Сварка в среде защитных газов
В промышленности наибольшее распространение получили аргоно-дуговая сварка и сварка в среде углекислого газа.
АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА. Аргон - инертный газ - поставляется в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Сварку проводят неплавящимся и плавящимся электродами. Сварку неплавящимся электродом (рис. 5.18а) ведут на переменном токе или на постоянном токе обратной полярности. Способ используется при сварке деталей из сплавов цветных металлов. Сварку плавящимся электродом осуществляют на постоянном токе проволокой 0,6-3,0 мм (рис. 5.18б).
СВАРКА В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА - наиболее экономичный способ сварки углеродистых и низколегированных сталей. Углекислый газ поставляется в баллонах емкостью 40 дм3 под давлением 10 МПа (при нормальном давлении образуется около 13 м3 газа).
Для нейтрализации окислительного действия газа в проволоке должно быть повышенное содержание раскислителей - марганца и кремния. Примером является проволока марки Св-15Г2СФД. Основные достоинства способа:
- высокое качество сварного шва;
- малая зона термического влияния;
- возможность механизации и автоматизации процесса сварки;
- отсутствие шлаковой корки на поверхности шва;
- высокая производительность.
Схема установки для сварки в углекислом газе представлена на рис. 5.20. Сварочная проволока с помощью специального механизма 9 подается в наконечник газоэлектрической горелки 11. Конструкция гибкого шлангового провода (рис. 5.21) позволяет подавать в зону сварки проволоку с одновременным размещением в нем токопроводящих проводов и проводов цепи управления. Перед сваркой проволоку следует очистить и обезжирить. Углекислый газ подается по трубке 1 (рис. 5.20) непосредственно в сварочную горелку. Расход газа контролируется ротаметром 2. Перед редуктором обычно устанавливают подогреватель газа и осушитель влаги. Газоэлектрические горелки для токов более 300 А оборудуются водяным охлаждением.
Сварка в углекислом газе позволяет заменить ручную электродуговую сварку механизированной и автоматической, при этом обеспечивается высокое качество сварных соединений. Скорость сварки достигает 60 м/ч.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ. Сварку в углекислом газе можно выполнять во всех пространственных положениях шва. Режимы сварки определяют в зависимости от толщины и марки свариваемой стали. Ориентировочно диаметр сварочной проволоки определяют по табл. 5.5 (для стыковых соединений).
Таблица 5.5
Толщина свариваемого металла S, мм |
Без разделки кромок |
|||||||||
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
8,0 |
10,0 |
|
Диаметр проволоки dпр, мм |
0,5 |
0,5-0,6 |
0,6-0,8 |
0,8-1,0 |
1,0-1,2 |
1,2 |
1,2-1,6 |
1,6-2,0 |
1,6-2,0 |
2,0-2,5 |
Толщина свариваемого металла S, мм |
С разделкой кромок |
|||||||||
8,0 |
10,0 |
12,0 |
14,0 |
16,0 и более |
||||||
Диаметр проволоки dпр, мм |
1,6-2,0 |
1,6-2,0 |
2,0 |
2,0-2,5 |
2,0-3,0 |
|||||
Конструктивные параметры соединения определяются по ГОСТ 14771-76 ("Дуговая сварка в защитном газе").
В параметры режима сварки входят также напряжение дуги, величина сварочного тока, скорость подачи проволоки, скорость сварки, вылет электрода и расход углекислого газа. Напряжение на дуге определяют по формуле:
Uсв = 8 (dпр + 1,6), В
Силу тока определяют по формуле:
,
А
Скорость сварки подсчитывается по той же формуле, что и при ручной сварке, однако коэффициент наплавки принимают в данном случае равным 18-20 г/Ач. Скорость подачи проволоки рассчитывают, исходя из объема наплавленного металла и времени сварки. Вылет электрода обычно составляет 20-30 мм. Расход углекислого газа определяется из данных табл. 5.6.
Таблица 5.6
Толщина металла S, мм |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
3-4 |
5-8 |
9-12 |
более 12 |
Расход газа л/мин |
6-7 |
6-7 |
6-8 |
7-9 |
12-15 |
15-17 |
17-20 |
Расход сварочной проволоки, полное время сварки, расход электроэнергии и мощность, потребляемую источником питания из сети, определяются аналогично расчету этих параметров для ручной сварки. Следует лишь иметь ввиду, что коэффициент, учитывающий технологические потери времени несколько меньше (К2 = 0,3-4). Потери металла проволоки на угар и разбрызгивание составляют 5-10 % от массы наплавленного металла. Общий расход газа определяют с учетом продолжительности сварки изделия.
При сварке следует соблюдать правила "техники сварки", которые заключаются в определенном направлении движения горелки, угле ее наклона и расстоянии от среза сопла до свариваемого изделия.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ В УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ. Сварку плавящимся электродом выполняют шланговыми полуавтоматами и автоматами. Принципиальное отличие между ними заключается в том, что при механизированной сварке рабочий формирует шов, вручную передвигая горелку вдоль шва (подача проволоки механизирована, электрические параметры сварки поддерживаются автоматически); при автоматической сварке передвижение горелки осуществляется механизированным держателем.
В промышленности в зависимости от номенклатуры и габаритов изделий, марки стали, массовости выпуска изделий применяются различные типы полуавтоматов и автоматов. В качестве примера приведены технические характеристики шлангового полуавтомата марки ПДПГ-500-1:
Источник питания - ПСГ-500-1;
Ток - постоянный;
Номинальный сварочный ток - 500 А;
Пределы регулирования тока - 60-500 А;
Толщина свариваемого металла - 1 мм и выше;
Количество горелок - 2;
Масса малой горелки - 0,4 кг;
Масса большой горелки - 0,8 кг;
Диаметр сварочной проволоки - 0,8-2,0 мм;
Скорость подачи проволоки - 33-300 мм/с;
Масса проволоки на кассете - 4 кг;
Расход защитного газа - 600-1500 л/ч.
Задание
1. Изучить устройство и принцип работы сварочного оборудования - полуавтомата ПДПГ-500-1 для сварки в среде углекислого газа и сварочного автомата.
2. Рассчитать режим сварки и расход сварочных материалов для стыкового соединения при разных толщинах свариваемого листа.
3. Подготовить полуавтомат и автомат к работе и провести сварку образцов по оптимальному режиму.
4. Проверить визуально качество шва.
5. Сделать выводы.
Оборудование, инструмент, материалы
Полуавтомат типа ПДПГ-500-1; автомат типа АД-231; баллон с углекислотой и сварочный флюс; газоэлектрическая горелка (малая); выпрямитель ВД-301Д (или преобразователь ПСГ-500); сварочная проволока; образцы листовой стали; спецодежда, сварочный щиток (со стеклами С5 или С6).
Примечание: перед началом работы на оборудовании студенты знакомятся с правилами техники безопасности при его эксплуатации.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Задание (с учетом полученного варианта).
3. Перечень оборудования, инструмента и материалов.
4. Краткое описание сущности механизированных способов сварки.
5. Расчет режимов сварки, расхода материалов и электроэнергии.
6. Таблица сравнительных данных основных расчетных параметров для ручной, механизированной и автоматической сварки.
7. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Чем отличается автоматическая сварка от ручной дуговой?
2. Какие среды применяются для защиты расплавленного металла при автоматической сварке?
3. Какие сварочные материалы применяются при механизированных способах сварки?
4. Почему при сварке в углекислом газе в состав сварочной проволоки введен марганец?
5. С какой целью проводят омеднение сварочной проволоки?
6. Расскажите устройство сварочной головки.
7. Объясните понятие - сварочный трактор.
8. Из каких узлов состоит сварочный автомат?
9. Укажите преимущества автоматической сварки перед ручной дуговой.
10. Объясните понятие - проплавление металла.
11. Укажите возможные виды дефектов при механизированной и автоматической сварке металлов.
Лабораторная работа № 8
ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ
Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с основными способами определения свариваемости сталей и освоить один из способов применительно к сварке назколегированных сталей.
Краткие сведения о свариваемости
Свариваемость - свойство металлов, характеризующее его способность образовывать для выбранного способа и технологии сварки надежное соединение, отвечающее техническим требованиям чертежа и техническим условиям эксплуатации изделия. Одним из наиболее важных показателей свариваемости является отсутствие горячих или холодных трещин в металле шва и в зоне термического влияния (ЗТВ).
Установлено, что горячие трещины возникают в металле шва в жидко-фазном состоянии при кристаллизации расплава, либо в твердом состоянии при высоких температурах. Холодные трещины образуются после охлаждения сварного соединения, поверхность таких трещин имеет блестящий вид без следов окисления. Холодные трещины являются локальными хрупкими разрушениями сварного соединения, возникающими под действием сварочных напряжений.
При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины возникают в металле шва и в околошовной зоне в следствие:
- неравномерного нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны;
- структурных и фазовых превращений в сварочном соединении в условиях ускоренного охлаждения;
- неравномерной усадки металла шва по его сечению.
Трещины могут иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва.
Способы оценки склонности сталей к образованию холодных трещин могут быть расчетные (без проведения испытаний материалов) и прямые, которые предусматривают сварку технологических проб, либо специальных испытаний сварных соединений.
РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ. Наиболее простым способом является использование уравнений, полученных статистической обработкой экспериментальных данных, например, путем определения углеродного эквивалента:
Сэкв = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/10 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 + 5 B,
где указаны символы элементов и их процентное содержание.
Стали, у которых Сэкв 0,45, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин вследствие образования при сварке закалочных структур.
Показателем, указывающим на охрупчивание стали из-за структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Для углеродистых и низколегированных сталей твердость ЗТВ не должна превышать HV 350. Возможную максимальную величину твердости определяют по формуле:
HVmax = 90 + 1050 C + 47 Si + 75 Mn + 30 Ni + 31 Cr.
Если предварительная оценка свариваемости указывает на склонность стали к образованию холодных трещин, то применяют предварительный подогрев свариваемого изделия. Температуру предварительного подогрева рассчитывают по формуле:
где Соб - общий эквивалент углерода, он определяется по формуле:
Соб = Сэкв + Сs.
Величина Сs учитывает толщину свариваемой конструкции (S, мм) и определяется из уравнения:
Сs = 0,005 S C'экв.
Аналогичные расчеты проводятся и при оценке чувствительности сталей к образованию горячих трещин.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ. Эти методы основаны на доведении металла ЗТВ или металла шва до образования холодных трещин под действием остаточных сварочных напряжений. После сварки образцы выдерживают при комнатной температуре в течение 20 ч. Количество образцов 3-5 штук. Контроль сварного соединения проводится периодически путем визуального осмотра, в конце испытания трещины выявляют с помощью неразрушающих методов контроля или металлографическим анализом. В качестве примера на рис. 5.24 приведен эскиз образца технологической пробы на свариваемость для оценки склонности стыковых соединений толщиной 2-6 мм к образованию холодных трещин в металле ЗТВ и шва. Образец представляет плоскую квадратную пластину с круглым отверстием, в которое вваривают диск переменного диаметра D. Сварку образцов проводят в зажимном приспособлении, образцы из которого освобождаются после их охлаждения до 150 С.
За показатель склонности к образованию холодных трещин принимают толщину металла и диаметр кругового шва, при котором образуются трещины.
Чтобы определить допустимые параметры режима сварки используют также метод валиковой пробы (по ГОСТ 13585-68). Сущность метода заключается в формировании валика при сварке сплошной либо составной пластины при режимах сварки, соответствующих определенным значениям погонной энергии (q/Vсв), то есть при определенной скорости охлаждения о. После сварки определяют ударную вязкость КСU, критическую температуру хрупкости (порог хладноломкости Т50), угол изгиба, твердость и микроструктуру околошовной зоны и ЗТВ.
При оптимизации режима сварки сталей, склонных к образованию в зоне термического влияния бейнитной, либо мартенситной структуры, рекомендуется использовать сплошной образец. Он представляет пластину заданной толщины, ширина пластины 220-250 мм, длина 400-600 мм. Вдоль продольной оси наплавляют валик с определенной глубиной проплавления. Изготавливают обычно серию из трех пластин с наплавкой валика по трем режимам. Затем измеряют распределение твердости в ЗТВ. По номограммам, приведенным в стандарте (ГОСТ 13585-68) определяют скорости охлаждения в интервале минимальной устойчивости аустенита для различных значений погонной энергии. Последующая разрезка пластин, определение механических свойств в совокупности с данными о твердости по значениям величины о позволяют назначить допустимый интервал режима сварки.
Погонную энергию определяют как отношение q/Vсв, где q = Iсв Uсв, Вт ( - эффективный КПД сварки, для сварки под флюсом = 0,8-0,95).
В правильности проведенных расчетов можно убедиться, сверив полученные значения о с расчетными для исследуемой марки стали.
Оборудование и материалы
Сварочный пост электродуговой сварки; нагревательная печь; приборы для измерения твердости по Виккерсу и Роквеллу; механический пресс; устройство для испытания на изгиб; коллекция пластин из низколегированной стали.
Порядок проведения работы
Каждый студент, получив индивидуальное задание (три пластины из углеродистой стали с различным содержанием углерода), рассчитывает значение углеродного эквивалента Сэкв для каждой марки стали и максимально возможную твердость в зоне термического влияния HVmax. После анализа полученных результатов проводит наплавку валиковых проб, визуально оценивает качество сварки. Затем измеряет твердость ЗТВ, определяет ее максимальное значение для каждого режима сварки и испытывает образцы на изгиб до появления первой трещины.
Размеры образца на изгиб должны соответствовать требованиям ГОСТ 6996-66 тип ХХУПа (в = 20 мм; L = 250 мм; S = 10 мм; диаметр оправки D = 20 мм; диаметр роликов d = 20 мм; расстояние между роликами l = 50 мм). Предел прочности при изгибе определяется по формуле:
,
МПа
где Р - усилие, соответствующее появлению первой трещины, Н.
Результаты заносятся в протокол (табл. 5.10).
Таблица 5.10
Расчетные параметры |
№№ вали- ков |
q/Vсв, Дж/см |
о, град/с |
Механические свойства |
|||
Сэкв, % |
HV, МПа |
в, МПа |
, град |
HV, МПа |
|||
|
|
1 2 3 |
|
|
|
|
|
Содержание отчета
1. Дать понятие свариваемости, привести расчетные и технологические методы оценки свариваемости.
2. Привести эскизы технологических проб на свариваемость.
3. Привести результаты расчета Сэкв и HVmax.
4. Заполнить протокол испытаний.
5. Проанализировать результаты экспериментов и сделать выводы по оптимизации режима сварки исследуемой стали.
Контрольные вопросы
1. Рассказать о расчетном методе оценки свариваемости сталей.
2. Описать сущность проведения технологических проб на свариваемость.
3. Зачем применяется валиковая проба?
4. Что характеризует показатель о?
5. Как определить необходимую температуру подогрева для улучшения свариваемости стали?
6. Как измерить твердость в сварном соединении?
7. Какое значение Сэкв является предельно допустимым, приводящим к образованию холодных трещин?
8. Какая максимальная твердость допускается в зоне термического влияния?
9. Какими способами можно повысить характеристики механических свойств сварного соединения?
Лабораторная работа № 9
ТЕХНОЛОГИЯ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ
Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с устройством и работой точечной машины и освоить методику составления технологии точечной сварки при выполнении индивидуального задания.
Общие сведения
Точечная сварка является частным случаем электрической контактной сварки. Она осуществляется нагревом деталей электрическим током под давлением до оплавления в месте контакта, а последующая кристаллизация жидкого металла в "точке" приводит к образованию точечного шва. В основе способа лежит закон Джоуля-Ленца, согласно которому количество тепла, выделяемое в месте сварочного контакта равно:
Q = I2 R , Дж
где I - сварочный ток, А;
R - сопротивление зоны сварки, Ом;
- время прохождения тока, с.
Для точечной сварки детали 1 (рис. 5.27) помещают между медными электродами 2 точечной машины. При нажатии на педаль пневмопривода верхний электрод опускается и прижимает свариваемые детали к нижнему электроду с определенным усилием Р. Через некоторое время, необходимое для достижения плотного контакта между деталями, включается сварочный ток. После нагрева места сварки до оплавления сварочный ток отключается, а процесс кристаллизации металла в сварочной ванне завершается при сохранении давления.
РЕЖИМ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и определяется площадью контактных поверхностей электродов, силой сварочного тока, усилием сжатия и временем сварки.
Диаметр контактной поверхности электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемых листов по формуле:
dэ = (1,5...2,0) S + 3,
где dэ - диаметр контактной части электрода, мм;
S - толщина свариваемого металла, мм.
Величину сварочного тока можно определить по следующей зависимости:
Iсв = А Fэ,
где А - плотность тока, А/мм2;
Fэ - площадь контактной поверхности электрода, мм2.
Плотность тока при сварке малоуглеродистой стали на "мягком" режиме должна быть 100-140 А/мм2, а на жестком режиме - 200-400 А/мм2.
Длительность включения сварочного трансформатора можно определить по зависимости:
св = (0,1...0,25) S,
где S - толщина одной детали, мм.
Она зависит также от состава металла и усилия сжатия и изменяется в пределах от сотых долей секунды до 1 секунды.
Усилие сжатия деталей между электродами возрастает с увеличением толщины свариваемых деталей и определяется по формуле:
Р = (110...220) S,
где Р - усилие сжатия детали, кг;
S - толщина свариваемого металла, мм.
Продолжительность сжатия деталей до включения сварочного тока возрастает с увеличением толщины металла и находится в пределах 0,1-0,8 с. Длительность сжатия свариваемых деталей после включения тока оказывает влияние на качество сварной точки и лежит в интервале 0,1-1,2 с.
Величина нахлестки определяется диаметром сварной точки, расстояние от которой до края листа должно быть не менее 0,5 S (S - толщина листа, мм).
Расстояние между точками должно быть таким, чтобы при сохранении достаточной прочности сварного соединения до предела уменьшить шунтирующее влияние соседней точки. В среднем расстояние между соседними точками при их однорядном расположении принимают равным:
L = (2...3) dт,
где L - расстояние между точками, мм;
dт - диаметр точки, мм.
Задание
Изучить устройство и работу машины точечной сварки МТП-75-11. Рассчитать оптимальный режим сварки изделий заданной вариантом толщины. Настроить сварочную машину на выбранный режим и произвести сварку выданных образцов на оптимальном значении сварочного тока.
Оборудование, инструмент и материалы
Машина МТП-75-11; образцы свариваемых пластин из малоуглеродистой стали заданной вариантом толщины.
Порядок проведения работы
Перед началом работы студенты знакомятся с правилами техники безопасности, затем изучают устройство сварочной машины МТП-75-11 и включают ее в работу (демонстрирует мастер ПО).
После этого каждый студент рассчитывает режим сварки в соответствии с вариантом задания, а полученные результаты заносит в таблицу 5.10.
Таблица 5.10
Результаты расчета параметров режима точечной сварки
Вари-ант |
Толщина сваривае-мого изде-лия S, мм |
Диаметр электрода dэ, мм |
Нагрузка на элект-род Р, кг |
Свароч-ный ток Iсв, А |
Время выдержки , с |
Расстояние между точ-ками l, мм |
|
|
|
|
|
|
|
После проверки полученных значений (преподавателем) студент производит сварку заданных пластин (под наблюдением мастера производственного обучения).
Результаты практической части работы представляются на проверку преподавателю, который дает разрешение на оформление отчета по работе.
Содержание отчета
1. Название и номер лабораторной работы.
2. Цель работы.
3. Задание (в соответствии с вариантом).
4. Используемое оборудование, инструмент и материалы (образцы).
5. Расчет режимов сварки для заданного варианта.
6. Сводная таблица 5.10 результатов расчета (по всем вариантам).
7. Анализ полученных результатов.
8. Выводы.
Контрольные вопросы
1. На каком принципе основана точечная электросварка?
2. От чего зависит количество теплоты, выделяемой в месте контакта свариваемых деталей?
3. Зачем при точечной сварке применяется внешнее давление?
4. Назовите основные узлы точечной машины и объясните их назначение.
5. Назовите основные достоинства точечной электросварки и область ее рационального использования.
6. Что значит настроить точечную машину на расчетный режим работы и как это делается?
Лабораторная работа № 10
ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЗКИ
МЕТАЛЛОВ
Ц е л ь р а б о т ы :
- ознакомиться с оборудованием газовой сварки и термической резки металлов;
- освоить методику расчета режимов сварки и приобрести практические навыки по газовой сварке и термической (газокислородной) резке металлов.
Общие сведения
ГАЗОВАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ представляет собой процесс, в котором расплавление металла изделия и присадочного материала осуществляется за счет теплоты, получаемой от сгорания горючего газа в кислороде. При этом горючий газ является не только источником тепла, но и средством защиты сварочной ванны от кислорода и азота воздуха.
Газовую сварку применяют при изготовлении тонкостенных изделий из черных и цветных сплавов, при ремонтно-восстановительных и наплавочных работах.
Для образования сварочного пламени используют ацетилен, пропан, бутан, природный газ, пары бензина, керосина и др. Однако наиболее широко применяют ацетилен (С2Н2), обеспечивающий из всех горючих газов наибольшую температуру пламени (3200 С).
Ацетилен получают в генераторах (рис. 5.28) воздействием на карбид кальция водой:
СаС2 + Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2
Ацетиленовые генераторы взрывоопасны и нуждаются в специальном обслуживании. По этой причине для работы 1-2 сварочных постов чаще используют баллонный ацетилен. Ацетиленовый баллон (рис. 5.29) емкостью 40 л предварительно заполняется активированным углем и на 1/3 объема ацетоном. Хорошая растворимость ацетилена в ацетоне позволяет наполнять баллон ацетиленом до 5500 л при давлении 1,5 МПа. Ацетиленовый баллон окрашивается в белый цвет с красной надписью "Ацетилен". Хранение и эксплуатация ацетилена в баллонах безопасны.
Технический кислород к месту потребления доставляется в металлических баллонах, окрашенных в синий цвет с черной надписью "Кислород". Баллон емкостью 40 л под давлением 15 МПа содержит 6000 л кислорода. Для понижения давления кислорода и газа до рабочего, а также поддержания его на постоянном уровне (0,3 МПа - кислорода; 0,03 МПа - газа) применяют одноступенчатые (для газа) и двухступенчатые (для кислорода) редукторы. Схема одноступенчатого редуктора представлена на рис. 5.30.
Давление поступающего из баллона газа регулируется нажатием пружины 4 на мембрану 3 посредством вращения регулирующего винта 5. Газ, проходя из камеры высокого давления 1 через узкое отверстие редуцирующего клапана 6 в камеру 2 расширяется и его давление резко понижается до заданного. При возрастании давления в камере 2 сверх установленного значения мембрана отжимается вправо и редуцирующий клапан под действием пружины 7 садится в седло, закрывая отверстие клапана.
При расходе газа, когда сварщик открывает газовый вентиль на сварочной горелке, давление в камере 2 понижается, мембрана отжимает клапан и в камеру низкого давления поступает новая порция газа из камеры высокого давления 1.
Сварочная горелка (рис. 5.29) служит для смешения горючего газа с кислородом, образования горючей смеси и формирования сварочного пламени.
Кислород через вентиль 5 поступает в сопло инжектора 4. Выходя из последнего с большой скоростью, струя кислорода создает в ацетиленовом канале разряжение, в результате чего ацетилен засасывается (инжектируется) в смесительную камеру 3. По трубке 2 горючая смесь подводится к мундштуку 1, а из него вытекает в атмосферу, образуя при запаливании сварочное пламя.
При запуске горелки в работу (во избежание взрыва) вначале открывают кислородный вентиль для удаления из горелки остатков горючей смеси, затем подают ацетилен и образованную горючую смесь зажигают. Выключают горелку в обратной последовательности, т.е. закрывают ацетиленовый вентиль, продувают в течение 1-2 секунд горелку кислородом, а затем закрывают кислородный вентиль.
Способ и режим газовой сварки, мощность горелки и диаметр присадочной проволоки выбираются, исходя из химсостава и толщины свариваемого металла по справочным таблицам 1-5 (Приложение 14).
ТЕРМИЧЕСКАЯ (КИСЛОРОДНАЯ) РЕЗКА МЕТАЛЛОВ основана на сжигании металла в струе кислорода. Схемы процесса резки и устройства газокислородного резака представлены на рис. 5.31 и 5.32.
Режим кислородной резки и производительность процесса характеризуются мощностью подогревающего пламени, давлением и расходом режущего кислорода и выбираются по табл. 5.11.
Во избежание оплавления кромок не рекомендуется применять подогревающее пламя с избытком ацетилена.
Расстояние от торца регулирующей головки до поверхности изделия должно быть во время резки постоянным. Его выбирают так, чтобы между концом ядра подогревающего пламени и поверхностью изделия оставался зазор 3-4 мм.
Таблица 5.11
Режим ручной газокислородной резки
Показатели |
Толщина разрезаемого металла, мм |
|||||
3-6 |
6-25 |
50 |
100 |
200 |
300 |
|
Номер мундштука: внутреннего наружного Давление кислорода, кгс/см2 Расход кислорода, м3/ч Расход ацетилена Примерная ширина реза, мм Скорость резки, мм/мин |
1 1
3,5
3 0,6
2-2,5
550 |
2 1
4
5,2 0,7
2,5-3,5
370 |
3 1
6
8,5 0,8
3,5-4,5
260 |
4 2
8
18,5 0,9
4,5-7
165 |
5 2
11
33,5 1,0
7-10
100 |
5 2
14
42 1,2
10-15
80 |
Задание
Изучить устройство и принцип работы ацетиленового генератора, водяного затвора, газового редуктора, газовой горелки и кислородного резака. Выбрать и обосновать расчетом режим газовой сварки и кислородной резки (номер наконечника мундштука, расход газа и кислорода, скорость процесса) в соответствии с вариантом. Сварить внахлестку две стальные пластины и разрезать заготовку из стали Ст3 (образцы выдает мастер ПО). Сверить расчетное и фактическое время выполнения сварки (резки) и объяснить причины расхождения. Провести контроль качества сварного шва (соединения) и описать природу замеченных дефектов.
Оборудование, инструмент, приспособления и материалы
Ацетиленовый генератор ГВН-1,25; водяной затвор; шланги газовый и кислородный; баллон с ацетиленом; баллон с кислородом; газовый редуктор; кислородный редуктор; газокислородный резак; газовая горелка ГС-53; набор стальных пластин (образцов) из малоуглеродистой стали марки Ст3.
Методические указания по проведению работы
Работа рассчитана на 4 академических часа. Первый час занятий используется для объяснения методики расчета режима и организации занятий, техники безопасности и демонстрации изучаемых способов. Последующие 3 часа отводятся на практическую часть.
При выполнении практической части работы подгруппа разбивается на 2 звена. Первое звено занимается сваркой, второе - резкой, затем звенья меняются местами.
В начале практической части каждый студент рассчитывает режим сварки и резки для стального листа заданной вариантом толщины и полученные результаты расчета представляет на контроль преподавателю. При правильном расчете преподаватель дает разрешение мастеру ПО на выдачу образцов для сварки.
Практическая часть выполняется под наблюдением мастера ПО, а полученные результаты представляются на контроль преподавателю.
Для получения зачета по выполненной работе студент должен представить отчет, оформленный в соответствии с изложенными выше требованиями, ответить на 2-3 контрольных вопроса по работе, а также выполнить контрольный шов (рез) по усмотрению преподавателя.
Содержание отчета
1. Полное название и цель работы.
2. Общие сведения (кратко) об изучаемых способах.
3. Перечень используемого в работе сварочного оборудования, техническая характеристика (кратко), его подготовка к работе, запуск и выключение.
4. Задание (согласно варианту).
5. Расчет (выбор и обоснование) основных параметров режима.
6. Описание техники выполнения сварки и резки с необходимыми иллюстрациями.
7. Анализ полученных результатов (дефекты сварного шва и их природа).
8. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Объясните сущность способа газовой сварки, ее технологические особенности и возможности, а также область рационального использования.
2. Что общего и в чем различия газовой и дуговой сварки?
3. В чем основные достоинства газовой сварки и недостатки в сравнении с ручной дуговой?
4. Назовите основные дефекты сварного шва (соединения) при газовой сварке.
5. Почему из всех горючих газов (назовите их) наибольшим спросом пользуется ацетилен?
6. Изложите технологию получения ацетилена.
7. Изложите вопросы техники безопасности работы с ацетиленом и с ацетиленовыми генераторами.
8. Чем отличаются друг от друга левый и правый способ сварки? Область применения того и другого способов.
9. Назовите оборудование, инструмент и материалы, потребные для создания газосварочного поста.
10. Чем определяется мощность инжекторной газовой горелки?
11. Какие горелки еще Вы знаете?
12. Расскажите об устройстве и работе инжекторной горелки.
13. Расскажите об устройстве и работе газового редуктора.
14. То же о газовом и кислородном баллонах.
15. То же об ацетиленовом генераторе.
16. То же о газокислородном резаке.
17. Чем отличается газокислородный резак от газокислородной горелки?
18. Расскажите о технике газовой сварки малоуглеродистой стали.
19. То же о технике ее кислородной резки.
20. Из чего исходят при выборе режимов газовой сварки и кислородной резки?
21. Опишите порядок расчета режима газовой сварки (кисло-родной резки).
22. Укажите технологические особенности резки нержавеющих сталей, чугуна, алюминия, меди, хрома.
23. Назовите основные условия, при которых газокислородная резка возможна.
24. Как подбирается состав кислородо-ацетиленовой смеси при сварке различных металлов и сплавов?
25. Опишите строение сварочного пламени и укажите температуры в ее зонах.
Лабораторная работа № 11
ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Ц е л ь р а б о т ы:
- изучить дефекты сварных швов и соединений и установить причины их образования и меры предупреждения;
- ознакомиться с основными методами выявления дефектов в сварных швах и соединениях, а также способами их устранения и рационального выбора способа оценки качества сварки на всех стадиях изготовления сварной конструкции.
Общие сведения
Высокое качество сварных конструкций может быть обеспечено только при хорошо отлаженной системе контроля, которая состоит из: предварительного контроля, контроля при сборке-сварке и контроля качества готового изделия.
На стадии ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ проверяют качество исходных сварных материалов и их соответствие сертификатам, качество заготовок, подлежащих сварке, исправность источников энергии, сварочных приспособлений и инструмента, а также соответствие квалификации сварщика требованиям технических условий на сварную конструкцию.
КОНТРОЛЬ НА СТАДИИ СБОРКИ-СВАРКИ предполагает проверку точности сборки конструкции с учетом допускаемых чертежом отклонений, режима сварки и последовательности наложения сварных швов, а также осмотр и измерение геометрических параметров сварного шва.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ проводится, прежде всего, наружным осмотром сварных швов и конструкции в целом. измерением ее габаритных размеров и отдельных узлов, а также геометрических параметров швов. Кроме того проводят испытания на соответствие конструкции техническим требованиям, предъявляемым к готовому изделию (механические испытания швов, гидравлические испытания сварных сосудов и трубопроводов на прочность и непроницаемость швов и др.).
Дефекты сварных соединений
Дефектами сварных соединений называют отклонения от установленных норм ГОСТа, требований чертежа и технических условий, приводящие к снижению прочности, эксплуатационной надежности и точности, а также к ухудшению товарного вида сварного изделия.
Все дефекты сварных соединений делят на внешние и внутренние. К внешним дефектам относят: неравномерность поперечного сечения, наплывы, подрезы, прожоги, незаплавленные кратеры, а также выходящие на наружную поверхность шва трещины, поры, шлаковые раковины.
К внутренним дефектам относят: непровар, поры, засорение металла шва шлаковыми и неметаллическими включениями, не выходящие на наружную поверхность трещины, а также перегревы и пережог.
Неравномерность поперечного сечения по высоте (рис. 5.33 а,б,в) и ширине (рис. 5.33 г,д,е) ослабляет шов, снижает прочность и ухудшает внешний вид сварной конструкции. Этот дефект получается вследствие нарушения скорости подачи электрода, неудовлетворительного качества электродов, а также низкой квалификации сварщика.
Наплывы (рис. 5.34) образуются в результате стекания металла электрода на нерасплавленный основной металл из-за: чрезмерно высокой скорости сварки, большого значения сварочного тока, при длинной дуге. Наплывы, как правило, сопровождаются непроваром основного металла. Участки с наплывами вырубаются и завариваются вновь.
Подрезы (рис. 5.35) представляют собой углубления (канавки) в основном металле, идущие по краям шва. Уменьшая сечение шва, они ослабляют его и как концентраторы напряжений могут вызвать разрушение сварной конструкции. Подрезы образуются при сварке на завышенных значениях тока, напряжения и длины дуги, а также вызываются неудобным положением шва.
Прожоги (рис. 5.36 а) чаще всего образуются при сварке на большом токе при малом притуплении кромок и неправильном режиме сварки. Дефектные места подлежат повторной заварке при оптимальном режиме.
Незаплавленные кратеры (рис. 5.36 б) возможны из-за небрежного выполнения работы или невысокой квалификации сварщика. Незаплавленные кратеры, являясь концентраторами напряжений, приводят к образованию трещин. Такие дефекты предупреждаются путем выведения дуги на кромку или приставную пластинку, а устраняются повторной подваркой.
Поры (рис. 5.36 в) в сварном шве образуются из-за пересыщения расплавленного металла сварочной ванны водородом и окисью углерода. Водород попадает в металл шва из загрязнений кромок и сварочной проволоки, с краской, маслом, ржавчиной, а окись углерода вследствие недостаточного раскисления металла шва и ненадежной защиты сварочной ванны от кислорода и азота воздуха.
Неметаллические включения (рис. 5.36 г) - это посторонние частицы, которые образуются в результате реакций, протекающих в жидком металле и остаются в металле шва. Причиной их образования являются: ржавчина, окалина и загрязнение кромок свариваемого металла и сварочной проволоки. Устраняются вырубкой и повторной заваркой.
Шлаковые включения (рис. 5.36 д) образуются вследствие попадания в сварочную ванну частичек электродного покрытия, нерасплавившегося флюса, шлака, которые не успели всплыть на поверхность сварочной ванны в процессе кристаллизации. Устраняются вырубкой и повторной заваркой.
Непровар (рис. 5.37) - это несплавления металла шва и свариваемого металла в корне шва, по кромкам, а также между отдельными валиками при многопроходной сварке. Уменьшая рабочее сечение шва, непровар вызывает концентрацию напряжений и резко снижает сопротивляемость шва ударным нагрузкам. Причины непровара: сварка на малом токе или пламенем малой мощности, малый угол скоса кромок и малый зазор между деталями. Выявляются просвечиванием. Устраняются вырубкой и повторной заваркой.
Трещины (рис. 5.38) - наиболее частый дефект в сварных соединениях, так как они очень резко снижают прочность конструкции и ее надежность в работе при всех видах и схемах нагружения. Трещины бывают горячие и холодные. Первые, как правило, образуются в шве при кристаллизации металла. Вторые - чаще всего в околошовной зоне после охлаждения шва. Причины образования трещин: быстрое охлаждение шва, высокое содержание углерода в металле шва и околошовной зоне, нетехнологичная конструкция сварного узла и неправильная последовательность наложения швов. Трещины, выходящие на поверхность, обнаруживаются при внешенм осмотре, магнитным методом и с помощью проникающих жидкостей. Скрытые трещины выявляются просвечиванием рентгеновскими лучами и гаммалучами, ультразвуковым способом, по излому шва, а также его макро- и микроанализом. Заварку трещин ведут после их тщательной разделки и засверливания сквозных отверстий на расстоянии 40-50 мм от ее вершины для предотвращения ее развития.
Перегрев металла в околошовной зоне сопровождается ростом зерна, снижением прочности и ударной вязкости. Вызывается неправильно выбранным режимом сварки или низкой квалификацией сварщика. Дефект устраняется последующей термической обработкой сварной конструкции.
Пережог металла вызывается сваркой на чрезмерно завышенном токе и плохой защитой шва от кислорода воздуха. Пережженный металл обладает высокой хрупкостью и исправлению не поддается. Дефект устраняется вырубкой и повторной заваркой.
Способы контроля
В зависимости от назначения сварной конструкции и предъявляемым требованиям к ее качеству, выбирают тот или другой способ контроля.
Внешний осмотр и проверка размеров шва по ГОСТ 3242-79 применяется для обнаружения наплывов, подрезов, прожогов, незаплавленных кратеров, выходящих на поверхность шва пор и трещин, а также отклонений формы и размеров как на швах, так и сварной конструкции в целом.
Перед осмотром сварной шов очищается от шлака и загрязнений на ширину не менее 20 мм. Сомнительные места зачищают дополнительно наждачной бумагой, травят 10 % водным раствором азотной кислоты и осматривают с помощью лупы при увеличении в 10-15 раз.
Метод керосиновой пробы (ГОСТ 3285-77) основан на высокой способности керосина проникать через микронеровности в металле. Для этого с одной стороны шов покрывают меловой краской, а противоположную сторону смачивают (2-3 раза) керосином. Проницаемость шва обнаруживают по появлению желтых пятен на меловой краске.
Вакуумный метод применяют для проверки плотности шва на изделиях, где доступ ко шву открыт только с одной стороны (баки, резервуары и т.п.). Для этого на предварительно очищенный и смоченный мыльным раствором участок шва 3 устанавливают вакуум-камеру 1 (рис. 5.39), представляющую собой коробку с прозрачным стеклом 4 сверху и обрезиненными кромками снизу. Посредством шланга 2 вакуум-камера соединяется с вакуум-насосом, обеспечивающим разряжение в ней не менее 66,5х102 Па. О наличии дефектов судят по появлению на поверхности шва мыльных пузырей.
Гидравлические испытания (ГОСТ 3845-75) проводятся для проверки плотности и прочности сварных швов. Гидравлическим испытаниям подвергают паровые и водяные котлы, трубопроводы и работающие под избыточным давлением сосуды. Для этого сосуд заполняют водой и создают в нем давление в 1,5-3,0 раза превышающее рабочее. Дефекты обнаруживаются по выявлению течи в шве или в околошовной зоне.
Пневматические испытания (ГОСТ 3242-79) применяются для малогабаритных изделий, типа сосудов. Испытуемый сосуд герметизируют, закачивают в него воздух под давлением в 1,2-1,5 раза больше рабочего и погружают в ванну с водой или промазывают швы мыльным раствором. Неплотности в шве обнаруживаются по появлению пузырьков на поверхности шва.
Механические испытания (ГОСТ 6996-66) проводятся на сварных соединениях или на образцах при тех же условиях, что и контролируемая конструкция с целью проверки соответствия их механических свойств требованиям ГОСТов и технических условий, а также с целью контроля качества сварочных материалов и квалификации сварщиков.
Металлографические исследования проводят с целью установления глубины проплавления, выявления скрытых дефектов и установления причины их образования, а также для изучения структуры шва и околошовной зоны. По результатам исследований определяют правильность выбраных режимов сварки и сварочных материалов. Исследования проводят на макро- или микроуровне с использованием специально приготовленных макро- или микрошлифах.
Исследования изломов сварных швов проводят на специально изготовленных образцах после механических испытаний. По виду излома и структуре металла делают заключение о надежности сварной конструкции.
Просвечивание сварных соединений (ГОСТ 7512-82) основано на способности рентгеновских и гамма-лучей проходить через толщу металла и действовать на светочувствительную пленку, приложенную к шву с обратной стороны. В тех местах, где имеются дефекты, поглощение лучей металлом будет меньше и они окажут большее воздействие на пленку. После проявления пленки дефектные места шва на ней будут иметь вид темных пятен по форме и размерам соответствующих дефекту шва. Рентгеновский снимок сварного шва называется рентгенограммой, а снимок при просвечивании гамма-излучением - гаммаграммой.
Отечественной промышленностью выпускаются и используются переносные рентгеновские установки типа РУП-120-5-2 (переносные) и РУП-200-5 (стационарные), а также их модификации типа ИРА (импульсный рентгеновский аппарат).
Для просвечивания гамма-лучами наибольшее применение имеютпортативные аппараты типа РИД-21М, "Трасса", "Сталь-5". В качестве источника излучения в них используются изотопы: кобальт-60, цезий-137, иридий-192 и др.
Ультразвуковой метод (ГОСТ 14782-86) контроля основан на способности высокочастотных колебаний (от 0,8 до 25 МГц) проникать в металл шва и отражаться от поверхности дефекта, находящегося в сварном шве (рис. 5.40). Получают эти колебания с помощью пьезодатчика (пластинка из кварца или титаната бария). Если к такой пластинке подвести переменный ток высокой частоты, то она будет излучать механические колебания той же частоты. При встрече с дефектом шва волна ультразвуковой частоты отражается от него и улавливается тем же пьезокристаллом. После усиления электрических колебаний на экране электронно-лучевой трубки дефектоскопа появляются импульсы, свидетельствующие о наличии дефектов. По характеру импульсов определяют размер и глубину залегания дефектов. Этим методом выявляют дефекты площадью 2 мм2 и более в изделиях из черных и цветных металлов толщиной от 8 до 2000 мм.
Магнитографический метод контроля (рис. 5.41) основан на обнаружении полей рассеяния, образующихся в местах нахождения дефектов при намагничивании сварных швов. Поля рассеяния фиксируются на ферромагнитной ленте плотно прижатой к поверхности шва. Если в шве имеется дефект, то магнитный поток огибает его и на магнитной ленте появляется участок с меньшей намагниченностью. При воспроизведении такого участка на экране дефектоскопа появится соответствующий импульс.
Задание
1. Используя методику пневмоиспытаний (ГОСТ 3242-79), установить наличие дефектов в сварном шве и объяснить природу его образования.
2. Провести контроль внешним осмотром сварных образцов, представленных на стендах, описать замеченные дефекты и привести возможные причины их образования.
3. Провести анализ результатов механических испытаний на сварных образцах и сделать заключение о качестве сварного шва.
4. Провести анализ гаммаграмм, описать и зарисовать замеченные дефекты. Объяснить природу их образования.
5. Ответить на поставленные в работе контрольные вопросы (по заданию преподавателя).
6. Предложить способ контроля качества для сварной конструкции (по заданию преподавателя). Представить письменные ответы.
Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Общие сведения о дефектах и способах контроля (в кратком изложении).
3. Результаты работы по выполнению задания (п.п. 1-5).
4. Эскиз сварной конструкции и рекомендации по способам контроля для каждого шва и конструкции в целом.
Контрольные вопросы
1. Что понимают под дефектом сварного шва? Сварного соединения? Сварной конструкции?
2. Назовите основные дефекты сварных швов.
3. То же для сварных соединений.
4. То же для сварных конструкций.
5. Объясните природу образования непроваров в сварных швах.
6. Объясните природу образования трещин в сварных соединениях.
7. Объясните природу образования пор, неметаллических и шлаковых включений в сварных швах.
8. Объясните природу образования наплывов, подрезов и прожогов в сварных соединениях.
9. Назовите причины, вызывающие коробление сварной конструкции и как предупредить этот дефект.
10. Укажите способ устранения внешних и внутренних дефектов.
11. Назовите основные способы неразрушающего контроля качества сварных швов и соединений.
12. Объясните принцип действия рентгено- и гаммадефектоскопии. Укажите достоинства, недостатки и область применения каждого.
13. На чем основан ультразвуковой метод контроля качества сварных швов? Укажите его достоинства, недостатки и область применения.
14. То же самое о вакуумном и магнитном методах контроля.
15. Назовите наиболее приемлемый способ контроля для решетчатых и балочных конструкций.
16. То же для трубопроводов, котлов и сосудов высокого давления.