книги из ГПНТБ / Технология ремонта танков [учебник]

самоиндукции h. Поэтому напряжение на сварочной дуге не па­ дает и будет равно UА= U -\-Il -

■Устойчивость электрической дуги при ее удлинении в большой степени зависит от крутизны внешней характеристики источника питания. С увеличением крутизны падающей внешней характери­

флюса и при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа для саморегулирования дуги требуется жесткая характеристика источника тока. При постоянной скорости подачи электрода гене­ раторы с жесткими характеристиками обеспечивают устойчивые режимы наплавки в относительно широком диапазоне (рис. 114, в).

Высокая устойчивость процесса наплавкичобъясняется соответ­ ствием вольт-амперной характеристики дуги и внешней характе­ ристики генератора. При автоматической сварке под слоем флюса и при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа благо­ даря увеличению плотности тока дуга имеет возрастающую вольтамперную характеристику, а не падающую, как при ручной.

Выпускаемые в СССР генераторы для питания дуги постоян­ ного тока при ручной электродуговоп сварке подразделяются на три типа (рис. 115): сварочные генераторы с независимым воз­ буждением и размагничивающей последовательной обмоткой; сва­ рочные генераторы с намагничивающей параллельной и размагни­ чивающей последовательной обмотками возбуждения и сварочные

Рис. 115. Электрические схемы сварочных геператоров постоян­ ного тока:

а — с независимым возбуждением; 6 — с намагничивающей параллельной и раз­ магничивающей последовательной обмотками; и — с растепленными полюсами

196

При нагрузке генератора взаимодействуют три магнитных по­ тока: поток (Фп) поперечных полюсов; поток (Фг ) главных полю­ сов и поток (Фя) поперечной реакции якоря. Магнитный поток Фя поперечной реакции якоря направлен так же, как и поток Фп и подмагничивает одну половину главного полюса, а вторую поло­ вину этого полюса он размагничивает, так как в этой части воз­ душного зазора он направлен навстречу потоку Фп.

Поперечный магнитный поток Фя реакции якоря подмагничи­ вает одну половину основного полюса и размагничивает вторую.

Напряжение V„с на щетках а, с практически не изменяется. При этом значительно изменяется напряжение UBC (щетки в, с). Напряжение UaB на основных щетках, равное алгебраической сум­ ме напряжений U„с и U„c, уменьшается с увеличением сварочного тока.

К машинам третьего типа относится сварочный генератор ПСО300, установленный на электрогазосварочной мастерской ЭГСМ-60. Сварочный ток регулируется реостатом возбуждения и путем пере­ становки перемычки на переходной колодке.

На стационарных ремонтных предприятиях, кроме однопосто­ вых генераторов, применяют и многопостовые. Сварочные посты к сварочной цепи генератора подключаются параллельно. Для ав­ томатической и полуавтоматической сварки под слоем флюса, а также для сварки в среде углекислого газа рекомендуется универ­ сальный сварочный преобразователь ПСУ-500, который относится к первому типу. В зависимости от включения генератор преобразо-

б

Рнс. 116. Внешняя характеристика сварочного преоб­ разователя ПСУ-500:

а — падающая; 6 — жесткая

197

вателя имеет падающие или жесткие внешние характеристики

(рис. 116).

Для сварки переменным током применяют трансформаторы ти­ па СТЭ с отдельным дросселем. Из схемы (рис. 117, я) видно, что понижающий однофазный трансформатор имеет отдельный стерж­ невой сердечник. Первичная 1 и вторичная 2 обмотки размещены на обоих стержнях на минимальном расстоянии друг от друга. Дроссель служит для получения падающей внешней характеристи­ ки (рис. 117,6) и регулирования режима сварки. Он имеет отдель­ ный стержень и обмотку 3 и подключается к трансформатору во вторичную сварочную цепь последовательно с дугой.

Рис. 117. Сварочный трансформатор:

Металлургические процессы, происходящие при наплавке. Про­ цесс сварки является металлургическим процессом, который имеет следующие характерные особенности:

—высокую температуру на катоде, аноде и в столбе дуги;

—малый объем расплавленного металла и кратковременность

нахождения металла в жидком состоянии;

—контактирование расплавленной ванночки металла с ме­ таллом детали;

—контактирование расплавленной капли металла в период его

перехода с электрода в сварочную ванну с окружающей газовой средой.

Контактирование расплавленного металла с окружающей газо­ вой средой и металлом детали в условиях высоких температур вы­ зывает активные физико-химические взаимодействия наплавлен­ ного металла с основным, а также с газами и шлаками.

Во время расплавления металла электрической дугой наблю­ даются следующие металлургические процессы: окисление наплав­ ленного металла; насыщение наплавленного металла азотом; на­ сыщение наплавленного металла водородом; выгорание легирую­ щих компонентов и разбрызгивание металла.

198

Кислород активно растворяется в металле и с железом образует следующие окислы:

Окислы в металле могут находиться в конденсированном (жид­ ком или твердом) или газообразном состоянии. Из трех окислов только закись железа растворяется в металле и сохраняется в виде раствора. Остальные окислы в железе не растворяются. Нераство­ римые конденсированные окислы переходят в шлак или частично остаются между зернами металла в виде шлаковых включении. Окислы, находящиеся в газообразном состоянии, частично уда­ ляются в атмосферу, а частично остаются в металле в виде пузырь­ ков, вызывающих пористость металла.

Кроме железа, окисляются также и другие составляющие рас­ плавленного металла: углерод, марганец и кремний.

В результате окисления компонентов металла общее содержа­ ние кислорода в металле шва при сварке стали голыми электро­ дами повышается до 0,3%, а содержание полезных примесей умень­

Вследствие насыщения металла кислородом и уменьшения ле­ гирующих компонентов резко ухудшаются механические свойства металла шва. Уменьшаются пределы прочности и текучести, отно­ сительное удлинение и ударная вязкость (рис. 118,а).

Кроме того, уменьшается стойкость металла против коррозии, повышается склонность к старению; наплавленный металл при­ обретает хладноломкость и красноломкость.

Рис. 11S. Влияние кислорода и азота на механические свойства на­ плавленного металла:

(I — влияние кислорода; о — влияние азота

199

Азот воздуха, попадая в зону сварочной дуги, частично диссо­ циирует. В атомарном состоянии азот активно растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения ванночки расплавленного металла азот вступает во взаимодействие с металлом и образует нитриды

4Fe + 2N = 2Fe2N.

В металле, наплавленном голыми электродами или электрода­ ми с меловой обмазкой, содержание азота достигает 0,1 2 %.

Такое содержание азота вызывает ухудшение механических свойств наплавленного металла (рис. 118,6): при некотором повы­ шении прочности резко ухудшается пластичность металла; появ­ ляется хрупкость и склонность к образованию трещин. Кроме того, в металле шва образуются поры.

Водород в зону сварки попадает из влаги, содержащейся в по­ рах металла детали и в электродном покрытии, а также из ржав­ чины на поверхности сварочной проволоки и детали.

При высоких температурах сварочной дуги молекулярный во­ дород энергично диссоциирует на атомы. Атомарный водород ак­ тивно растворяется в жидком металле (рис. 119).

Рис. 119. Зависимость растворимости га­ зов в железе от температуры

При охлаждении расплавленной ванны растворимость водоро­ да в металле уменьшается; покидая раствор, водород в момент кристаллизации металла будет скапливаться между кристаллами и жидкой фазой. Скопление водорода вызывает повышенные дав­ ления и увеличение объема полостей.

Повышенное молекулярное давление в полостях вызывает вы­ сокие внутренние напряжения в металле. Поэтому в наплавлен­ ном слое образуются трещины.

Вследствие того, что при охлаждении металла водород не успе­ вает выделиться, в наплавленном слое образуются газовые пузы­ ри и раковины.

200

Разбрызгивание расплавленного металла в процессе сварки свя­ зано с образованием газов внутри него. Образование газов, вызы­ вающих разбрызгивание металла, происходит в результате реакции восстановления окислов железа углеродом

2Fe0 + C = 2Fe + C 02.

Образующийся в результате этой реакции углекислый газ бурно расширяется и разбрызгивает металл.

При ручной сварке потери электродного металла за счет раз­ брызгивания достигают 40—50%. Установлено, что разбрызгива­ ние увеличивается с повышением силы сварочного тока и увеличе­ нием длины дуги.

Так как окислы, нитриды и водород значительно ухудшают фи­ зико-механические свойства наплавленного металла, принимают меры против окисления, образования нитридов и наводораживания металла.

Для уменьшения содержания вредных газов в металле при руч­ ной электродуговой сварке применяют короткую дугу, используют электроды с толстым защитным покрытием и обеспечивают медлен­ ное охлаждение детали.

Для раскисления образовавшихся окислов и уменьшения раз­ брызгивания металла в состав электродного покрытия рекомен­ дуется вводить раскисляющие вещества (ферромарганец и др.). Надежная изоляция наплавленного металла от кислорода возду­ ха способствует меньшему выгоранию легирующих элементов металла. *

Выгоревшие легирующие компоненты компенсируют путем при­ менения легированной электродной проволоки и введения в состав обмазки легирующих веществ.

Разбрызгивание металла в процессе ручной электродуговой сварки значительно уменьшается при использовании электродов из малоуглеродистой проволоки. Для уменьшения наводораживаиия металла электроды с толстым покрытием рекомендуется про­ каливать. При этом уменьшается содержание влаги в электродном покрытии.

Структурные изменения, внутренние напряжения и деформации в металле при сварке. При ручной электродуговой сварке на нагрев детали расходуется около 60% тепловой энергии, выделяющейся в сварочной дуге. Остальное тепло расходуется на нагрев нерасплавившейся части электрода и излучается в окружающее пространство. Часть тепла, которая поступает в металл детали, называется эффек­ тивной тепловой мощностью.

Исследованиями Н. Н. Рыкалина установлено, что тепло сва­ рочной дуги по поверхности и по толщине металла распределяется неравномерно (рис. 120). Наиболее высокая температура получает­ ся в точке пересечения осей координат. В поперечной плоскости изотермы распределяются концентрическими полуокружностями. По мере удаления от пятна нагрева температура металла умень­

201

шается. Однако скорость падения температуры во всех направле­ ниях неодинакова (убывает более медленно на участке, располо­ женном за движущимся пятном нагрева).

Неравномерное распределение тепла при сварке вызывает раз­ личные структурные превращения в основном металле и является причиной температурных напряжений в металле. Кроме того, это вызывает неравномерное изменение линейных размеров детали, что может повлечь за собой местные деформации и остаточные на­ пряжения.

Часть основного металла детали, расположенная близко к сва­ рочному шву, в процессе сварки нагревается выше критической точки Ас\. На этом участке основного металла наблюдаются струк­ турные превращения, поэтому такой участок принято называть зоной термического влияния. Вследствие того, что температура нагрева отдельных точек металла в зоне термического влияния из­

202

стую структуру и обладает высокими механическими свойствами. Механические качества металла этого участка обычно выше, чем у основного металла за пределами зоны термического влияния.

У ч а с т о к н е п о л н о й п е р е к р и с т а л л и з а ц и п харак­ теризуется нагревом металла до температур в интервале критиче­ ских точек .4с, и /1с3 (721—850°С).

Металл этого участка в процессе нагрева и охлаждения под­ вергается только частичной перекристаллизации.

Структура металла, прошедшего частичную перекристаллиза­ цию, характеризуется некоторым своеобразием. Между зернами феррита, не проходившими перекристаллизации, располагаются бо­ лее мелкие зерна феррита и перлита, прошедшие перекристалли­ зацию.

Благодаря различию в размерах зерен кристаллов механиче­ ские свойства на этом участке несколько ниже по сравнению с ос­ новным металлом за границами зоны термического влияния.

М е т а л л на у ч а с т к е о т п у с к а нагревается в преде­ лах 200—721°С (точка Ас\). Структура металла на этом участке обычно не отличается от структуры основного металла.

Зерна кристаллов мелкие, так как металл охлаждается быстро.

.Механические свойства металла высокие.

Размеры зоны термического влияния зависят от химического состава свариваемого металла, способа сварки и ее режима. Наи­ большие размеры (25—30 мм) зона термического влияния имеет при газовой сварке. При электродуговой ручной сварке она равна 3—5 мм. С увеличением сварочного тока или мощности сварочной горелки зона термического влияния увеличивается, а с увеличе­ нием скорости сварки — уменьшается. Размеры зоны термического' влияния можно значительно уменьшить правильным выбором ре­ жима сварки, применением обратной полярности и правильным ведением процесса сварки.

В процессе сварки в наплавленном слое и в зоне термического влияния основного металла могут образоваться микроскопические трещины двух видов: горячие и холодные.

Горячие трещины возникают при температурах выше точки, соответствующей началу распада аустенита; они всегда проходят по межкристаллическим прослойкам, не пересекая зерна металла.

Горячие трещины образуются потому, что в конце затвердева­ ния наплавленного слоя между кристаллами металла остается не­ которое количество жидкой и полужидкой прослойки,

204

Вследствие больших растягивающих напряжений, появляющих­ ся при неравномерном нагреве детали, при застывании жидкой фа­ зы в прослойках образуются трещины. Объем остающийся между кристаллами металла жидкой и полужидкой прослойки, а следо­ вательно, и возможность возникновения горячих трещин зависят от химического состава металла. Образование горячих трещин ве­ роятно при наличии в металле шва элементов, способствующих об­ разованию легкоплавких эвтектик (сера и углерод).

Из графика (рис. 122) видно, что сера и углерод увеличивают склонность металла к трещинам. Марганец связывает серу и об­ разует сульфид марганца MnS, который растворяется в шлаке и удаляется с ним. Вероятность образования горячих трещин можноуменьшить путем:

—использования электродной проволоки с минимальным со­ держанием серы и углерода и с повышенным содержанием мар­ ганца;

—введения в сварочную ванну некоторого количества алюми­ ния и титана, которые связывают серу;

—• уменьшения доли основного металла в металле шва. Кроме того, для снижения растягивающих напряжений, вызы­

вающих трещины по границам зерен, после наплавки детали сле­ дует медленно охлаждать.

Холодные трещины образуются при температурах ниже 300°С и представляют собой внутрикристаллическое разрушение; они пе­ ресекают зерна металла и межкристаллическую прослойку. Обра­ зование холодных трещин в металле объясняется распадом аусте­ нита. В процессе перехода аустенита в мартенсит при температуре ниже 300°С, когда сталь обладает высокой сопротивляемостью деформациям, в металле зоны термического влияния возникают опасные внутренние напряжения. Второй причиной образования холодных трещин является выделение водорода, растворенного в

205