МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт транспорта

кафедра «Транспорт Углеводородных ресурсов»

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Специальные методы сварки и пайки» для студентов специальности

150202 «Оборудование и технология сварочного производства»

очной и заочной форм обучения

Тюмень

ТюмГНГУ

2011

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: к.т.н., доцент Крылов А.П.,

ассистент Рыбин В.А.

© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2011

Лабораторная работа №1 Ручная дуговая сварка меди покрытыми электродами

Цель работы:

Изучение процессов сварки меди ручной дуговой сваркой покрытыми электродами: установление технологических параметров режима сварки при заданных теплофизических свойствах свариваемого металла на температурные поля и геометрические размеры сварного шва; выбор оптимальных режимов сварки для материала заданной толщины.

Материалы и оборудование:

1. Источник питания постоянного сварочного тока с крутопадающей ВАХ.

2. Медные пластины толщиной 4 мм, размером 150 х 50 мм – 2 шт.

3. Электроды для сварки меди «Комсомолец 100».

4. Стальная подкладочная пластина размером 10×200×200 мм.

Теоретические сведения:

Медь – это первый металл, который человек начал добывать и обрабатывать еще задолго до знакомства с железом. В земной коре меди сравнительно немного (~ 0,01 %), но из-за присущих ей уникальных свойств, она во многих случаях оказывается незаменимой.

Медь – диамагнитный, пластичный и тяжелый материал (γ = 8,94 г/см3) с высокой теплопроводностью (λ = 0,923 кал/см·с·0С) и низким электросопротивлением (ρ = 1,68 мкОм·см), а также высокой коррозионной стойкостью. Эти свойства меди определяют ее широкое применение в электротехнической и химической промышленности, в судостроении, приборостроении, металлургии и других отраслях производства.

Чистая медь обладает небольшой прочностью (σ = 216 … 235 МПа) и высокой пластичностью (δ = 60 %; ψ = 75 %).

Медь плавится при 1083 0С и кипит при 2360…2595 0С. В меди не обнаружено полиморфных превращений, во всем интервале температур ниже точки плавления, она имеет ГЦК решетку. Удельная теплоемкость меди примерно такая же, как железа и составляет 0,0915 кал/г·0С. примеси, содержащиеся в меди, снижают ее электропроводность (рис.1). кислород в не больших количествах повышает электропроводность меди ввиду того, что он способствует удалению при плавке примесей за счет их окисления.

С газами медь взаимодействует весьма активно, но с азотом не взаимодействует даже при высоких температурах.

Электроды с покрытиями для дуговой сварки меди (как и для других цветных металлов) государственными стандартами не регламентируются и изготавливаются по техническим условиям или паспортам на конкретные марки, составленные и утвержденные предприятиями или организациями - разработчиками электродов.

Стержни электродов изготавливаются из тянутой проволоки или круглых тянутых и прессованных прутков, регламентированных стандартами.

К числу первых марок электродов для сварки меди, разработанных Томским политехническим институтом совместно с заводом «Комсомолец» на основе медной проволоки марок М1 … М3 относятся электроды серии «Комсомолец» (комсомолец 100, Комсомолец МН, Комсомолец МС). В качестве раскислителей наплавленного металла применены ферромарганец, ферросилиций и кремнистая медь (71 % Cu, 24 % Si, 1 % Fe и до 0,155 % S).

Полное раскисление достигается при содержании кремния в металле шва в пределах 0,3…0,7 %. Положительное влияние на качество металла шва оказывает совместное легирование его марганцем и кремнием при соотношении 1 : 3, что обеспечивает легкоплавкие, хорошо удаляемые из металла шлаки. При повышенном содержании кремния металл сварного шва охрупчивается. В пятидесятых годах прошлого века были разработаны электроды марок ММ3-1, ММ3-2. В качестве раскислителей в этих электродах применены ферросилиций, графит и сплав симанил состава: 31…35 % Si, 19…22 % Mn, 27…30 % Al. Применение сплава симанил вместо ферросплавов позволило снизить содержание железа и вредных примесей в наплавленном металле, что улучшило технологичность электродов.

Наибольшее распространение для сварки конструкций из меди и хромистой бронзы средних и больших толщин (5…20 мм) получили электроды марок АНЦ-1, АНЦ-2, выпускаемые по ТУ ИЭС 593-86, позволяющие выполнять сварку на форсированных режимах. При использовании этих электродов происходит относительно незначительное легирование металла шва (2…2,5 раза меньше, чем при использовании электродов «Комсомолец 100»), что существенно увеличивает его электропроводность.

Освоены в серийном производстве усовершенствованные электроды марок АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, АНЦ/ОЗМ-4, предназначенные для сварки технически чистой меди, содержащей не более 0,01 % кислорода. Они имеют высокую производительность от 4 до 4,9 кг/ч (для электродов диаметром 4 мм) и коэффициент наплавки от 14,5 до 17,5 г·А/ч. Медь толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок; до 10 мм – с односторонней разделкой при угле скоса кромок до 60…70 0 и притуплением 1,5…3 мм. При большей толщине рекомендуется Х – образная разделка кромок. Использование электродов серии АНЦ позволяет выполнять стыковые соединения на меди толщиной до 20 мм без разделки кромок одно или двусторонними швами.

Перед сваркой свариваемый металл тщательно очищают от оксидов и загрязнений до металлического блеска и обезжиривают для получения более качественного сварного соединения. Зачистка кромок может выполняться механическим способом – наждаком, металлическим щетками и т.п. Абразивным камнем пользоваться не рекомендуется, так как оставляемые им на поверхности металла глубокие риски служат очагами последующих загрязнений и затрудняют обезжиривание органическим растворителями.

При ручной сварке меди покрытыми электродами необходим подогрев кромок, начиная с толщины 4 мм. Температура подогрева возрастает с увеличением толщины свариваемых кромок и габаритов изделия.

При толщине кромок 5…8 мм металл подогревают до 200…300 ˚С, при толщине 24 мм – 750… 800 ˚С. электроды марки АНЦ-1 (АНЦ-2) обеспечивают выполнение сварки без подогрева металла толщиной до 10…15 мм или с невысоким подогревом для металла больших толщин.

Таблица 1

Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами

b, мм	dэ, мм	Iсв, А	Uд, В
2	2 - 3	100 - 120	25-27
3	3-4	120-160	25-27
4	4-5	160-200	25-27
5	5-6	240-300	25-27
6	5-7	260-340	26-28
7-8	6-7	380-400	26-28
9-10	6-8	400-420	28-30

Сварка покрытыми электродами выполняется на постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток назначают из соотношения I_св ~ 50 d_эл (табл.2), а для электродов серии АНЦ - I_св = (85…100) d_эл при U_д = 45…50В.

При многослойной сварке меди толщиной более 10… 12 мм (3…6 слоев) используют электроды диаметром 6…8 мм при сварочном токе до 500 А.

Сварку ведут короткой дугой без поперечных колебаний электрода. Лучшее формирование шва обеспечивает возвратно-поступательное движение электрода. Удлинение дуги ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание, ухудшает механические свойства сварных соединений. При сварке стыковых соединений используют металлические (стальные или медные) или асбестовые подкладки. Сварку производят в нижнем положении или слегка наклонном положении (на подъем).

Сварка электродами «Комсомолец 100» обеспечивает удовлетворительные механические свойства металла шва: σ_в =180…200 МПа; δ = 18…20 %; α = 1800; KCU = 0,59…0,78 МДж/м2. Достаточно высокие механические свойства шва и сварного соединения на меди можно получить также при использовании электродов со стержнями из бронзы Бр.КМц 3-1, Бр.ОФ 4-0,3 и латуни Л90 (σ_в = 190…230 МПа; α = 1800).

Проковка швов на меди без нагрева увеличивает прочность металла швов при некотором снижении пластичности (σ_в = 235…242 МПа; α = 143…1800).

Теплопроводность и электрическая проводимость сварных по сравнению с этими же параметрами основного металла значительно снижаются. Электрическая проводимость металла шва составляет всего 20 % электрической проводимости меди М1. примерно в такой же степени снижается электрическая проводимость шва при сварке электродами со стержнями из бронзы Бр.КМц 3-1.

Порядок выполнения работы

1. Произвести подготовку пластин под сварку с V-образным скосом кромок под общим углом 70-80˚, с притуплением 2-3 мм.

2. Установить пластины на стальной подкладке встык с зазором в 1 мм и произвести прихватку, как показано на рис. 1.

3. Выполнить сварку пластин в соответствии с рис.1

4. После окончания сварки произвести быстрое охлаждение пластин в воде.

5. Вырезать из сварных пластин образцы и изготовить из них макро- и микрошлифы, произведя травление макрошлифов реактивом из 15 г двуххромовокислого калия, 10 мл серной кислоты и 100 мл воды.

6. Исследовать макро- и микроструктуру образцов. Исследование микроструктуры производить при увеличении ×200.

Рис.1. Схема прихватки и сварки медных пластин

Отчет должен содержать:

• описание методики проведения опытов

• результаты опытов, занесенные в соответствующие графы таблицы;

• формулирование выводов

• объяснение полученных результатов;

• краткое описание устройства и работы сварочной установки;

• технологический процесс сварки заданного узла.

Вопросы для самоконтроля:

1. Состав покрытия электродов для ручной дуговой сварки меди и ее сплавов.

2. Технология ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

3. Маркировка сварочной проволоки для сварки меди и ее сплавов.

4. Флюсы для сварки электродуговой сварки меди и ее сплавов.

5. Как выбирают ток при сварке меди под слоем флюса.