1769
.pdf
40
2)Соединение стыковое с V-образной разделкой кромок (рис. 3.5, б): для заготовок толщиной S=3...21 мм.
3)Соединение стыковое с X-образной разделкой кромок (рис. 3.5, в): для заготовок толщиной S=21...30 мм. Сварка такого соединения требует доступа к нему с двух сторон.
4)Соединение угловое без разделки кромок (рис. 3.5, г): для заготовок толщиной S<8 мм.
5)Соединение угловое с V-образной разделкой одной из кромок (рис. 3.5, д): для заготовок толщиной S=8...26 мм.
6)Соединение угловое с V-образной разделкой обоих кромок (рис. 3.5, е): для заготовок толщиной S>26 мм.
7)Соединение тавровое без разделки кромок (рис. 3.5, ж): для заготовок толщиной S<6 мм.
Рис. 3.5. Типы соединений свариваемых заготовок для ручной дуговой сварки
8)Соединение тавровое с двухсторонней разделкой кромки (рис. 3.5, з): для заготовок толщиной S>6 мм.
9)Соединение нахлесточное без разделки кромок (рис. 3.5, и): для заготовок толщиной S=2...6 мм.
3.3. Электроды для ручной дуговой сварки стали. Марки сварочной проволоки, типы и марки электродов
Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества.
41
Химический состав стержней этих электродов характеризуется маркой сварочной проволоки.
Пример маркировки сварочной проволоки: Св08, Св08А, Св10, Св10А.
Здесь двухзначная цифра означает содержание углерода в сотых долях процента. Буква «А» означает пониженное содержание вредных примесей S и P в стали. В марках сварочной проволоки указывается содержание легирующих элементов, например, для сварки низколегированных сталей: Св10ГС, Св08Г2С. Для сварки высоколегированных сталей:
Св06Х19Н10М3Т, Св07Х25Н13.
Тип электрода характеризует либо предел прочности на растяжение сварного шва: Э38 ( в>38 кгс/мм2), Э42, ... , Э150; либо химический состав наплавленного металла (Э-09МХ, Э-10Х5МФ и т. д.).
Марка электрода определяет технологию сварки (характер электрического тока, его полярность, расположение шва в пространстве). Марка электрода и состав покрытия должны быть взаимосвязаны.
По своему назначению компоненты, входящие в состав покрытия электрода, разделяются на несколько групп:
–Вещества-стабилизаторы (улучшающие стабильность горения дуги. Это вещества, имеющие низкий потенциал ионизации: соединения щелочных металлов – силикат натрия, кальцинированная сода).
–Газообразующие компоненты (защищающие сварочную ванну от контакта с атмосферой воздуха, то есть выделяющие при сгорании углекислый газ: крахмал, целлюлоза, древесная мука, мел, известняк).
–Шлакообразующие компоненты (защита шва образованием шлаковой корки, так как газообразующие компоненты защищают металл только
вобласти дуги – полевой шпат, кремнезем SiO2).
–Раскислители (для удаления кислорода из металла сварочной ванны. Несмотря на все меры защиты, кислород все же попадает в жидкую ванну и при ее остывании образуются трещины. Вещества, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа: ферросплавы ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.).
–Легирующие компоненты (для легирования металла шва).
–Связующие вещества (для предотвращения осыпания покрытия – жидкое стекло и др.).
3.4. Дуговая сварка под флюсом
Ручной дуговой сварке свойственны следующие недостатки: а) низкая производительность; б) качество швов сильно зависит от квалификации сварщика; в) значительные потери металла (до 25 %) за счет разбрызгивания и окисления.
42
Указанные недостатки обуславливают целесообразность применения других видов сварки, при которых используются более эффективные способы защиты металла в зоне сварки, и в частности сварки под флюсом.
Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Диаметр сварочной проволоки 1...3 мм.
Подача и перемещение электродной проволоки при сварке под флюсом автоматизированы.
В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 3.6) дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30...50 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака 4.
По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи 2 и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.
Рис. 3.6. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом
Основные преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой:
1) Повышение производительности процесса сварки в 5...20 раз. Достигается за счет использования больших сварочных токов (до
2000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение непокрытой проволоки позволяет приблизить токопровод на расстояние 30...50 мм от дуги
43
и тем самым устранить опасный разогрев электрода при большой силе тока.
2) Качество шва улучшается.
Повышенное качество сварных швов обусловлено получением более высоких механических свойств наплавленного металла благодаря надежной защите сварочной ванны флюсом, интенсивному раскислению и легированию вследствие увеличения объема жидкого шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом и твердой шлаковой коркой; улучшением формы и поверхности сварного шва и постоянством его размеров по всей длине вследствие регулирования режима сварки, механизированной подачи и перемещения электродной проволоки.
3) Экономия металла.
Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла.
4)Санитарные условия труда улучшаются. Отпадает необходимость
взащите глаз и лица сварщика от лучевого воздействия дуги.
5)КПД процесса возрастает.
6)Благодаря повышенной силе тока увеличивается глубина провара. Можно сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один про-
ход без разделки кромок.
Автоматическая сварка под флюсом имеет ряд существенных недостатков:
Невозможность визуального наблюдения за процессом формирования шва (нет визуального контроля за положением электрода).
Трудность или невозможность сварки швов в потолочном положе-
нии и на вертикальной плоскости. Наклон плоскости шва относительно горизонтали должен составлять не более 10...15 0, иначе произойдет осыпание флюса.
Повышенные требования к чистоте свариваемых кромок и сборке деталей.
Флюсы служат для изоляции сварочной ванны от атмосферы воздуха, обеспечения устойчивого горения дуги, формирования поверхности шва и получения заданных состава и свойств наплавленного металла. Флюсы классифицируют по назначению, химическому составу и способу изготовления. По назначению они разделяются на флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, легированных и высоколегированных сталей, цветных сплавов.
Под флюсом сваривают стали различных классов, реже цветные сплавы.
44
3.5. Дуговая сварка в среде защитных газов
При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струёй защитного газа.
В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда – смеси двух газов или более. В нашей стране наиболее распространено применение аргона Ar и углекислого газа CO2.
Аргон – бесцветный газ, в 1,38 раза тяжелее воздуха, нерастворим в жидких и твердых металлах. Поставляют и хранят аргон в стальных баллонах в сжатом газообразном состоянии под давлением 15 МПа.
Углекислый газ бесцветный, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха, нерастворим в твердых и жидких металлах. Выпускают углекислый газ сварочный, пищевой и технический, имеющие соответственно чистоту 99,5, 98,5 и 98,0 %. Для сварки газ поставляют и хранят в стальных баллонах в сжиженном состоянии под давлением 7 МПа.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды сварки в среде защитных газов.
Аргонодуговая сварка стали неплавящимся электродом
Рис. 3.7. Схема аргонодуговой сварки стали вольфрамовым электродом: 1 – присадочный стальной пруток или проволока; 2 – сопло;
3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки; 5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера аргона;
8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла
45
Особенности процесса:
–электрод – неплавящийся вольфрамовый (температура плавления 3370 0С, что выше температуры нагрева электрода в процессе сварки);
–используется постоянный ток прямой полярности, улучшающий стабильность горения дуги;
–внешняя характеристика источника питания должна быть падающей (см. рис. 3.3 для ручной дуговой сварки стали).
Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,5...6 мм. Можно сваривать с расплавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости получения усиления шва или заполнения разделки кромок (толщина более 3 мм) – и присадочного материала 1 (прутка или проволоки, рис. 3.7). Последний подают в дугу вручную или механизмом подачи.
При применении аргона в качестве защитного газа на поверхности сварного шва отсутствуют оксиды и шлаковые включения.
Аргонодуговая сварка алюминиевых сплавов неплавящимся электродом
Рис. 3.8. Схема аргонодуговой сварки алюминиевого сплава вольфрамовым электродом:
1 – присадочный пруток или проволока из алюминиевого сплава; 2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук;
4 – корпус горелки; 5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера аргона; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла
Особенности процесса:
–электрод – неплавящийся вольфрамовый;
–сварка ведется на переменном токе;
46
– для зажигания дуги без короткого замыкания в сварочную цепь включается маломощный высоковольтный аппарат, называемый осциллятором. Он вырабатывает напряжение U=3000...8000 В, но чтобы оно было безопасным для сварщика, напряжение имеет высокую частоту
(f = 250...500 кГц);
–внешняя характеристика источника питания должна быть падающей (см. рис. 3.3 для ручной дуговой сварки стали);
–используется присадочная проволока из алюминиевого сплава. Схема процесса приведена на рис. 3.8.
При сварке неплавящимся электродом на переменном токе сочета-
ются преимущества дуги на прямой и обратной полярностях. Дуга прямой полярности горит стабильнее, однако дуга обратной полярности обладает одним важным технологическим свойством: при ее действии с поверхности свариваемого металла удаляются оксиды. Одно из объяснений этого явления заключается в том, что поверхность металла бомбардируется тяжелыми положительными ионами аргона, которые механически разрушают пленки оксидов. Процесс удаления оксидов также известен как катодное распыление. Указанные свойства дуги обратной полярности используют при сварке алюминия, магния и их сплавов, применяя для питания дуги переменный ток.
Асимметрия электрических свойств дуги, обусловленная ее меньшей электрической проводимостью при обратной полярности по сравнению с прямой, приводит к ряду нежелательных явлений. В результате выпрямляющей способности дуги появляется постоянная составляющая тока прямой полярности. В этих условиях дуга горит неустойчиво, ухудшается очистка поверхности сварочной ванны от тугоплавких оксидов и нарушается процесс формирования шва. Поэтому для питания дуги в аргоне переменным током применяют специальные источники тока. В их схему включают стабилизатор горения дуги – электронное устройство, подающее импульс дополнительного напряжения на дугу в полупериод обратной полярности.
Аргонодуговая сварка алюминиевых сплавов плавящимся электродом
Особенности процесса:
а) сварка ведется на постоянном токе обратной полярности (за счет катодного распыления обеспечивается удаление тугоплавкой пленки оксида Al2O3 с поверхности сварочной ванны);
б) электрод – проволока из алюминиевого сплава; в) внешняя характеристика источника питания должна быть полого
падающей или жесткой.
Схема процесса приведена на рис. 3.9.
Нормальное протекание процесса сварки и хорошее качество шва обеспечиваются при высокой плотности тока (100 А/мм2 и более). При невысокой плотности тока имеет место крупнокапельный перенос расплав-
47
ленного металла с электрода в сварочную ванну, приводящий к пористости шва, сильному разбрызгиванию расплавленного металла и малому проплавлению основного металла. При высоких плотностях тока перенос расплавленного металла с электрода становится мелкокапельным или струйным. В условиях действия значительных электромагнитных сил быстродвижущиеся мелкие капли сливаются в сплошную струю. Такой перенос электродного металла обеспечивает глубокое проплавление основного металла, формирование плотного шва с ровной и чистой поверхностью и разбрызгивание в допустимых пределах.
В соответствии с необходимостью применения высоких плотностей тока для сварки плавящимся электродом используют проволоку малого диаметра (0,6...3 мм) и большую скорость ее подачи. Такой режим сварки обеспечивается только механизированной подачей проволоки в зону сварки. Повышенная плотность тока обуславливает необходимость применения источника питания с пологопадающей (рис. 3.10) или жесткой внешней характеристикой.
U
1
I
Рис. 3.9. Схема аргонодуговой сварки
Рис. 3.10. Пологопадающая |
алюминиевого сплава плавящимся |
|
внешняя характеристика |
||
электродом: 2 – сопло; 3 – токоподводящий |
||
источника сварочного тока |
||
мундштук; 4 – корпус горелки; 7 – атмосфера |
||
для сварки алюминиевого |
||
аргона; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна |
||
сплава плавящимся электродом: |
||
расплавленного металла; 10 – кассета |
||
1 –точка стабильного устойчивого |
||
с проволокой; 11 – механизм подачи; |
||
горения дуги (рабочий режим) |
||
12 – плавящийся металлический электрод |
||
|
Пологопадающая внешняя характеристика источника питания пересекается со статической вольтамперной характеристикой дуги при больших значениях сварочного тока (см. рис. 3.10). Для сравнения: при ручной дуговой сварке используется круто падающая внешняя характеристика источника питания, что обеспечивает сравнительно небольшие значения сварочного тока в рабочем режиме (см. рис. 3.3).
48
Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. В данном случае электрические свойства дуги в значительной степени определяются наличием ионизированных атомов металла электрода в столбе дуги. Поэтому дуга обратной полярности горит устойчиво и обеспечивает нормальное формирование шва, в то же время ей соответствуют повышенная скорость расплавления проволоки и производительность процесса сварки.
Дуговая сварка стали в атмосфере углекислого газа
Особенности процесса:
–Выполняется только плавящимся электродом без покрытия.
–Ток постоянный обратной полярности. Плотность тока повышенная по сравнению с ручной дуговой сваркой.
–Применяется специальная сварочная проволока с большим содержанием раскислителей марганца и кремния. Диаметр сварочной проволоки
0,8...2 мм.
Рис. 3.11. Схема сварки в атмосфере углекислого газа плавящимся электродом: 2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки; 7 – атмосфера CO2; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла; 10 – кассета с проволокой; 11 – механизм подачи; 12 – плавящийся металлический электрод
Режим сварки в среде CO2 обусловлен теми же особенностями переноса электродного металла и формирования шва, которые рассмотрены для сварки плавящимся электродом в аргоне.
При применении CO2 в качестве защитного газа при высоких температурах сварочной дуги CO2 диссоциирует на оксид углерода СО
икислород О, который, если не принять специальных мер, приводит к окислению свариваемого металла
илегирующих элементов. Окислительное действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей марганца и кремния. Поэтому для сварки в CO2 углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием этих элементов (Св-08ГС, Св-10Г2С и т. д.). На поверхности шва образуется тонкая шлаковая корка из оксидов раскислителей.
Сварка в атмосфере углекислого газа в зависимости от степени
49
механизации процессов подачи сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.
Схема процесса приведена на рис. 3.11.
Преимущества сварки в среде CO2 по сравнению с ручной дуговой сваркой и сваркой под флюсом:
более высокая степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха;
возможность ведения процесса во всех пространственных положе-
ниях;
возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования;
более высокая производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке;
относительно низкая стоимость сварки в углекислом газе.
В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низколегированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т. д.). Преимущество полуавтоматической сварки в CO2 с точки зрения ее стоимости и производительности часто приводит к замене ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
3.6. Газовая сварка
Сущность процесса: используется теплота реакций окисления горючих газов в струе кислорода.
В качестве горючего газа как правило применяется ацетилен С2H2, так как он имеет 2 достоинства перед другими горючими газами:
1)Наибольшую температуру в зоне газового пламени (3150...3200 0С). Другие горючие газы (природный газ, водород, пары бензина и керосина) не обеспечивают необходимую температуру пламени.
2)Наибольший тепловой эффект при сгорании 1 м3 газа.
Газовое пламя имеет 3 характерные
зоны (рис. 3.12): |
Рис. 3.12. Схема газового пламени |
|
|
I – ядро; II – средняя, или восстановительная зона (в которой происходит |
|
неполное сгорание ацетилена); III – факел. |
|