Глава 4 Характеристика методов сварки плавлением Классификация методов и способов сваривания плавлением

Существующие методы сварки плавлением классифицируются по виду источников теплоты, а способы сварки - по характеру защиты ванны и свароч-ного металла от взаимодействия с атмосферой, особенностей введения источни-ка теплоты, степени автоматизации процессов и другим признакам.

По виду источника теплоты методы сварки делятся на: дуговое, электро-шлаковое, электронно-лучевое, лазерное, газовое, плазменное, термитное.

По характеру защиты сварочного металла и сварочной ванны от атмосфе-ры способы сваркия делятся на сварку со шлаковой, газошлаковой и газовой защитой.

По особенностям введения источника теплоты различают способы сварки с беспрерывным нагреванием и импульсным.

По степени автоматизации процесса существующие способы сварки делятся на ручное, механизированное и автоматизированное.

Ручная дуговая сварка металлическими электродами с покрытием

Под техникой сварки обычно понимают приемы манипулирова­ния элек-тродом или горелкой, выбор режимов сварки, приспо­соблений и способы их применения для получения качественного шва и т. п. Качество швов зависит не только от техники сварки, но и от других факторов, таких как состав и качест-во применя­емых сварочных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки й сборки кромок под сварку и т. д.

В зависимости от формы и размеров изделия швы можно сваривать в раз-личных пространственных положениях. Условно их разделяют на нижние, вер-тикальные, потолочные и горизон­тальные (рис. 10). Горизонтальные швы — швы, выполняемые на вертикальной плоскости в горизонтальном направлении. В практике сварочного производства существуют еще понятия «сварка в полу-вертикальном положении» (когда угол между горизонтом и плоскостью листов равен 30—60°), «сварка в полу­потолочном положении» (угол между горизон-том и плоскостью листов равен 120—150°).

Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием в настоящее время остается одним из самых распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Это объясняется простотой и мобильнос-тью применяемого обо­рудования, возможностью выполнения сварки в различ-ных про­странственных положениях и в местах, труднодоступных для механи- зированных способов сварки.

Существенный недостаток ручной дуговой сварки металли­ческим элект-родом, так же как и других способов ручной сварки, — малая производитель-ность процесса и зависимость качества свар­ного шва от практических навыков сварщика. В первые годы применения дуговой сварки использовались метал-лические элек­троды с тонким ионизирующим покрытием, повышающим ста­бильность дуги. Однако свойства металла шва при этом были низкими.

Поэтому в настоящее время подобные электроды для сварки практически не применяют.

Рис. 10. Положение швов в пространстве:

Н –нижнее; В - вертикальное; П– потолочное

Сущность способа. К электроду и свариваемому изделию для образова-ния и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный свароч­ный ток (рис. 11).

Рисунок 11– Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием (стрелкой указано направление сварки)

1 — металлический стержень; 2 — покрытие электрода; 3 -— газовая ат-мосфера дуги; 4 — сварочная ванна; 5 — затвердевший шлак; 6 — закрис-таллизовавшийся металл шва; 7 — основной металл (изделие); 8 — капли рас­плавленного электродного металла; 9 — глу­бина проплавления

Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным метал­лом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплы­вает на поверхность.

Глубина, на которую расплавляется основной металл, назы­вается глуби-

ной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и ди-аметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемеще-ния дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступа-тельное дви­жение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от кон-струкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кро-мок и т. п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно нахо-дятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8—15 мм, длина 10—30 мм. Доля участия основного ме­талла в формировании металла шва (см. гл. III) обычно состав­ляет 15—35%.

Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сва­рочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покры­тие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным ме­таллом. В газовой атмосфере присутствуют также пары основного и электродного ме-таллов и легирующих элементов. Шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленного металла сварочной ванны, способствует пре-дохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургических взаи-модействиях с расплавленным металлом.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приво-дит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образова­нию сварочного кратера (углублению в шве, по фор-ме напоминаю­щему наружную поверхность сварочной ванны). Затвердеваю-щий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Ввиду того, что от токоподвода в электрододержателе сварочный ток про-текает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Этот разогрев тем больше, чем дольше протекание но стержню сварочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический стер-жень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления элек-трода темпеpатypa повышается до 500—600°С (при содержании в покрытии ор-ганических веществ — не выше 250° С). Это приводит к тому, что скорость рас-плавления электрода (количество расплавлен­ного электродного металла) в на-чале и конце различна. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соот-ношение долей электродного и основного металлов, участвующих в об-разовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выпол-ненного одним электродом. Это — один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Зажигание и поддержание дуги. Перед зажиганием (возбуждением) дуги следует установить необходимую силу сварочного тока, которая зависит от марки электрода, пространственного положения сварки, типа сварного соедине-ния и др. Зажигать дугу можно двумя способами. При одном способе элек­трод приближают вертикально к поверхности изделия до касания металла и быстро отводят вверх на необходимую длину дуги. При другом — электродом вскользь «чиркают» по поверхности металла. Применение того или иного способа зажигания дуги зависит от условий сварки и от навыка сварщика.

Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, пространственного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т. п. Нормальная длина дуги считается в пределах 1_Д = (0,5 … 1,1)d_эл (d_эл — диаметр электрода). Увели-чение длины дуги сни­жает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивного окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основного металла. Также ухудшается внешний вид шва.

Во время ведения процесса сварщик обычно перемещает электрод пе менее чем в двух направлениях. Во-первых, он подает электрод вдоль его оси в дугу, поддерживая необходимую в зави­симости от скорости плавления электрода длину дуги. Во-вторых, перемещает электрод в направлении наплавки или сварки для образования шва. В этом случае образуется узкий валик, ширина которого при наплавке равна примерно (0,8 - 1,5) d_эл и зависит от силы сварочного тока и скорости перемещения дуги по поверх­ности изделия. Узкие валики обычно накладывают при проваре корня шва, сварке тонких листов и тому подобных случаях.

При правильно выбранном диаметре электрода и силе свароч­ного тока скорость перемещения дуги имеет большое значение для качества шва. При повышенной скорости дуга расплавляет основ­ной металл на малую глубину и возможно образование непроваров. При малой скорости вследствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некоторых случаях, например при сварке на спуск, образование под дугой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышенной толщины, наоборот, может привести к образованию непроваров.

Иногда сварщику приходится перемещать электрод поперек шва, регули-руя тем самым распределение теплоты дуги поперек шва для получения требу-емых глубины проплавления основного металла и ширины шва. Глубина проп-лавления основного металла и формирование шва главным образом зависят от вида поперечных колебаний электрода, которые обычно совершают с постоян-ными частотой и амплитудой относительно оси шва (рис. 12).

Рисунок 12–Основные траектории движе­ния конца электрода при ручной ду­говой сварке уширенных валиков

Траектория движения конца электрода зависит от пространственного по-ложе­ния сварки, разделки кромок и навыков сварщика. При сварке с попереч-ными колебаниями получают уширенный валик, ширина которого обычно сос-тавляет (2 - 4) d_эл, а форма проплавления зависит от траектории поперечных ко-лебаний конца электрода, т. е. от условий ввода теплоты дуги в основной ме-талл.

При окончании сварки — обрыве дуги следует правильно заварить кра-тер. Кратер является зоной с наибольшим количе­ством вредных примесей вви-ду повышенной скорости кристалли­зации металла, поэтому в нем наиболее ве-роятно образование трещин. По окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия. Необходимо прекратить все пере­мещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва; расплав­ляющийся при этом электродный металл заполнит кратер. При сварке низкоуглеродистой стали кра-тер иногда выводят в сторону от шва — на основной металл. При случайных обрывах дуги или при смене электродов дугу возбуждают на еще не расплав-лен­ном основном металле перед кратером и затем проплавляют ме­талл в кра-тере.

Положение электрода относительно поверхности изделия и пространстве-нное положение сварки оказывают большое влияние на форму шва и проплав-ление основного металла (рис.13).

Рисунок 13– Способы выполнения сварки:

а- угол назад; б - углом вперед; в - на подъем; г на спуск

При сварке углом назад улучшаются условия оттеснения из-под дуги жидкого металла, толщина прослойки которого уменьшается. При этом улучшаются условия теплопередачи от дуги к основному металлу и растет глубина его проплавления. То же наблюдается при сварке шва на подъем на наклонной или вертикальной плоскости. При сварке углом вперед или на спуск расплавленный металл сварочной ванны, подтекая под дугу, ухудшает теп-лопередачу от нее к основному металлу — глубина проплавления уменьша-ется, а ширина шва возрастает (сечения швов на рис. 13).

При прочих равных условиях количество расплавляемого электродного металла, приходящегося на единицу длины шва, остается постоянным, но рас-пределяется на большую ширину шва и поэтому высота его усиления умень-шается. При наплавке или сварке тонколистового металла (толщина до 3 мм) для уменьшения глубины провара и предупреждения прожогов рекомендуется

сварку выполнять на спуск (наклон до 15°) или углом вперед без попереч­ных колебаний электрода.

Для сборки изделия под сварку (обеспечения заданного зазора в стыке, положения изделий и др.) можно применять специальные приспособления или короткие швы – прихватки. Длина прихваток обычно составляет 20-120 мм (больше при более толстом металле) и расстояние между ними 200—1200 мм (меньше при большей толщине металла для увеличения жесткости). Сечение прихваток не должно превы­шать 1/3сечения швов. При сварке прихватки необ-ходимо пол­ностью переплавлять.