V

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ШВА, НАПЛАВЛЕННОГО РАЗЛИЧНЫМИ МАРКАМИ ЭЛЕКТРОДОВ

1. Цель работы

Научить студентов определению механических свойств сварного соединения, наплавленного различными марками электродов при ручной дуговой сварке.

2. Содержание работы

   1. Ознакомиться с правилами техники безопасности при ручной электродуговой сварке.

   2. Изучить типы сварных соединений и классификацию способов сварки и способов дуговой сварки.

   3. Изучить способы сварки плавлением, подготовку кромок в стыковом соединении, процесс образования сварного соединения, структурные превращения в зоне термического влияния и технологические приемы сварки, снижающие напряжения и деформации.

   4. Изучить оборудование и электроды для ручной дуговой сварки.

   5. Ознакомиться с устройством прибора типа Роквелла, выбором нагрузки и наконечника, контролем прибора, порядком подготовки образцов и проведения испытаний.

   6. Выполнить измерения твердости сварных соединений, наплавленных различными марками электродов при ручной дуговой сварке.

3. Теоретическая часть

Сварка - процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого (ГОСТ 2601-84).

Основная задача сварки - получение прочного неразъемного соединения с заданными физико-механическими свойствами.

Не все металлы и их сплавы и не в любых комбинациях могут образовывать после сварки соединения с требуемыми механическими и физическими свойствами. Поэтому существует понятие - свариваемость металлов и их сплавов.

Свариваемостью металла (сплава) называют совокупность физичес­ких и технологических свойств, определяющих его способность

1

3

3.5 Физическая сущность образования сварного соединения.

Для обеспечения начала взаимодействия межатомных и межмолекулярных сил притяжения необходимо сблизить сопрягаемые поверхности металлических элементов на расстояние, весьма близкое к величине параметра кристаллической решетки.

На практике сближение поверхностей, подлежащих сварке, до межатомного взаимодействия затруднено из-за неровностей (шероховатости) и загрязнений состоящих из оксидных пленок, адсорбированных газов и органических пленок (масел).

Для образования неразъемного соединения межатомные связи могут установиться между частями (деталями), если соединяемые атомы получат энергию извне. Энергия необходима для преодоления соединяемыми атомами "энергетического барьера схватывания". В результате затраченной энергии атомы получают смещение (движение), позволяющее им занять в общей атомной решетке устойчивое положение, т.е. достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания. Энергия извне - это энергия активации. Энергию при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация).

В зависимости от состояния металла в момент образования сварного соединения способы сварки можно разделить на две группы - сварку в жидком (сварка плавлением) и твердом (сварка давлением) состояниях.

11

Кривую статической характеристики дуги можно разделить на три области.

В области / увеличение тока до 80 А приводит к резкому падению напряжения дуги.

Дугу с падающей характеристикой практически не используют в сварочной технике вследствие ее неустойчивости.

В области II увеличение тока от 80 до 800 А не изменяет напряжения дуги, которое практически остается постоянным.

Дугу с жесткой характеристикой (область II) используют в сварочной технике для ручного и автоматического процессов.

Дугу с возрастающей характеристикой (область III) применяют в автоматических и полуавтоматических процессах при сварке под флюсом и в защитных газах.

Для питания сварочной дуги используют постоянный или пере­менный ток.

При питании дуги переменным током промышленной частоты стабильность ее горения периодически нарушается. Это происходит из-за того, что ток 100 раз в секунду изменяет направление - происходит деионизация газов столба дуги.

Высокая температура и большая концентрация теплоты сварочной дуги обеспечивают почти мгновенное расплавление небольших объемов металлов электрода и изделия при сварке.

Различие тепловыделения на катоде (2400 °С) и аноде (2600 °С) используют при решении технологических задач.

На прямой полярности (рис. 11, а) выполняют сварку изделий, требующих большего подвода теплоты для нагрева кромок.

При обратной полярности когда плюс источника присоединен к электроду, а минус - к детали (рис. 11, б), выполняют сварку тонколистовых конструкций и конструкций из коррозионно-стойких и жаропрочных сталей.

1. Типы сварных соединений

При изготовлении сварных конструкций применяют соединения стыковые, тавровые, угловые и соединения внахлестку. Стыковые соединения имеют преимущества перед другими типами соединений по прочности и технико-экономическим показателям.

Перед сваркой элементы конструкций подвергают определенной подготовке. Виды подготовки зависят от состояния металла, его толщины, способа сварки, а также технологических особенностей свариваемого изделия.

Основные элементы подготовки кромок: угол разделки кромок, величины притупления и зазора. Разделка кромок и зазор необходимы для

13

Рис. 14. Дефекты сварочных швов:

а - двусторонний шов (нормальный), б - двусторонний шов, дефектный (непровар), в - односторонний (нормальный), г - односторонний (непровар), д - односторонний, дефектный (прожог), р - перекрытие шва: для ручной сварки и в защитном газе р =

5. .2 мм, для автоматической сварки под флюсом р = 3.. .4 мм

Зона термического влияния - это околошовный участок основного металла, нагретый в процессе сварки от 100 °С до температуры плавления.

Слабым местом в сварном соединении являются шов и зона термического влияния.

На прочность соединения оказывают влияние: форма сечения шва, структура и химический состав металла шва и зоны термического влияния (рис. 14, а).

В установившемся технологическом режиме (при постоянных l/д, /д, о_ср и погонной энергии) обеспечивается сохранение одинакового сечения шва по его длине (рис. 14, а) и устойчивое протекание физико-химических процессов в сварочной ванне.

При неустойчивой дуге (при периодически изменяющихся пара­метрах технологического режима) происходит изменение формы сечения шва. Так, при двусторонней сварке имеет место чередование нормальной формы шва и проплавления (рис. 14, а) с непроварами (рис. 14, б).

При устойчивой дуге и односторонней сварке обеспечивается равномерное сечение шва по всей его длине (рис. 14, в), а неустойчивая дуга наряду с нормальным формированием приводит к непроварам и прожогам (рис. 14, г, Э).

2. Способы дуговой сварки

Классификация видов дуговой сварки представлена на рис. 15.

15

Рис. 16. Схема плавильного пространства (/и II- передний и задний участки) для основных дуговых процессов сварки:

а - ручной: 1 - свариваемый металл, 2 - газовая защита, 3 - сварочная дуга, 4 - электродный металлический стержень, 5 - покрытие. 6 - капля металла электрода, 7 - жидкий шлак, 8 - сварочная ванна, 9 - кристаллы шва; б - автоматическая под флюсом:

1. - свариваемый металл, 2 - электрод, 3 - сварочная дуга, 4 - флюс, 5 - сварочная ванна, 6 - жидкий шлак, 7 - кристаллы шва; в - в защитном газе: 1 - свариваемый металл, 2 - защитный газ 3 - сопло горелки, 4- электрод, 5- сварочная дуга, 6- сварочная ванна, 7- кристаллы шва; г - схема кристаллизации в поперечном сечении шва при глубоком проваре: 1 - зональная ликвация; д - то же, при нормальном проваре: 1 - зональная ликвация; е - схема кристаллизации в зоне сплавления (N2 и Ог - азот и кислород - компоненты окружающей среды)

При автоматической сварке под флюсом плавильное пространство изолировано от контакта с воздухом шлаковой оболочкой, а также слоем Л флюса значительной толщины (рис. 16, б).

При сварке в защитных газах сварочная ванна изолируется от контакта с воздухом оболочкой газа, выходящего из сопла горелки (рис.

16. в).

Пространство над сварочной ванной в участке I (рис. 16, а, б, в) заполнено газами, парами металла, компонентами покрытия и шлаком. При высокой температуре все вещества над пространствами сварочной ванны находятся в ионизированном состоянии.

На участке II плавильного пространства, где ионизация газовой или газошлаковой среды незначительна (из-за удаленности источника нагрева и отвода теплоты в изделие), происходит кристаллизация металла ванны и образуется сварной шов.

3. Структура зоны термического влияния

Структура зоны термического влияния и ее ширина определяются способом и режимами сварки, химическим составом и толщиной

17

Рис. 18. Внешние характеристики источников питания и статические характеристики дуги (L - длина дуги)

Точки пересечения (В", B_h В и В") внешних вольтамперных характеристик b и 6/ со статическими вольтамперными характеристиками дуги а и а\ соответствуют режиму устойчивого горения дуги, а точки пересечения вольтамперных характеристик Ъ и Ъ\ с осью абсцисс соответствуют токам короткого замыкания -1 _к; /_к.

19

Рис. 19. Схемы питания сварочных постов:

а - от многопостового генератора: М - электродвигатель, СГ - сварочный генератор,

1. .3 - сварочные посты; б - от трансформатора с отдельной реактивной катушкой, в - от комбинированного трансформатора: 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная, 3 - реактивная; г - схема замещения реального трансформатора с развитым (увеличенным) магнитным рассеянием

Выпрямительные установки наиболее перспективные источники постоянного тока. Эти установки просты в эксплуатации, экономичны, имеют меньшую массу и размеры, хорошие динамические данные, высокую стабильность горения дуги, больший чем у генераторов к.п.д.

20

21