Котиков Г.С. Учебное пособие Сварка и резка металлов

При рассмотрении процессов нагрева, близких к источнику, необходимо перейти к модели, в которой тепловая мощность распределена по нормали к нагреваемой поверхности и нагреваемый участок имеет форму круга. В этом случае удельная тепловая мощность распределяется по следующему закону:

qr qmax e kr2 ,

где qr - удельный тепловой поток на расстоянии r от центра пятна, кал/см2 сек; qmax -максимальный удельный тепловой поток в центре пятна, кал/см2 сек; k - коэффициент сосредоточенности, являющийся характеристикой источника, см-2; r - расстояние от центра пятна нагрева, см.

Чем больше k, тем быстрее падает удельный тепловой поток с удалением от центра пятна и тем меньше радиус пятна (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Распределение удельного теплового потока и эквивалентное ему пятно

Для оценки этого коэффициента возьмем источник с той же тепловой мощностью Q, что и заданный, но с потоками, равномерно распределенными по пятну, с радиусом r (рис. 7.6), тогда

Подставим в полученную формулу значение общей тепловой

Из формулы видно, что чем больше k, тем меньше r. Коэффициент k колеблется в пределах 110.

31

7.4. Наплавленный металл

При перемещении дуги по линии образуется валик. Сечение валика характеризуется глубиной расплавления h высотой валика H, шириной валика В и площадью поперечного сечения.

Отношения В и В - важные (рис. 7.7) характеристики сече-

H h

ния, которые меняются в пределах 2 - 8.

Рис. 7.7. Валик наплавленного металла: 1 – наплавленный металл; 2 – зона влияния; 3 – основной металл; 4 – конечный кратер

Рис. 7.8. Диаграмма распределения максимальных температур

Вследствие быстроты охлаждения (рис. 7.8) наплавленный металл бывает засорен неметаллическими включениями и газом. Вследствие значительного перегрева металл теряет легко испаряющиеся и окисляющиеся составные части - марганец, углерод и кремний. Вредные примеси (фосфор и сера) практически не

32

выгорают. Металл окисляется и азотируется атмосферным воздухом. Улучшение состава наплавленного металла достигается введением присадок в состав обмазки электродов.

К наплавленному металлу прилегает переходная зона, лежащая между наплавленным металлом и неизмененным основным металлом. Эта зона называется зоной термического влияния. В зоне находится нерасплавившийся основной металл, сохранивший свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие термической обработки.

Рассмотрим изменения, происходящие в зоне влияния, при сварке низкоуглеродистой стали.

Рис. 7.9. Структура зоны влияния

На рис. 7.9 схематически изображена левая начальная часть диаграммы железоуглерод и изменения структуры металла в зоне термического влияния, вызванные процессом сварки. У границы расплавления металл подвергается сильному перегреву, что вызывает значительный рост зерна. По мере удаления от границы расплавления максимальная температура и степень перегрева уменьшаются, и зерно металла становится менее крупным. Далее идет зона нормализации или измельчения зерна, в которой за время нагрева не успевает произойти срастание зерен аустенита, а при последующем охлаждении происходит выпадение мелких зерен перлита и феррита.

33

плавленного и основного металлов (рис. 7.10), что возникает при неправильном процессе сварки, недостаточном токе и т.д.;

подрез - углубление, возникающее от неправильного процесса сварки или чрезмерной силы тока;

трещины – возникают при повышенном содержании серы, фосфора и особенно углерода, а также при большом сварочном токе и объеме жидкой ванны;

включения - это окислы, шлаки и газовые пузырьки, не успевшие всплыть на поверхность, что зависит, в основном, от скорости затвердевания жидкой ванны.

7.5. Сварка стыковых швов

В качестве примеров соединительной сварки рассмотрим, в первую очередь, сварные стыковые швы. Особенности сварки таких швов и подготовки кромок под сварку определяются толщиной основного металла. При толщине до 6 мм кромки не требуют особой подготовки; надо обеспечить только постоянство зазора на всем протяжении сварного шва. Для равномерного расплавления кромок электроду может сообщатся поперечное колебательное движение.

Основной трудностью сварки стыкового соединения является правильное формирование обратной стороны шва. При отступлении от нормального режима сварки возникают дефекты; при недостаточном подводе тепла это – непровар, при чрезмерном подводе тепла - прожег.

Идеальное сечение шва при ручной электродуговой сварке получить довольно трудно, поэтому для улучшения качества шва применяют некоторые приемы. При непроварах применяют подварку с обратной стороны (рис. 7.11), а если обратная сторона недоступна (рис. 7.12), то применяют подкладки. Хороший результат дает разделка свариваемых кромок.

7.6. Сварка угловых швов

Объем шва для заполнения наплавленным металлом представляет собой двугранный угол, образованный поверхностями соединяемых элементов. Кромки углового шва несимметричны в отношении отвода тепла. Одна из кромок отводит тепло примерно в два раза интенсивнее, чем другая, которая нагревается значительно быстрее. Наибольшие трудности представляет выполнение первого слоя, обеспечение полного провара, т.е. расплавление вершины угла. Непровар в этом случае не может быть исправлен подваркой с обратной стороны и плохо обнаруживается последующим контролем.

Рис. 7.13. Сечения угловых швов: а) – усиленный; б) – нормальный; в) - ослабленный; г) – размер сечения шва

Размер сечения шва определяется размером вписанного в очертание шва прямоугольного треугольника (рис 7.13г). Катет этого треугольника определяет размер шва и называется катетом шва. Обычно принимают, что полная прочность шва достигается при катете шва, равном толщине металла, и дальнейшее увеличение сечения шва считается бесполезным.

Рис. 7.14. Сварные соединения: а) – нахлесточные; б) - тавровые

36

По очертанию швы бывают трех видов: усиленный, нормальный и ослабленный (рис. 7.13). Эти характеристики относятся к геометрической форме шва и не связаны с его прочностью. Очертание шва определяется материалом электродов и зависит от поверхностного натяжения расплавленного металла.

С помощью угловых швов получают два вида сварных соединений: нахлесточные и тавровые (рис. 7.14).

7.7. Режимы сварки плавящимся электродом

Режимы сварки зависят от многих факторов - размеров изделия, формы сварных швов, пространственного положения и др. Преимущественно режимы сварки определяются типом и диаметром электрода и величиной сварочного тока. Диаметр электродов колеблется от 2 до 7 мм, и выбирается в зависимости от толщины свариваемой стали.

При толщине металла свыше 6 мм. швы выполняются в несколько слоев (проходов). По принятому диаметру электрода подбирают сварочный ток. Зависимость тока от диаметра электрода показана на рис. 7.13. На практике пользуются упрощенной зависимостью I=k d,

где k - постоянный коэффициент (принимается от 40 до 50); d - диаметр электрода, мм.

Рис. 7.13. Зависимость тока от диметра электрода

Эта зависимость применима для узкого интервала диаметров электродов (2 - 3, 4 - 6, и т.д.), т.е. каждому интервалу присущ

37

свой коэффициент k. Более точно ток можно определить из выражения

I = d(20+5d) = 20d+5d2.

Подставляя численные величины диаметра, получим округленные значения тока, совпадающие со средними практическими данными (см. таблицу).

Эти данные нельзя рассматривать как неизменные для всех случаев, т. к. на силу тока влияют тип покрытия, толщина металла, длина дуги, скорость перемещения и др.

8. Автоматическая дуговая сварка

Автоматизации хорошо поддаются все виды дуговой сварки. По степени автоматизации различают автоматы и полуавтоматы. Так как применение последних влечет за собой значительную долю ручного труда, они не нашли широкого распространения на монтажных и ремонтных работах.

Рис. 8.1. Схема автоматической дуговой сварки

Для автоматической сварки требуется целый комплекс механизмов, составляющих автоматическую установку для дуговой сварки (рис. 8.1). Механизм, производящий зажигание, обеспечивающий устойчивое горение дуги и подачу электрода по мере его сгорания, называется сварочной головкой или дуговым ав-

38

томатом. Вместо коротких электродов применяется проволока, которая подается через передаточный механизм в мундштук, где прижимается и скользит по токоведущим контактам.

Расстояние от контактов до дуги небольшое и постоянное и это является важным преимуществом автомата, т.к. уменьшается нагрев электрода джоулевым теплом. Это позволяет применять высокие плотности тока в электродной проволоке без ее перегрева.

Подача проволоки производится автоматически по мере ее плавления, поэтому длина дуги остается приблизительно постоянной. В настоящее время существуют два вида дуговых автоматов, различных по принципу регулирования:

1)автоматы с регулированием электрических величин;

2)автоматы с постоянной скоростью подачи электрода.

Вавтоматах первого типа регулируемой является электрическая величина сварочной дуги, регулирующей - скорость подачи электрода; обычно за регулируемую величину принимают напряжение дуги, которое изменяется пропорционально длине дуги: U=a+bL.

Вавтоматах второго типа используется явление саморегулирования дуги, которое выражается в том, что с увеличением длины дуги скорость плавления электрода уменьшается и наоборот. Поэтому при постоянной скорости подачи электрода изменение длины дуги вызывает изменение скорости плавления электрода, направленное на восстановление первоначальной длины дуги.

Источники тока для автоматической сварки такие же, как и для ручной, но из-за высоких плотностей тока наиболее лучшие результаты дают источники с пологими характеристиками.

8.1. Автоматическая сварка открытой дугой

Сварку голой электродной проволокой выполняют, как правило, на переменном токе, что требует электродных обмазок, обеспечивающих устойчивое горение дуги. Для этих целей используют специальную электродную проволоку с искусственно внесенными при приготовлении неметаллическими включениями. Сварка такой электродной проволокой дает довольно низкие показатели механических свойств наплавленного металла и

39

сварного соединения. Эти показатели аналогичны показателям при ручной электродуговой сварке электродами с тонким стабилизирующим покрытием. Поэтому в настоящее время такая сварка проволокой с включениями практически не используется.

8.2. Автоматическая сварка под слоем флюса

Создание автоматической сварки под слоем флюса является крупнейшим достижением современной сварочной техники. При сварке под флюсом сварочная дуга между концом электрода и изделием горит под слоем сыпучего вещества, называемого флюсом.

Рис. 8.3. Схема автоматической сварки под слоем флюса

Флюс насыпается слоем толщиной 50-60 мм, дуга утоплена в массе флюса и горит в жидкой среде расплавленного флюса, в газовом пузыре, образуемом газами и парами, непрерывно создаваемыми дугой. Газовый пузырь создает незначительное давление на расплавленный металл, которое, как показывает опыт, достаточно, чтобы устранить разбрызгивание жидкого металла и нарушение формирования шва даже при очень больших токах. К недостаткам сварки под флюсом можно отнести невидимость места сварки, значительный расход и стоимость флюса.

9. Флюсы для автоматической дуговой сварки

К флюсам предъявляются многочисленные и разнообразные требования. Флюс должен обеспечивать хорошее формирование наплавленного металла и сварного шва при высокой производительности сварки, надлежащие химический состав, структуру и высокую прочность наплавленного металла. В наплавленном металле не должно образовываться пор и в особенности трещин,

40