Технология конструкционных материалов. Способы получения деталей (за

Во время коротких замыканий электрода с изделием в момент зажигания дуги и переноса электродных капель через дуговой промежуток при сварке плавящимся электродом сопротивление сварочной цепи падает почти до нуля, а сварочный ток даже при незначительном напряжении сильно возрастает. Для ограничения тока короткого замыкания необходимо, чтобы с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах источника тока снижалось. Иначе нужно, чтобы источники тока имели так называемую падающую внешнюю характеристику 1 (рис. 57).

Рис. 57. Соотношенияхарактеристикисточника сварочноготокаисварочнойдугиивидывнешниххарактеристикисточниковсварочноготока

Внешней характеристикой называется зависимость между напряжением на зажимах источника тока и током нагрузки, выраженная графически. Падающая внешняя характеристика обеспечивает устойчивый режим горения дуги. Он определяется точкой С пересечения падающей внешней характеристики 1 источника сварочного тока и жесткой статической характеристики 2 дуги. При случайном увеличении тока больше значения Iсв напряжение источника тока уменьшится (кривая 1), а это приведет куменьшению тока до первоначального значения Iсв. Суменьшением тока меньше Iсв параметры тока и напряжения изменяются противоположно. Для питания дуги с жесткой характеристикой необходимо, чтобы источники тока имели падающую (крутую 3 или пологую4) внешнюю характеристику.

111

Для питания дуги с возрастающей статическойхарактеристикой более пригодны источники тока с жесткой 5 или возрастающей 6 внешнейхарактеристикой.

Однопостовые сварочные генераторы постоянного тока имеют падающую внешнюю характеристику, многопостовые – жесткую внешнюю характеристику.

Сварочные выпрямители имеют высокий КПД, небольшие размеры, легки и сравнительно дешевы; дают возможность плавно регулировать ток и обеспечивают устойчивое горение дуги. Они могут быть одно- и многопостовыми.

Для ручной сварки применяют выпрямители с падающей внешней характеристикой, для полуавтоматической сварки в углекислом газе выпрямители с жесткой или пологопадающей характеристикой.

Ручная дуговая сварка

Электроды для ручной дуговой сварки. Ручную дуго-

вую сварку выполняют штучными электродами: при сварке по методу Бенардоса – угольными или графитовыми диаметром 6…30 мм, длиной 200…300 мм, а при сварке по методу Славянова металлическими диаметром 1,6…12 мм и дли-

ной 150…450 мм.

Для сварки сталей электроды изготавливают из стальной сварочной проволоки по ГОСТ 2246 70, в котором приведено 77 еемарок.

Для повышения устойчивости горения дуги на электроды наносят стабилизирующие покрытия. В их состав входят соединения щелочных (калия, натрия) или щелочно-земельных (кальция) металлов, которые ионизируют дуговое пространство и тем самым увеличивают устойчивость горения дуги.

Для защиты расплавленного металла от взаимодействия с воздухом на электродные стержни 5 наносят толстые (качественные) покрытия 4 (рис. 58). В их состав входят, кроме стабилизирующих и клеящих (жидкое стекло), шлако- и га-

112

зообразующие вещества и раскислители. Для сварки легированных сталей вводят легирующие элементы.

Рис. 58. Схема плавления электрода с толстым покрытием

Шлакообразующие вещества – оксиды (TiO2, SiO2, MnO), карбонаты (CaCO3, MgCO3) и другие, вносимые в покрытия, при плавлении покрытия образуют шлак, который покрывает сварочную ванну (сплав электродного металла 3 и металла шва 1), защищая ее от азота и кислорода воздуха. После остывания металла шваи шлакашлаковая корка2 легкоудаляется.

Газообразующие вещества органические соединения: целлюлоза, древесная мука и другие при их сгорании вокруг дуги образуют газовое облако, защищающее расплавленный металл от взаимодействия с воздухом.

Для раскисления металла шва в покрытие вводят в виде ферросплавов марганец, титан, кремний, алюминий, которые обладают бóльшим сродством с кислородом, чем железо.

По составу покрытия делят на тонкие, в которые вводят только стабилизирующие и связывающие (жидкое стекло) компоненты. В состав толстого (качественного) покрытия входят все, перечисленные выше, вещества.

По назначению покрытые электроды делят на четыре группы: для сварки сталей углеродистых (У), легированных (Л), теплоустойчивых (Т) и высоколегированных (В). Пятую группу составляют электроды для наплавки с целью создания поверхностных слоев с особыми свойствами (Н).

113

Выбор режима сварки. Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и сила сварочного тока.

Диаметр электрода зависит от толщины свариваемого металла и положения швов в пространстве. Чем больше толщина, тем больше диаметр электрода.

Сила сварочного тока в основном зависит от диаметра электрода. Для диаметров 3…6 мм ее определяют по формуле

I kd ,

где I сила сварочного тока, А;

k коэффициент, равный 40…60 А/мм для электродов из низкоуглеродистой стали и 35…40 А/мм для электродов из высоколегированной стали;

d диаметр электрода, мм.

По положению в пространстве швы делят на нижние (рис. 59, а), вертикальные (рис. 59, б), горизонтальные (рис. 59, в) и потолочные (рис. 59, г).

Рис. 59. Возможные пространственные положения швов при ручной сварке: а нижнее; б вертикальное; в горизонтальное; г потолочное

Наиболее удобно сваривать нижние швы, так как расплавленный металл не вытекает из кратера. Вертикальные горизонтальные швы выполняют очень короткой дугой и элек-

114

тродами диаметром не более 5 мм. Потолочные швы сваривают самой короткой дугой и электродами диаметром не более 4 мм, что облегчает переход капли с электрода на изделие.

Дуговая сварка в защитных газах

Сварка в защитных газах состоит в том, что для защиты расплавленного металла от контакта с воздухом в зону дуги, горящей между свариваемым изделием и плавящимся или неплавящимся электродом, через сопло горелки непрерывно подается струязащитногогаза, оттесняющеговоздухотместасварки.

В качестве защитных газов используют одноатомные, или инертные, газы (аргон и гелий), которые не взаимодействуют с расплавленным металлом, и активные газы (углекислый газ, водород, азот, пары воды), а также их смеси (аргон с кислородом, аргон с азотом или с углекислым газом, углекислый газ с кислородом и др.), взаимодействующие в некоторой степени с расплавленным металлом. Наибольшее применение получили аргон и углекислый газ.

Аргонодуговую сварку осуществляют неплавящимся (преимущественно вольфрамовым) и плавящимся электродами. Неплавящиеся электроды предназначены только для возбуждения и поддержания горения дуги. Между кромками свариваемых изделий в зону сварки подается присадочный металл в виде прутков или проволоки, которая по химическому составу близка к составу основного металла.

Сварку неплавящимся электродом осуществляют на по-

стоянном и переменном токах ручным, полуавтоматическим и автоматическим способами. Постоянным током, обычно прямой полярности, получаемым от источников с падающей внешней характеристикой, сваривают нержавеющие и жаропрочные стали, никель и его сплавы, титан, цирконий, молибден и другие металлы толщиной 0,1…6 мм.

115

Переменным током сваривают алюминий, магний и их сплавы без применения флюсов.

Сварку плавящимся электродом осуществляют только автоматическим и полуавтоматическим механизированным методами. Плавящимся электродом сваривают алюминий, магний и их сплавы, а также нержавеющие стали. Для этого наиболее часто применяют постоянный ток обратной полярности, получаемый от источников с жесткой или возрастающей внешней характеристикой.

Сварка в углекислом газе характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью, этот способ применяют для сварки малоуглеродистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей.

Углекислый газ при высокой температуре дуги диссоциирует на оксид углерода и атомарный кислород, который интенсивно окисляет металл. Для нейтрализации окислительного действия углекислого газа при сварке углеродистых

инизколегированных сталей используют сварочную проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния

(Св-08ГСА, Св-08Г2СА).

Сварку в углекислом газе производят плавящимся электродом автоматическим или полуавтоматическим способом. Питание сварочной дуги осуществляется от источников постоянного тока с жесткой или возрастающей внешней характеристикой при обратной полярности.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом. Для ав-

томатической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги

исварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 60) дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб

116

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

7

8

10 9

Рис. 60. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом

образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла ванна жидкого шлака 4. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов 2 подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.

Автоматическая сварка обеспечивает хорошее качество сварных соединений, повышает производительность сварки в 5–20 раз и уменьшает себестоимость одного метра сварного шва. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла. Увеличение тока позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок.

117

Повышенное качество сварных швов достигается за счет более высоких механических свойств наплавленного металла, защищенного флюсом, интенсивного раскисления и легирования вследствие увеличения объема жидкого шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом и твердой шлаковой коркой, улучшения формы и поверхности сварного шва и постоянства его размеров по всей длине вследствие регулирования режима сварки.

Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применяют плавленые высококремнистые марганцевые флюсы. Их шлаки имеют высокое содержание SiO2 иMnO.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для этого применяют плавленые икерамические низкокремнистые, бескремнистые и фторидные флюсы. ИхшлакиимеютвысокоесодержаниеCaO, CaF2 иAl2O3.

Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов. В них также входят ферросплавы сильных раскислителей (кремния, титана, алюминия), легирующие элементы и чистые металлы. Шлаки керамических флюсов имеют основной или пассивный характер.

2.2. Газовая сварка

При газовой сварке в качестве горючих газов используют ацетилен, пропан, бутан, пары бензина, водород и другие газы. Чаще применяют ацетилен (С2Н2), дающий наибольшую (до 3200 С) температуру пламени. Газовую сварку применяют, главным образом, для соединения тонкостенных стальных заготовок, а также заготовок из чугуна, цветных металлов и сплавов. Газовым пламенем пользуются также для резки металлов, наплавки твердых сплавови приремонтных работах.

118

Газопрессовая сварка применяется для стыковых соединений труб. Стыки нагревают кольцевой многопламенной горелкой и сдавливают свариваемые части. Этим способом пользуются также для сварки рельсов, бурильного оборудования и инструментов.

2.3.Электрошлаковая сварка

Впространство между кромками вертикально установленных деталей 7 (рис. 61), приставной стальной или медной планкой 1 и шлакоудерживающими медными ползуна-

ков 9 проволока подается непрерывно. Ползуны, охлаждаемые водой, перемещаются снизу вверх, формируя сварной

119

шов 2 из металла 3. Непрерывно в зону сварки подается флюс. За один проход автомата одной проволокой при силе тока 750…1000 А сваривают металл толщиной до 60 мм.

Электрошлаковая сварка обеспечивает хорошую макроструктуру шва за счет отсутствия многослойности и получения более однородного по строению шва. Снижаются затраты вследствие упрощения подготовки кромок заготовок, уменьшения сечения шва, а также расхода проволоки, флюса

иэлектроэнергии.

Вкачестве источников сварочного тока при электро-

шлаковой сварке применяют сварочные трансформаторы с жесткой внешней характеристикой.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и литей- но-сварных конструкций, таких как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п. Толщина свариваемого металла составляет 50…2000 мм.

2.4. Электронно-лучевая сварка

Сварку производят в вакууме фокусированным электронным лучом, который формируется в приборе, называемом электронной пушкой. Электронный пучок 2 (рис. 62) образуется за счет эмиссии электронов с термокатода 1, выполненного из W, Ta, гексаборида лантана, нагреваемого до температуры 1600…2000 С. Пучок формируется, фокусируется и направляется на заготовку 6 ускоряющим электродом (анодом) 3 и магнитными линзами 4 и 5. Питание пушки производится от высоковольтного (10…50 кВ) источника постоянного тока, при этом свободные электроны под действием электрического поля в глубоком вакууме (10 5…10 7 Па) развивают огромную скорость (до 100 000 км/с) и, сфокусированные на заготовку в пятно диаметром от нескольких

120