1463
.pdfХимическая сварка делится на газовую, горновую и термит ную. При химической сварке металл нагревается за счет тепла, выделяющегося в процессе химических реакций. Газовая сварка основана на нагреве металла пламенем, образующимся при сжи гании горючего газа в кислороде в специальных газовых горел ках. При горновой сварке металл нагревается в горнах или пе чах с последующей проковкой. Термитная сварка основана на использовании термитной смеси, состоящей из порошка алюми ния и окислов железа (руды или окалины). При окислении алю миния кислородом окислов железа выделяется значительное ко личество тепла, которое нагревает и сплавляет кромки соединяе мых частей металла.
1. ДУГОВАЯ ЭЛЕКТРОСВАРКА
Дуговая электрическая сварка является самым распростра ненным видом сварки. Во время дуговой электросварки тепло для нагрева и расплавления металла возникает в результате электрических разрядов (дуги), образующихся между электро дами или между электродом и свариваемым металлом, присо единенным к источнику питания током.
Электрическая дуга представляет собой непрерывный поток электронов, образующийся между электродами в газовой среде и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Возбуждение (зажигание) дуги производится мгновен ным соприкосновением концов электродов с последующим разве дением их. При соединении электродов в электрической цепи образуется короткое замыкание и концы электродов нагревают ся, а при отведении они расплавляются. На поверхности конца одного электрода, имеющего в данный момент отрицательную полярность и называемого катодом, образуется активное катод ное пятно, которое проводит весь ток дуги. На втором электро де, который имеет положительную полярность и называется ано дом, возникает активное анодное пятно.
Первичная ионизация газового промежутка, в котором про исходит дуговой разряд, возникает под действием термоэлек тронной и автоэлектронной эмиссии с катода в результате обра зования свободных электронов. Электроны образуются под влия нием нагрева и действия электрического поля вблизи катодаг что приводит к образованию столба дуги. В столбе дуги иониза ция газовых молекул и атомов происходит главным образом вследствие интенсивного нагрева в результате преобразования электрической энергии в тепловую и в световую.
В области, прилегающей к столбу дуги, металл нагревается преимущественно за счет лучистого теплообмена со столбом дуги и конвективного обмена факела дуги с горячими газами. По мере
24*
удаления от центра пятна интенсивность теплового потока убы вает. Поэтому, температура электрической дуги в центре столба составляет 6000—8000° С; при угольных электродах на катоде — около 3200° С, на аноде — примерно 3900° С; при металлических электродах на катоде — 2400° С и на аноде — 2600° С.
Из всего количества тепла, выделяющегося при сварке элек трической дугой, на нагревание и расплавление металла исполь зуется 60—70%; 30—40% тепла рассеивается в окружающее про странство. Схема сварочной дуги как источника тепла приведена на рис. 198, где <72 — распределение удельного теплового потока по радиусу пятна, которое прибли женно описывают нормальным законом распределения вероят ности Гаусса, кал/см2сек\ <7 2 макс —
наибольший удельный тепловой поток в центре пятна; К — коэф фициент сосредоточенности удель
ного теплового |
потока дуги, см~2; |
г — расстояние |
от оси источни |
ка, мм |
|
(Г) = <72макс • 1-к*.
Р и с. 198. |
С х ем а |
св ар оч н ой |
д у ги |
|
как источни к а теп ла: |
|
|||
а — столб |
и |
пламя |
дуги; б — схем а |
|
распределения |
теплового потока |
дуги |
||
С повышением тока при по стоянном напряжении дуги <72макс
увеличивается. С повышением на пряжения, т. е. с увеличением ду ги, при неизменном токе он умень шается и распределение удельного теплового потока становится ме нее сосредоточенным. Тепловой поток дуги под флюсом более со средоточен, чем поток открытой дуги.
Во время сварки пространство между электродами заполня ется парами металла (ионами), которые являются частичными переносчиками электронов.
Величина напряжения дуг зависит от теплового состояния дугового пространства, длины дуги и от степени ионизации элек тродного пространства. Для поддержания устойчивой дуги не обходима беспрерывная ионизация дугового промежутка. Это обеспечивается соответствующим материалом электродов, соста вом газов, давлением окружающей среды, силой и родом тока,
но в основном определяется длиной дуги. Напряжение дуги вы ражается уравнением, в:
|
Уд = а р • I • 7 + & |
где |
I — длина дуги, лш; |
а, |
I — сила тока, а; |
Р, Т» б — постоянные коэффициенты, зависящие от мате |
|
|
риала электродов, давления, состава газов и ро |
|
да тока. |
Напряжение дуги в зависи мости от силы тока и длины принято выражать статической
характеристикой |
(рис. 199). |
|||
Опытным |
путем установле |
|||
но, что |
при |
силе |
тока |
свыше |
50 а, т. е. когда производится |
||||
сварка, |
напряжение |
горения |
||
дуги мало зависит от силы тока |
||||
и в основном определяется дли ной дуги. Следовательно, мож но принять, что
Р и с. |
199. С татическая х а р а к тер и |
УЛ= а + $-1, |
стика |
где а — сумма катодного и анодного падений напряжений, рав ная 8—12 в в случае сварки стальным электродом;
Р — падение напряжения в 1 мм длины дуги, равное 2—3 в. В практических условиях напряжение зажигания дуги нахо дится в пределах 55—60 в. Во время устанавливающегося ре жима, т. е. прохождения электрического тока между электрода ми, напряжение горения дуги понижается и бывает меньше
напряжения зажигания на 15—35 в.
Сварочную дугу можно питать постоянным и переменным то ком. Дуга, питаемая переменным током, менее устойчива вслед ствие того, что ток в дуге при частоте 50 периодов сто раз в се кунду меняет свое направление и в эти моменты при малой иони зации дуга может оборваться. Для повышения устойчивости дуги, питаемой переменным током, применяют ионизирующие покры тия на электродах и наложения токов высокой частоты на дугу от осицилятора. В состав покрытия вводят соли щелочных или щелочноземельных металлов (К2СО3, СаС03 и др.), повышаю щие ионизацию между электродами. Ток от осицилятора с вы сокой частотой (достигающей до 106 гц) ионизирует дуговой про межуток и обеспечивает устойчивое горение дуги.
При сварке по способу Бенардоса (рис. 200) в основном ис пользуют постоянный ток при прямой полярности, т. е. минус
на электроде, а плюс на основном металле. При обратной поляр ности (плюс на электроде) обычно дуга горит неустойчиво, час то обрывается и сварное соединение получается некачественным. Сварку производят угольным или графитовым электродом /, зажатым в электрододержателе 2, который с помощью гибкого ка беля 3 присоединяют к одному из полюсов источника питания. Сва риваемую деталь 4 присоединяют к другому полюсу. Этим спосо бом сварку ведут с присадочным материалом и без него. При садочный материал подают в виде прутка 5 в зону дуги, где он расплавляется и перемешивается с расплавленным основным металлом, образуя сварной шов. В случае сварки без присадоч ного материала отбортованные кромки свариваемых деталей расплавляют и получают сварное соединение.
Р и с. 200. С хем а сварки |
Р ис. 201. С х ем а свар к и по сп о - |
по сп о с о б у Б е н а р д о с а |
с о б у С л а в я н о в а |
Сварка по способу Славянова-производится как на постоян ном, так и на переменном токе (рис. 201). При этом электродом служит металлический пруток 1, который является и присадоч ным материалом. Электрод закрепляют в электрододержателе 2 и с помощью гибкого кабеля 3 присоединяют к одному из полюсов источника тока. Свариваемую деталь 4 при помощи гибкого кабе ля присоединяют к другому полюсу. Образующаяся дуга рас плавляет кромки свариваемых деталей и металлический элект род. Расплавляемый металл электрода каплями стекает в ванну основного расплавленного металла, перемешивается с ним и об разует сварной шов.
2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ
Для питания электродвигателей осветительных сетей приме няют электрические машины. Их внешняя характеристика вы ражает зависимость напряжения от силы тока (V = /•/), обеспе чивая постоянное напряжение независимо от изменения силы то ка (рис. 202 кривая /). К источникам питания, обеспечивающим электросварку, для образования и поддержания устойчивой дуги
предъявляются другие требования по внешней характеристике. В случае постоянного напряжения у источника, питающего дугу, будет наблюдаться сильное увеличение сварочного тока, которое может привести к разрушению проводников. Во избежание этого сварочные машины имеют падающие внешние характеристики. При падающей характеристике с увеличением силы тока напря жение снижается и с уменьшением его — повышается. При этом чем круче падающая характеристика сварочной машины, тем меньше колебания тока при изменении длины дуги и устойчивее дуга.
Источниками питания сварочной дуги являются электриче ские генераторы постоянного тока и сварочные трансформаторы. Постоянный ток в сварочном производ стве применяют реже, чем переменный, хотя качество сварных соединений полу чается лучше. При сварке постоянным то ком затраты на оборудование в 3—5 раз больше, а расход электроэнергии на 40— 50% выше. Для сварки на постоянном токе применяют электросварочные гене раторы постоянного тока, работающие по принципу самовозбуждения. Сварочные генераторы постоянного тока бывают ста ционарные и передвижные, однопостовые ,и многопостовые. Передвижные генерато
ры приводят в движение при помощи двигателя.
Однопостовые генераторы применяют в том случае, когда ге нератор должен обеспечить энергией работу только одного свар щика. Многопостовые сварочные генераторы рассчитаны на обслуживание нескольких постов (сварщиков).
Сварочный генератор вместе с приводом называют свароч ным агрегатом. Он состоит из генератора постоянного тока, пре образователя тока и двигателя, соединенных между собой эла стичной муфтой и смонтированных на общей раме.
Сварочный агрегат типа СУГ-2Р передвижного типа приведен на рис. 203. Он состоит из генератора типа СМГ-2г и асинхрон ного двигателя, соединенных эластичной муфтой. Для передви жения агрегат установлен на четырехколесной тележке.
В генераторе СМГ-2г одноименные полюса (два северных и два южных) расположены рядом. Следовательно, генератор яв-
.ляется двухполюсной машиной |
с расщепленными магнитными |
и электрическими полюсами. |
Сердечники полюсов N2—S2 |
(рис. 204) называются главными, полюса Nn—S n — поперечны ми. Во время работы генератора образуются два взаимно пер пендикулярных магнитных потока. Потоки при нагрузке могут меняться независимо друг от друга. В генераторе имеются две
обмотки возбуждения (регулируемая и нерегулируемая) и три щетки на коллекторе: а и b — рабочие и с — вспомогательная. При изменении нагрузки напряжение на щетках остается прак-
тически постоянным. Перемещение щеток по коллектору произ водится рычагом с фиксацией в следующих трех положениях: первое положение устанавливается на режим работы при малых
РегулиР'уемар |
токах |
(70—130 а), |
второе — при |
||||
средних токах (115—225 а) и тре |
|||||||
обмотка |
тье— на |
больших |
токах |
(200— |
|||
|
|
400 а). Генератор имеет мощность |
|||||
|
|
75 кет, |
номинальное напряжение |
||||
|
|
30 б, пределы регулирования сва |
|||||
|
|
рочного тока 45—320 а. |
|
|
|||
|
|
Многопостовые |
сварочные ге |
||||
|
|
нераторы (рис. 205) могут питать |
|||||
|
|
до девяти сварочных постов при |
|||||
|
|
максимальной силе тока на каж |
|||||
|
|
дой дуге до 200 а. |
|
|
|
||
|
|
Для сварки переменным током |
|||||
|
|
применяют сварочные |
трансфор |
||||
|
|
маторы, |
понижающие |
напряже |
|||
Р ис. 204. П ри н ц и п и альн ая |
схем а |
ние сети с 220—390 в до 55—65 в. |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
ген ер а т о р а С М Г -2г |
|
При холостом ходе вторичное на- |
|||||
пряжение не должно |
превышать 80 в, а при горении |
дуги — |
|||||
18—25 в. Трансформаторы используются для питания токомод ной сварочной точки. На рис. 206 приведена схема сварочного трансформатора типа СТЭ, получившего широкое распростране ние. Трансформатор имеет отдельный регулятор силы тока типа РСТЭ. Первичную обмотку 1 трансформатора подключают к электрической сети. Ко второй обмотке 2 подключают регуля-
Р и с. 205 . С х ем а вклю чения св ар оч н ы х п о ст о в , м н ого п о сто в о го ген ер а т о р а
Р и с. 206. С х ем а св ар оч н ого т р а н сф о р м а то р а типа С Т Э
д
Р ис. 207 . Э л е к т р о д о д ер ж а т ел и :
а — пружинный; б ^ замковый
тор тока 4, который состоит из разъемного сердечника и катуш-" ки. Ток регулируют изменением индуктивного сопротивления в результате увеличения или уменьшения зазора между непод вижной и подвижной частями сердечника. Перемещение подвиж ной части производится при помощи винтового устройства 3. С увеличением зазора сварочный ток уменьшается, а с уменьше нием его — увеличивается. \
При ручной сварке пользуются различными принадлежностя ми, как электрододержатели пружинные или зажимные (рис. 207), щитки или шлемы для защиты глаз и лица от ожога брызгами металла и от яркого света дуги.
3. ЭЛЕКТРОДЫ, ОБМАЗКИ И ФЛЮСЫ
Для электродуговой сварки применяют электроды угольные, графитовые и металлические.
Угольные или графитовые электроды применяют при сварке стали малой толщины, при наплавке твердых сплавов и сварке сплавов цветных металлов.
Металлические электроды получили самое широкое примене ние при производстве сварных работ. Качество сварного шва в значительной мере зависит от качества металлического электро да и применяемой обмазки электродов. Для металлических элек тродов применяют пруток диаметром 1—12 мм. При ручной свар ке длина прутка составляет 225—450 мм, а при автоматической сварке они имеют вид мотков проволоки (табл 47).
Т а б л и ц а 47
Химический состав электродной проволоки, применяемой при сварке низкоуглеродистой стали
Марка п ро волоки
Св, I Св. IA Св. 11
С
До 0 ,1 0
До 0 ,1 0
О |
оГ |
ОО |
|
Химический состав, |
% |
|
Мп |
Si |
S |
р |
0 ,3 5 |
— 0,6 0 |
0 ,2 0 — 0,3 0 |
0 ,0 3 — 0,0 4 |
0,04 |
|
0 ,3 5 |
— 0 ,6 |
0 |
0 ,1 5 — 0,2 5 |
0 ,0 3 — 0,0 4 |
0,03 |
0,35^— 0,6 |
0 |
0 ,2 0 - 0 ,3 0 |
0 ,0 3 — 0,0 4 |
0,01 |
|
При ручной сварке-применяемые электроды покрывают об мазкой. При автоматической сварке для получения качественно го шва обмазка на электродах заменяется флюсами. Обмазка или флюсы усиливают ионизацию в месте дугового пространства и защищают ванну расплавленного металла в сварном соедине нии от соприкосновения с кислородом и азотом воздуха. Обмаз ка способствует более медленному охлаждению металла, в ре
зультате этого газы успевают выйти из металла, а иногда леги руют металл сварного шва. При содержании кислорода в металле шва свыше 0,2% и азота больше 0,15% шов становится хрупким в результате резкого понижения пластических свойств металла.
По толщине покрытия обмазкой электроды делятся на тонко покрытые (толщина слоя 0,1—0,25 мм) и толстопокрытые (тол щина слоя от 0,6 мм и более).
Основное назначение тонких обмазок состоит в том, чтобы повысить устойчивость горения электрической дуги. Поэтому в состав их вводят ионизирующие вещества. Тонкие обмазки слабо защищают расплавленный металл от воздействия воздуха. Они состоят из смеси, содержащей 70—75% мела и 25—30% жидко го стекла.
В состав толстых обмазок входят шлакообразующие (полевой шпат, титановая и железная руда и кварцевый песок), раскисля ющие (ферросплавы, ферромарганец, ферросилиций) и газооб разующие (крахмал, целлюлоза, древесная и пищевая мука) вещества. Наиболее широко применяются электроды с обмазка ми марок ОММ-5, ЦМ-7 и ЦОНИ-13.
Обмазка ОММ-5 состоит из 37% титанового концентрата, 21% марганцевой руды, 13% полевого шпата, 20% ферромарган ца, 9% крахмала и 30% жидкого стекла от всех компонентов.
Обмазка ЦМ-7 состоит из 33% гематитовой руды, 32% гра нита, 30% ферромарганца, 5% крахмала, 30% жидкого стекла от всех компонентов.
В состав обмазки УОНИ-13 входят 53% мрамора, 18% пла викового шпата, 9% кварцевого песка, 2% ферромарганца, 3%' ферросилиция, 15% ферротитана и 30% жидкого стекла от всех компонентов. Жидкое стекло в состав обмазки вводят как свя зующую добавку для удержания обмазки на электроде.
Изготовление покрытых электродов состоит из следующих ос новных операций: рубки, очистки и рихтовки проволоки, сушки и дробления материалов для покрытий, приготовления смеси для обмазки, нанесения покрытий, сушки электродов и контроля ка чества.
Покрытия наносят погружением в бак с раствором и прессо ванием. Первым способом наносят тонкие обмазки. Для этой цели отдельные электроды илй несколько укрепленных в рамке электродов погружают в бак с раствором и затем медленно или быстро в зависимости от нужной толщины покрытия вынимают.
Нанесение покрытий прессованием производят на специаль ных прессах при высоком давлении путем пропускания проволо ки через цилиндр с покрытием. Прессованием получают более равномерное покрытие, что способствует повышению качества
электродов. Покрытые электроды просушивают и’ прокаливают при 120—200° С в течение 12 час.
Для определения качества электрода и механических свойств сварных соединений от каждой изготовленной партии производят пробу путем сварки опытных образцов металла.
4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Способность металлов образовывать при сварке неразъемные соединения за счет металлической связи (свариваемости) опре деляется в основном их физико-химическими свойствами. Не все металлы обладают хорошей свариваемостью, т. е. свойством обес печивать сварные соединения с необходимой структурой, требуе мой прочностью, пластичностью и т. д.
Хорошей свариваемостью обладают металлы, способные об разовывать друг с другом ряд непрерывных растворов. Меньшей свариваемостью обладают металлы с ограниченной растворимо стью. Совершенно не свариваются методом плавления металлы, не растворимые друг в друге. Однако эти металлы можно сва ривать путем нагрева до пластического состояния с приложением механических усилий для соединения их частиц. При этом в от дельных случаях прибегают к введению промежуточных метал лов, которые способны диффундировать или растворяться в обо их металлах.
В процессе сварки металл и околошовная (находящаяся вбли зи шва) зона претерпевают различные фазовые превращения вследствие быстрого нагрева до температуры плавления и после дующего охлаждения. Расплавленный электрической дугой ме талл некоторое время находится в жидком состоянии и после перемещения дуги охлаждается и затвердевает. В жидкой ванне расплавленного металла могут протекать процессы его окисле ния, насыщения азотом и выгорания легирующих примесей. При применении защитных обмазок на электродах или флюсов про исходит раскисление металла и легирование его примесями, со держащимися в обмазках и флюсах.
Процесс плавления металла, условия охлаждения и структур ные превращения в околошовной зоне определяют свойства свар ного соединения.
Строение сварного шва после#затвердевания и околошовной зоны и распределение температуры во время сварки малоуглеро дистой стали приведены на рис. 208. Из рисунка видно, что на плавленный металл имеет крупнозернистое строение. Далее на участке 1—2 (неполного расплавления) металл характеризуется крупной зернистостью и по своему строению ближе к структуре наплавленного металла. Участок 2—3 (перегрева) имеет круп-