МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

А.С. Сіньковський, О.В. Фроленкова

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

по курсу

«ТЕХНОЛОГІЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ»

розділ «ЗВАРЮВАННЯ МЕТАЛІВ»

Одеса: ОНПУ, 2016

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут промислових технологій, дизайну і менеджменту

Кафедра технології конструкційних матеріалів,

матеріалознавство

А. С. Сіньковський, О.В. Фроленкова

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

по курсу

«ТЕХНОЛОГІЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ» розділ «ЗВАРЮВАННЯ МЕТАЛІВ»

Для студентів іноземців (російська мова)

Рівень підготовки – бакалавр

Затверджено на засіданні

кафедри технології

конструкційних

матеріалів, матеріалознавство

Протокол № 9 від 19. 04. 2016 р.

Одеса: ОНПУ

Наука і техніка

2016

А.С.Сіньковський, О.В. Фроленкова.

Конспект лекцій по курсу «Технологія конструкційних матеріалів» розділ «ЗВАРЮВАННЯ МЕТАЛІВ» для студентів спеціальності 6.050504, 7.8.05050403 усіх форм навчання. - Одеса: ОНПУ, 2016. - 43 с.

Рецензенты; Лебедев В.Г., д-р техн. наук, проф., Евтифеев С.Л. ктн,доцент

Конспект лекцій включає основні види зварювання металів такі як: устаткування та технологія ручного дугового зварювання, автоматичне зварювання під шаром флюсу і в захисних газах, а також газове і електро- контактне зварювання. По кожному із видів приведені методи рішення задач, а також задачі для самостійного розв'язування.

Призначається для студентів денної та заочної форми навчання.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ 6

1.1. Электрическая сварочная дуга 6

1.2. Перенос расплавленного металла в дуге 8

1.3. Основные показатели сварочной дуги 9

1.4. Источники тока для питания сварочной дуги 10

1.4.1. Сварочные трансформаторы 10

1.4.2. Сварочные инверторы 11

1.5. Тепловые процессы, протекающие при сварке 13

1.6. Электроды для сварки сталей 13

1.7. Расчет режимов ручной дуговой сварки 15

1.8. Основные реакции, протекающие в зоне сварки 17

1.9. Зоны термического влияния при сварке 17

1.10. Сварные соединения и швы при ручной дуговой сварке 18

1.11. Автоматическая сварка под слоем флюса 19

1.12. Технология автоматической сварки 21

1.13. Cварка в защитных газах 22

1.14. Аргонодуговая сварка 22

1.15. Сварка в углекислом газе 23

1.16. Напряжения и деформации, возникающие при сварке 23

1.17. Свариваемость металла 24

1.18. Типовые задачи с решениями на ручную дуговую сварку 24

1.19. Задачи для решения 25

2. КОНТАКТНАЯ СВАРКА 26

2.1. Стыковая сварка 26

2.1.1. Разработка технологических параметров стыковой сварки сопротивлением 27

2.2. Технология точечной сварки 28

2.3. Технология шовной сварки 29

2.4. Типовые задачи с решениями на контактную сварку 30

3. ГАЗОВАЯ СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ 31

3.1. Сущность процессов газовой сварки и резки металлов 31

3.2. Газы, необходимые для газопламенной обработки металлов 31

3.3. Баллоны для сжатых газов. Редукторы 32

3.4. Сварочные горелка и резаки 34

3.5. Ацетиленовые генераторы 35

3.6. Сварочное пламя 37

3.7. Технология газовой сварки 39

3.8. Газокислородная резка металла 42

3.9. Плазменная резка 43

3.10. Решение задач по газовой сварке 44

Список литературы 46

Введение

Стабильное развитие промышленности в условиях рыночных отношений всецело будет зависеть от внедрения высокопроизводительных технологических процессов. Одним из них является сварка. Благодаря широкой автоматизации этого процесса удается создавать линии и целые цеха, где полностью исключен труд человека.

Сваркой называется неразъемный вид соединения деталей, при котором между различными свариваемыми поверхностями начинают действовать межатомные силы взаимного притяжения. Для того, чтобы осуществить это, нужно сблизить атомы разных поверхностей на расстояние 4*10^-8 см.

Осуществить это можно при следующих условиях:

1. Применение очень больших удельных давлений, сжатие деталей без нагрева (сварка взрывом).

2. Нагрев с одновременным сжатием деталей умеренным давлением (сварка трением, электроконтактная и др.).

3. Нагрев металла в месте соединения до расплавления, без применения давления сжатия (электродуговая, газовая сварки и др.).

Для того, чтобы инженер мог правильно определить место сварки в технологической цепочке, рационально использовать оборудование, вести работы по автоматизации, он должен глубоко изучить физическую сущность процесса и принцип управления им.

Однако в учебной литературе приводится лишь, поверхностное описание процессов сварки без примеров расчета технологических параметров.

В настоящем конспекте лекций сделана попытка углубить знание студентов по сущности процесса, дать основные методы расчета важных технологических параметров и дать необходимые советы по использованию различных видов сварки в машино- и приборостроении.

Конспект лекций рассчитан на студентов всех форм обучения механических, экономических и энергетических специальностей.

В зависимости от метода нагрева, вида давления или подводимой энергии существует много различных способов сварки. Однако многие из них имеют, по различным причинам, весьма ограниченное применение.

Наиболее широко в машиностроении применяется электродуговая, электроконтактная и газовая сварки. Поэтому на них мы остановимся подробнее в данном издании.

1. Сущность процесса электродуговой сварки

1.1. Электрическая сварочная дуга

Дуга представляет собой стационарный электрический газовый разряд, который изучил и описал в 1802 г. русский академик В.В.Петров. Электрические заряды в сварочной дуге переносятся электрическими заряженными частицами – электронами, а также положительно к отрицательно заряженными ионами.

Возникновение дуги обусловлено эмиссией электронов с катода с ионизацией в дуговом промежутке. Электроны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, ударяются о них, выбивают электроны, ионизируя атомы.

Количество энергии, которое необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется работой ионизации . Она различна у различных элементов. Осуществляется работа ионизации за счет кинетической энергии электрона;

, откуда (1.1)

где, m – масса электрона, равная 9,1*10^-31 кг;

v – его скорость;

е – заряд электрона, равная 1,6*10^-19 Кл;

U – разность потенциалов на участке, пройденном электроном (потенциал ионизации).

Важной характеристикой стабильного горения дуги является также работа выхода электрона с поверхности твердого или жидкого проводника A_e. Она обратно пропорциональна межатомному расстоянию и поэтому самая малая у щелочных металлов (табл. 1.1.).

Окисление поверхности или нанесение на нее другого металла при определенных условиях снижает работу выхода электронов. Например, введение в состав вольфрамового электрода 0,5 % окиси тория увеличивает эмиссию электронов в тысячу раз.

Таблица 1.1.

Параметр	K	Na	Al	Ca	Ti	Fe	C	O	N
U (В)	4,3	5,1	5,9	6,1	6,8	7,8	11,2	13,2	14,5
Ae (эВ)	2,2	2,3	4,2	2,9	3,9	4,1	4,3	–	–

Зажигание дуги при сварке осуществляется путей замыкания электрода 1 на деталь 2 (рис. 1.1.а). Проходя через отдельные выступы, ток в соответствии с законом Джоуля-Ленца нагревает их, доводя до плавления. В следующий момент сварщик несколько отводит электрод, отчего з жидком металле образуется тонкая шейка, в которой резко растет плотность тока, а следовательно, и температура, что приводит к резкому испарению (взрыву) и мощной эмиссии электронов. Ускоряясь полем, электроны, взаимодействуя с нейтральными атомами, ионизируют их. В дуге различают три участка: катодный 3 и анодный 5, а также столб дуги 4. (рис.1.1,б). В катодной области из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в области катодного падения напряжения, попадают в столб дуги. Сталкиваясь в столбе, дуги с нейтральным атомами, электроны их ионизируют, в результате образуются два медленных электрона и положительный ион. К катодному пятну движутся положительные ионы, но обладая большой массой, они имеют скорость значительно меньше, чем у электронов. Поэтому в области катодного падения напряжения и создается избыточный объемный положительный заряд, возникновение которого в прикатодной области с длиной 10^-5см приводит к возникновению высокой напряженности Е электрического тока. В анодной области на участке, равном длине свободного пробега электрона, наблюдается резкое анодное падение напряжения Ua, вызванное большим нескомпенсированным объемным отрицательным зарядом.

На этом участке дуги почти отсутствует ионизация и нет положительных ионов. Поэтому электроны, проходя анодную область, снова резко увеличивают скорость своего движения и, попадая на анодное пятно, тормозятся, выделяя кинетическую энергию и энергию, равную работе выхода электрона. В результате температура в анодном пятне может достигать температуры кипения материала анода.

Рис. 1.1, а. Зажигание дуги при сварке

Рис. 1.1, б. Падение напряжения в дуге

Столб дуги (плазма) – область расположения между катодным и анодным падением напряжения и представляет собой смесь электронов и положительных ионов. В случае наличия в дуге атомов элементов, имеющих большое сродство к электрону, в столбе могут образовываться и отрицательные ионы, например, фтора или кислорода. В плазме имеются также и нейтральные атомы.

Столб дуги в целом нейтрален, так как количество отрицательных и положительных зарядов равно.

Температура столба дуги зависит от эффективного потенциала ионизации газов, заполняющих межэлектронное пространство, напряженности поля, плотности тока. Для приближенных расчетов можно использовать уравнение К.К.Хренова:

(1.2)

где, – температура столба дуги, °К;

U – эффективный потенциал ионизации, В.

Температура столба дуги по его сечению неодинакова. Наибольшую температуру имеет центральная часть. Температура на катоде и аноде зависит от рода тока и материала электродов. При сварке стальным плавящимся электродом температура на аноде составляет около 2600 °С, а на катоде около 2400 °С. При использовании угольных электродов температура катода составляет около 3200 °С, а анода - около 3900 °С. При сварке переменным током количество энергии, выделяемое на обоих электродах, одинаково.

Напряжение дуги является функцией ее длины:

где, – напряжение дуги,, В;

– сумма падений напряжений на аноде и катоде.

В случае стальных электродов .

– длина дуги, мм;

– напряженность электрического поля в столбе дуги, которая при сварке на воздухе составляет 2,5 В/мм.

Дуга горит стабильно, если ее длина ,

Зависимость между напряжением дуги и силой тока, описывается вольт-амперной характеристикой, см. рис 1.2;

Рис 1.2. Вольт-амперная характеристика дуги

Из рисунка видно, что участок І (при токе меньше 80 А) характеризуется резким падением напряжения, что связано с увеличением числа частиц, переносящих электричество в дуге. Этот участок имеет малую устойчивость и для сварки применяется очень редко.

При токах 80...1000 А (участок ІІ) дуга имеет жесткую характеристику, напряжение не изменяется с увеличением силы тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока растет сечение дуги и одновременно увеличивается число переносчиков заряда. Оба фактора уменьшают сопротивление дуги во столько раз, во сколько возрастает сила тока.

При увеличении тока вше 1000 А (область ІІІ) напряжение дуги снова возрастает, так как дуга к этому моменту достигает максимальных размеров, и сечение ее в дальнейшем не меняется. Дуга с возрастающей характеристикой широко применяется при сварке под флюсом и в защитных газах. Вокруг сварочной дуги постоянного тока образуется мощное магнитное поле, которое может взаимодействовать с массивными частями изделия (ферромагнитные массы), что приведет к отклонению дуги в сторону. Такое явление называют магнитным дутьем. Его можно изменить путем изменения места токопровода, угла наклона электрода, временного симметричного размещения массивного ферромагнитного материала с другой стороны дуги, заменой постоянного тока переменным.