Сварка трубопроводов
..pdfУгловой шов — сварной шов углового, таврового и нахлесточного соединений.
Сварные швы могут быть непрерывными, прерывистыми, одно- и многослойными, одно- и двусторонними. Сварные швы, применяемые для фиксации взаимного расположения, размеров и формы собираемых под сварку элементов, называются прихват ками.
Для качественного формирования сварного шва делают подго товку кромок под сварку. Элементы геометрической формы под готовки кромок под сварку (рис. 1.3, а) — угол разделки кромок а, угол скоса одной кромки (3, толщина свариваемого металла 5, зазор между стыкуемыми кромками Ь, притупление кромки, т. е. неско шенная часть торца кромки с.
Элементы геометрической формы сварного шва (рис. 1.3, б) — высота шва h, ширина шва е, глубина провара hnp,усиление (ослаб ление) шва q.
На рис. 1.4 показаны основные положения швов в простран стве.
1.3. ТЕРМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ПРИ СВАРКЕ
Основными термическими источниками энергии (тепла) при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и тепло, выделяемое при электрошлаковом процессе.
Термические источники энергии характеризуются температу рой источника, степенью сосредоточенности, определяемой наи меньшей площадью нагрева (пятно нагрева), и наибольшей плот ностью в пятне нагрева.
Эти энергетические характеристики (табл. 1.1) определяют технологические свойства источников нагрева металла при свар ке, наплавке и резке.
Виды сварочных дуг. Источником теплоты при дуговой сварке является сварочная дуга — устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, ис пользуемых при сварке, характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой. Процесс возникновения сварочной
электрод подключается к отрицательному полюсу и служит като дом, а изделие — к положительному полюсу и служит анодом; во втором случае электрод подключается к положительному полю су и служит анодом, а изделие — к отрицательному и служит като дом. В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными или вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.
Сварочная дуга обладает рядом физических и технологиче ских свойств, от которых зависит эффективность использования дуги для сварки. К физическим свойствам относят электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые.
Основными технологическими свойствами являются: мощ ность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.
Электрические свойства дуги. Для образования и поддержа ния горения дуги необходимо иметь в пространстве между элект родами электрически заряженные частицы — электроны, положи тельные и отрицательные ионы. Процесс образования ионов и электронов называется ионизацией, а газ, содержащий электро ны и ионы, ионизированным. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддержива ется в процессе ее горения.
В дуговом промежутке выделяют следующие области (рис. 1.8): катодную 1к и анодную 1а, где наблюдается значитель ное падение напряжения, вызванное образованием около элект родов пространственных зарядов (скоплением заряженных ча стиц), и расположенную между ними область дугового разряда, называемую столбом дуги 1с. На поверхности анода и катода обра зуются электродные пятна, представляющие собой основания столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Элект родные пятна выделяются яркостью свечения. Общая длина сварочной дуги 1д равна сумме длин всех трех областей: 1д= 1к + 1С-Ыа, где 1к — длина катодной области, равная примерно 10“5 см; Lc —длина столба дуги; 1а —длина анодной области, равная примерно 10“3—10” 4 см.
Общее напряжение сварочной дуги соответственно слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги: UA=UK+UC+ ий, где [/д, UK, Uc, [/а — соответственно падение на пряжения общее на дуге, в катодной области, столбе дуги и анод ной области, В.
Полную тепловую мощность сварочной дуги, т. е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно счи тают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности q = IUA, где I — величина сварочного тока, A; UA—^падение напря жения на дуге, В; q — тепловой эквивалент электрической мощно сти сварочной дуги, Дж/с.
Соответственно, эффективная тепловая мощность определя ется выражением ди = ШАГ|и.
Значение Г|и может меняться от 0,3 до 0,95 и для различных ви дов сварки ориентировочно составляет: открытая угольная дута — 0,5 —0,65; дуга в аргоне — 0,5 —0,6; сварка штучными покрытыми электродами — 0,7 —0,85; сварка под флюсом — 0,85 —0,93.
Количество тепла, вводимое в металл источником нагрева и отнесенное к единице длины шва, называется погонной энерги ей сварки. Погонная энергия (в Дж/м) равна отношению эффек тивной мощности источника тепла (дуги) ди к скорости перемеще ния дуги V.
д _ -ГС/дЛи
V V
При образовании сварного шва эффективная тепловая мощ ность дуги расходуется на расплавление основного и присадочно го металла.
1.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ
1.4.1. Общие сведения
Образование сварного соединения в связи с вве дением концентрированной энергии в зону соединения сопро вождается сложными физическими и химическими процессами.
К физическим относят процессы, которые, изменяя физиче ские свойства вещества, не изменяют строение элементарных ча стиц, из которых состоит данное вещество, и не приводят к изме нению его химических свойств [1, 22].
Химические процессы изменяют строение элементарных ча
стиц, из которых состоит данное вещество, в результате чего полу чаются новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами.
К основным физическим процессам при сварке плавлением относят электрические, тепловые, механические процессы в ис точниках нагрева; плавление основного и электродного (присадоч ного) металла, их перемешивание, формирование и кристаллиза цию сварочной ванны; ввод и распространение тепла в сваривае мом соединении, приводящее к изменению структуры металла в шве и зоне термического влияния и образованию собственных сварочных деформаций и напряжений.
К основным химическим процессам относятся химические ре акции в газовой и жидкой фазах, на границах фаз (газовой с жид кой, газовой с твердой, жидкой с твердой) при взаимодействии компонентов покрытий, флюсов, защитных газов с жидким метал лом с образованием окислов, шлаков, окислением поверхности ит. д.
Физические и химические процессы при сварке сопряжены между собой во времени и пространстве, поэтому их можно объе динить общим понятием — физико-химические процессы.
Под действием физико-химических процессов возникает ха рактерное строение сварного соединения.
Рис. 1.9. Схема сварного соединения:
а —при сварке плавлением; б —при сварке давлением
Сварное соединение при сварке плавлением (рис. 1.9, а) вклю чает в себя: сварной шов 1, т. е. участок сварного соединения, об разовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления 2 (сцепления), где находятся частично оплавив шиеся зерна металла на границе основного металла и шва; зону термического влияния 3, т. е. участок основного металла, не под вергшийся расплавлению, структура и свойства которого измени лись в результате нагрева при сварке плавлением или резке; ос новной металл 4, т. е. металл подвергающихся сварке соединяе мых частей, не изменивший свойств при сварке.
Соединение, выполненное сваркой давлением (рис. 1.9, б) в твердом состоянии, состоит из зоны соединения 2, где образова лись межатомные связи соединяемых частей, зоны термомехани ческого влияния 3, основного металла 4.
В формировании структуры и свойств сварного соединения при сварке плавлением определяющая роль принадлежит тепло вым процессам, при сварке давлением — пластической деформа ции.
1.4.2. Плавление электродного и основного металла
Сварной шов образуется в результате кристалли зации металла сварочной ванны. При сварке без дополнительного металла расплавляется только основной металл. Металл, предназ наченный для введения в сварочную ванну в дополнение к рас плавленному основному металлу, называется присадочным метал лом [1, 28].
Расплавленные основной и присадочный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну. Границами сварочной ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образо вавшегося шва.
Плавление и перенос электродного металла. Электродный металл при дуговой сварке плавится за счет: тепла, выделяемого на конце электрода в приэлектродной области дуги; тепла, попадаю щего из столба дуги; нагрева вылета электрода при прохождении сварочного тока от токопровода и до дуги. Чем больше вылет элек трода, тем больше его сопротивление и тем больше выделяется