание. Для лазерной сварки параметры, такие как фокусное положение, форма импульса (для импульсных лазеров), и скорость сканирования должны быть оптимизированы для минимизации объема расплавленного металла. Хорошее эмпирическое правило - стремиться к тепловому входу, которого достаточно для создания желаемой ширины самородка сварки - любое избыточное тепло только увеличивает повреждение покрытия.

Электродный материал и геометрия

При сварке швов сопротивления электродные колеса имеют решающее значение. Стандартные сплавы медь-хром или медь-цирконий хорошо работают, поскольку обладают высокой проводимостью и сопротивляются прилипанию. Однако электроды могут загрязняться цинком, приводя к дуговому и неравномерному распределению тока. Периодическая повязка (обработка поверхности колеса) со специально разработанным инструментом удаляет нарастающий цинк и восстанавливает чистую контактную поверхность. Некоторые производители используют электродные материалы с тонким слоем вольфрама или молибдена для уменьшения цинкового пикапа. Профиль колеса должен иметь радиус, соответствующий геометрии соединения, чтобы концентрировать ток там, где он больше всего нужен.

Защитные газы и покрытия

Для дуговой сварки шва (MIG/MAG) выбор экранирующего газа влияет как на качество сварки, так и на сохранение покрытия. Добавление небольшого процента кислорода (2-5%) к смеси аргон-CO2 улучшает стабильность дуги при низких токах, что помогает уменьшить брызги и теплоприем. При резистентной сварке обычной практикой является нанесение тонкого слоя водорастворимого временного покрытия (часто раствора силиката калия или запатентованного соединения) на стальную поверхность перед сваркой. Это покрытие действует как тепловой барьер, а также помогает подавить испарение цинка. После сварки его просто смывают.

Предварительная очистка и подготовка поверхности

Загрязнители, такие как масло, смазка и грязь, могут привести к тому, что цинк сгорает неравномерно и создает пористость. Поверхность должна быть чистой и сухой. Для сварки сопротивления легкая абразивная очистка (например, с помощью тонкой шлифовальной подушки) может удалить верхний слой оксида цинка (оксид цинка), который может увеличить электрическое сопротивление. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы не удалять слишком много цинка. Смазки растворителем или щелочным очистителем обычно достаточно для большинства производственных линий.

Контролировать разрыв

Как упоминалось ранее, пропуская небольшой зазор (0,1–0,3 мм) между листами, можно обеспечить выходной путь для паров цинка во время сварки. Это особенно эффективно для лазерной и резистентной сварки шва. Зазор должен быть однородным; чрезмерный зазор может привести к плохой подгонке и неполному сращению. Использование распорных колец или тщательное вложение деталей может достичь желаемого зазора. Некоторые процессы используют технику «шаг-разрыв», когда сварные колеса или лазерный луч расположены немного от точного шва для создания естественного вентиляционного отверстия.

Пост-сварное восстановление цинкового покрытия

Несмотря на лучшие профилактические меры, некоторая степень потери покрытия неизбежна, особенно в зоне, подверженной воздействию тепла (HAZ).К счастью, несколько постсварных обработок могут восстановить защиту от коррозии.

Рич-краска Zinc-Rich Paint

Наиболее распространенным методом ремонта является применение холодного цинкового соединения - краски с высокой нагрузкой цинковой пыли (обычно > 90% по весу в высушенной пленке). Это соединение обеспечивает катодную защиту, аналогичную оригинальному покрытию. Область, подлежащая обработке, должна быть очищена (разрыв гранул или проволочная щетка) для удаления любого шлака, оксида или шкалы. Краска может быть почистлена или распылена при комнатной температуре. Для достижения желаемой толщины может потребоваться несколько покрытий. Международная ассоциация цинка отмечает, что правильно нанесенная цинковая краска может соответствовать коррозионной стойкости горячего цинкования во многих средах, хотя она может быть не такой прочной в абразивных условиях.

Цинк тепловое распыление

Для больших площадей или там, где требуется более толстое покрытие, цинк (или цинк-алюминиевый сплав) можно наносить дуговой распылением или распылением пламени. Этот метод производит металлургическое склеенное покрытие, которое очень прочное. Он требует специализированного оборудования и обычно используется в тяжелых изготовлениях, таких как конструкционная сталь или большие резервуары. Поверхность должна быть подвергнута грациозному взрыву до почти белого металла (SSPC-SP10 или NACE No 2) для хорошей адгезии.

Использование пасты Zinc-Rich

Для небольших локализованных ремонтных зон (например, забоя или узкой полосы вдоль сварного шва) можно наносить непосредственно богатую цинком пасту (часто в трубке типа сыворотки). Эти пасты имеют очень высокое содержание цинка и сухие до жесткой пленки. Они удобны для полевого ремонта, но могут не иметь такой же долговечности, как распыленные покрытия.

Сварные сквозняки

Некоторые производители применяют сварочный грунтовочный материал к стали перед сваркой. Эти праймеры содержат цинк и предназначены для сохранения проводимости и защиты во время процесса сварки. Покрытия грунтовочного материала обычно тонкие (5-15 мкм) и не требуют удаления после сварки. Они обычно используются в автомобильной промышленности на кузовных панелях.

Лучшие практики для производства и обеспечения качества

Для последовательного производства швов на оцинкованной стали, которые поддерживают целостность покрытия, изготовители должны применять систематический подход.

Обучение операторов и документация процесса

Операторы сварки должны понимать поведение цинка при высоких температурах и критичности поддержания надлежащих параметров. Их следует обучать распознаванию признаков повреждения покрытия, таких как чрезмерный дым от цинка (пары оксида цинка вредны, поэтому вентиляция необходима), брызги сварного шва или грубый серый вид на поверхности сварного шва. Письменные процедуры должны указывать точный ток, напряжение, скорость, силу электрода и скорость потока охлаждающей воды для каждой толщины материала и типа покрытия. Периодические проверки и испытательные купоны должны использоваться для проверки того, что толщина покрытия после сварки остается в допустимых пределах (например, как минимум 85% первоначального удержания покрытия в HAZ является общей спецификацией).

Обслуживание оборудования

Для сварочных швов с сопротивлением колеса электродов должны быть регулярно одеты - часто после каждых 100-200 сварных швов, в зависимости от объема производства. Пропуски охлаждающей воды должны проверяться на блокировку, чтобы предотвратить перегрев. Для лазерных систем оптика должна быть чистой, а выравнивание пучка должно проверяться ежедневно.

Испытания и инспекция

Деструктивное и неразрушающее тестирование может подтвердить целостность покрытия. Простой тест на изгиб (сгибание сварного образца 90°) может выявить, стал ли HAZ хрупким из-за цинк-железных интерметаллов или если покрытие распылено. Для количественной меры магнитный толщиномер может измерить толщину цинкового покрытия до и после сварки в нескольких точках вдоль шва. Альтернативно, тесты на сульфат меди (тест Прейса) могут обнаружить области, где цинковое покрытие было полностью удалено. Неразрушающие методы, такие как 3D-лазерное сканирование, могут обнаружить поверхностные аномалии, но толщиномеры остаются наиболее практичными для производства.

Экологические и безопасные аспекты

Сварка оцинкованной стали производит пары оксида цинка, которые могут вызвать лихорадку паров металлов - временное, но неприятное состояние, подобное гриппу. Необходима адекватная местная вытяжная вентиляция или дыхательные аппараты снабженного воздуха. Администрация по охране труда США (OSHA) устанавливает допустимый предел воздействия (PEL) для паров оксида цинка при 5 мг / м3. Кроме того, временные покрытия и защитные пасты, используемые, должны быть совместимы с процессами окраски или связывания. Отходы, такие как использованные электродные повязки или старая цинковая краска, должны быть утилизированы в соответствии с местными экологическими нормами.

Тематические исследования и реальные приложения

Панели кузова для автомобилей

Автомобильная промышленность является активным пользователем сварки из резистентного шва для оцинкованных стальных дверных панелей, капотов и крыльев. Для предотвращения повреждения покрытия производители перешли к использованию покрытий «цинк-никель» (98% цинка, 2% никеля), которые тоньше и имеют более высокую температуру плавления, уменьшая испарение. Некоторые заводы также используют двухимпульсную сварку: предтепловой импульс, который отгоняет цинк на поверхности сварки, за которым следует основной импульс сварки, который создает сплав. Эта техника может достичь значений Z-баллов (удержание покрытия) выше 90%.

HVAC Ductwork

В промышленности ВВАК сварка шва оцинкованного листового металла для воздуховодов должна производить герметичные соединения без шелушения цинка в воздухопровод. Лазерная сварка шва стала популярной, поскольку она производит чистый, узкий сварной шов с минимальными потерями покрытия. Производители сообщили, что использование небольшого зазора (0,15 мм) и высокочастотного импульсного лазера уменьшает повреждение цинка настолько эффективно, что на внутренней части воздуховода не требуется послесварной прикосновения.

Сельскохозяйственные резервуары для хранения

Большие силосы и резервуары из оцинкованной стали тяжелой калибровки часто используют сварку швов MIG с помощью цинка-алюминиевой наполнительной проволоки. Проволока наполнителя помогает пополнить содержание цинка в сварном металле, а послесварочное термическое распыление цинка применяется ко всей зоне сварки. Было показано, что эта комбинация обеспечивает коррозионную стойкость, эквивалентную исходному материалу, в испытаниях на воздействие, связанных с удобрениями и кормами для животных.

Заключение

Сварка швов оцинкованной стали не должна жертвовать цинковым покрытием, которое придает материалу его долгосрочную долговечность. Понимая поведение цинка при нагревании и выбирая соответствующий метод сварки - будь то сопротивление, лазер или дуга - инженеры могут реализовать ряд методов, которые сохраняют целостность покрытия. Ключевые действия включают оптимизацию ввода тепла, использование надлежащих материалов электродов и геометрии, очистку поверхностей, пропускание паровых разрывов и применение постсварных реставрационных процедур. Каждая производственная среда потребует адаптированной комбинации этих методов, проверенных путем тестирования и проверки.

Для преподавателей и студентов вывод очевиден: успешная сварка швов на оцинкованной стали требует целостного подхода, который уравновешивает качество сварки с сохранением покрытия. С тщательным контролем параметров, правильным оборудованием и приверженностью обеспечению качества, вполне возможно создать прочные, герметичные соединения, которые сохраняют коррозионную стойкость, необходимую для десятилетия обслуживания.