Материаловедение и технология конструкционных материалов

блоков обратной связи и управления. В источниках питания, предназначенных для сварки не только постоянным, но и пере­ менным током, добавляется вторичный инвертор для превраще­ ния постоянного тока в переменный. При ручной дуговой сварке в подавляющем большинстве случаев применяют инверторные источники питания постоянного тока.

Масса и габаритные размеры инверторных источников пита­ ния в несколько раз меньше аналогичных показателей сварочных выпрямителей. Это обусловлено резким снижением размеров по­ нижающего силового трансформатора, являющегося основным массоносителем обоих типов источников питания.

19.4. Ручная луговая сварка

Разработка способов дуговой сварки находится в тесной связи с открытием явления электрической дуги, сделанным в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым, который указал на возмож­ ность применения дугового разряда для расплавления металлов. Первое практическое применение дуги для целей сварки принад­ лежит русскому инженеру Н.Н. Бенардосу, который в 1882 г. предложил способ соединения металлических частей с помощью электрической дуги, горящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием (рис. 19.13).

Русский инженер Н.Г. Славянов в 1889 г. усовершенствовал процесс сварки, предложенный Н.Н. Бенардосом, заменив неплавящийся угольный электрод плавящимся металлическим (рис. 19.14).

Рис. 19.13. Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом

(по способу Н.Н. Бенардоса)

Рис. 19.14. Ручная дуговая сварка плавящимся электродом

(по способу Н.Г. Славянова)

Предложенные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы дуговой сварки неплавящимся угольным и плавящимся металли­ ческим электродами легли в основу наиболее распространенных способов дуговой сварки. Усовершенствование предложенных способов дуговой сварки шло по двум направлениям:

а изысканию средств защиты и металлургической обработки металла сварочной ванны;

□ автоматизации процесса сварки.

Наиболее широкое применение нашла ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и пере­ мещают вдоль свариваемых заготовок. В процессе сварки метал­ лическим покрытым электродов (рис. 19.15) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень элек­ трода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в ме­ таллическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги

ижидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает

иформируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 2.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни из сварочной проволоки с нанесенными на них покрытиями. Сварочная стальная проволока в зависимости от состава разде­ ляется на три группы: низкоуглеродистая (Св-08, Св-08А, Св-08ГА

идр.), легированная (Св-08Г2С, Св-10Х5М, Св-18ХМА и др.), высоколегированная (Св-06Х14, Св-04Х19Н9, Св-08Н50 и др.).

Рис. 19.1'5. Схема процесса сварки металлическим покрытым

электродом

Покрытия электродов предназначены для обеспечения ста­ бильного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздей­ ствия воздуха и получения металла заданного состава и свойств. В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газо­ образующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.

Газовая защита зоны сварки и расплавленного металла соз­ дается при сгорании газообразующих веществ и предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода воздуха. В ка­ честве таких веществ в покрытие вводят органические соедине­ ния — древесную муку, декстрин, целлюлозу, крахмал и т.п.

Ш лаковая зашита предохраняет расплавленный металл от кислорода и азота воздуха путем образования шлаковых оболочек на поверхности капель электродного металла и расплавленного металла шва. Шлак уменьшает скорость охлаждения и затверде­ вания металла шва, способствует выходу из него газовых и не­ металлических включений. Шлакообразующими веществами покрытий являются титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок, доломит, полевой шпат и т.п.

Раскисление металла сварочной ванны осуществляется эле­ ментами, обладающими большим сродством с кислородом, чем

железо. К ним относятся марганец, титан, молибден, хром, кремний, алюминий и углерод.

Легирование металла шва проводится для придания специ­ альных свойств наплавленному металлу. Наиболее часто для этого применяют хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, титан. Эти элементы вводятся и в покрытие, и в стержень элек­ трода.

Для закрепления покрытия на стержне электрода исполь­ зуют связующие компоненты (жидкое стекло, желатин, декст­ рин, пластмассы и др.).

По видам покрытий электроды подразделяются на электроды с кислым покрытием (А), основным покрытием (Б), целлюлоз­ ным покрытием (Ц), рутиловым покрытием (Р), прочими вида­ ми покрытия (П).

Кислые покрытия содержат оксиды кремния, руды железа

имарганца, полевой шпат, ферромарганец, крахмал, декстрин

идр. Электроды с такими покрытиями обладают хорошими тех­ нологическими свойствами, сварка ими возможна на постоянном

ипеременном токах во всех положениях. Однако эти электроды токсичны из-за выделения значительного количества соединений марганца, что ограничивает их применение.

Основные покрытия содержат мрамор, мел, магнезит, плавико­ вый шпат, ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, калиевое жидкое стекло, поташ и др. Сварку ими выполняют на постоян­ ном токе обратной полярности во всех пространственных поло­ жениях. Применяют для сварки ответственных конструкций из

сталей всех классов.

Рутиловые покрытия содержат рутиловый концентрат ТЮ2, полевой шпат, мрамор, ферромарганец и др. Они обладают вы­ сокими технологическими свойствами, пригодны для сварки во всех пространственных положениях на постоянном и перемен­ ном токах. Применяются для сварки ответственных конструк­ ций из низкоуглёродистых и низколегированных сталей.

Целлюлозные покрытия содержат целлюлозу, рутиловый кон­ центрат и ферросплавы. Применяют в тех же случаях, что и рути­ ловые.

Электроды также подразделяются на типы в зависимости от механических свойств металла шва (для конструкционных ста­

496 Раздел V. Сварочное производство

лей) и механических свойств и химического состава металла шва (для теплоустойчивых и высоколегированных сталей).

Каждому типу электродов для сварки конструкционных, те­ плоустойчивых и высоколегированных сталей может соответст­ вовать несколько марок электродов.

Наиболее применимы электроды с диаметром стержня 3, 4, 5, 6 мм, которые выпускаются длиной 300, 350, 450 мм.

Для получения сварного соединения требуемых размеров, формы и качества устанавливается режим сварки, т.е. основные показатели, определяющие процесс сварки. К этим показателям при ручной дуговой сварке относятся марка электрода, его диа­ метр, сила и род сварочного тока, скорость сварки.

Химический состав свариваемого металла определяет тип

и марку электродов.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. При нижнем положении шва диаметр электрода можно определить, руководствуясь соотношением диаметра электрода и толщины свариваемого металла.

Сварку швов в вертикальном и потолочном положении вы­ полняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм.

Важной характеристикой режима сварки является сила сва­ рочного тока / св (А), которую для сварки в нижнем положе­ нии электродами 3...6 мм можно определить по выражению

1СВ= (20 + 6d3)d3,

где d3 — диаметр электрода, мм.

При сварке в вертикальном и потолочном положениях сила тока выбирается на 10...20 % ниже, чем для сварки в нижнем положении.

Род и полярность тока определяют в зависимости от выбран­ ной марки электродов.

Основными характеристиками процесса плавления электрода является количество расплавленного металла q3и относительные потери у (коэффициент потерь) электродного металла в процес­ се сварки из-за разбрызгивания, испарения и окисления.

Количество расплавленного металла q3определяется по вы­ ражению

q3=

где а р — коэффициент расплавления, г/(А • ч); / с, — сила тока сварки, A; t — время горения дуги, ч.

Коэффициент расплавления у зависит от материала элек­ тродного стержня, состава покрытия электрода, рода и поляр­ ности тока. Потери металла в процессе сварки определяются по выражению

у ----------- >

где qn — количество наплавленного металла, г, которое можно определить до формуле

= « н /с в * ’

где а н — коэффициент наплавки, г/(А ■ч).

Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавле­ ния из-за потерь металла при сварке и колеблется в пределах 7...15 г/(А ч) для различных марок электродов.

Коэффициент потерь при сварке покрытыми электродами равен 5...10 %.

Количество наплавленного металла за определенный период характеризует производительность процесса сварки.

Скорость сварки (перемещения дуги) зависит от размеров сварного шва, коэффициента наплавки и величины сварочного тока.

Для формирования сварных швов стабильных размеров ре­ комендуется осуществлять поперечные и продольные колеба­ ния электродом, при этом амплитуда поперечного колебания не

лока и часть флюса, примыкающая к зоне сварки. В зоне сварки образуется газовый пузырь 8, заполненный парами металла и га­ зами. Сверху пузырь ограничен пленкой расплавленного флюса 6, снизу — сварочной ванной расплавленного металла 7. Расплав­ ленный флюс защищает дугу и расплавленный металл от вредного воздействия воздуха и осуществляет его металлургическую обра­ ботку. По мере перемещения электродной проволоки вдоль сва­ риваемых кромок происходит затвердение металла сварочной ванны и слоя расплавленного флюса, образуя сварной шов 5, по­ крытый шлаковой коркой 4. После остывания шлаковая корка легко удаляется.

Наиболее широкое применение нашла автоматическая свар­ ка под флюсом, при которой подача в зону сварки электродной проволоки, флюса, перемещение вдоль шва и другие процессы осуществляются автоматически.

Особенности сварки под флюсом определили ряд ее преиму­ ществ перед ручной дуговой сваркой:

□высокая производительность;

□высокое и стабильное качество металла сварного шва и в це­ лом сварного соединения;

□небольшой расход электродного металла и электроэнергии;

□облегчение труда сварщиков.

П роизводительность сварки под флюсом повыш ается в 5...12 раз. Коэффициент наплавки составляет 14...18 г/(А • ч) (против 8... 12 г/(А • ч) при сварке покрытыми электродами), уменьшаются потери на угар, отсутствуют брызги металла.

Автоматическая сварка под флюсом является одним из основ­ ных способов сварки плавлением. Этим способом успешно свари­ ваются низкоуглеродистые, низколегированные, легированные

ивысоколегированные стали, а также титан, медь, алюминий

иих сплавы. Наиболее выгодно использовать автоматическую сварку под флюсом однотипных сварных конструкций, имею­ щих протяженные прямолинейные и кольцевые швы. Экономи­ чески целесообразно сваривать под флюсом металл толщиной 2...60 мм.

Основными параметрами, определяющими режим сварки под флюсом, являются сварочный ток, диаметр электродной прово­ локи, напряжение на дуге, скорость сварки, род тока и поляр­ ность. Режим сварки оказывает решающее влияние на качество сварного соединения в целом.

Сварочные флюсы в ы п о л н я ю т следующие функции: физиче­ скую изоляцию сварочной ванны от атмосферы, стабилизацию горения дуги, химическое взаимодействие с жидким металлом, легирование металла шва, формирование поверхности шва. Ос­ новными компонентами флюсов являются Si02, MnO, CaF2, СаО.

Присадочная электродная проволока применяется тех же ма­ рок, что и для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Чтобы предотвратить протекание расплавленного металла и образование прожогов, защитить зону сварки с обратной сто­ роны и сформировать обратную сторону валика, стыковые швы уплотняют. Для этой цели используют ручную подварку корня шва, медные подкладки, остающиеся стальные подкладки, флю­ совые подушки и др. (рис. 19.18).

Рис. 19.18. Устройства для удержания расплавленного металла:

о — остающаяся стальная подкладка; б — временная медная подкладка;

в— гибкая лента; г — ручная подварка; д — медно-флюсовая подкладка;

е— флюсовая подушка; ж — заделка зазора огнестойким материалом; з —

асбестовая подкладка

Для выполнения автоматической сварки под флюсом исполь­ зуется комплект оборудования, включающий в себя источник питания, сварочный аппарат, механическое оборудование и при­ способления, обеспечивающие необходимую точность сборки изделия. Этот комплект называется сварочной установкой.

В сварочной установке используются источники питания дуги переменного и постоянного тока с крутопадающей характе­ ристикой, которая ограничивает величину тока короткого замы­ кания. Это необходимо, так как при сварке постоянно происходят

короткие замыкания при касании электродной проволокой из­ делия или переходе капли металла с электрода на изделие.

Сварочный аппарат обеспечивает автоматическое выполне­ ние следующих сварочных операций:

□возбуждение сварочной дуги и поддержание устойчивого горения дуги;

□подачу электрода в зону сварки и его перемещение вдоль

свариваемых кромок с заданной скоростью;

□подачу флюса в зону сварки;

□уборку использованного флюса;

□заварку кратера шва и прекращение процесса сварки. Для этой цели применяются сварочные головки, подвесные

исамоходные сварочные аппараты и сварочные тракторы.

Т9.6. Сварка в защитных газах

В современном сварочном производстве значительное место занимает дуговая сварка в защитных газах, при которой элек­ трическая дуга и расплавленный металл сварочной ванны за­ щищены от атмосферного воздуха струей защитного газа.

К особенностям сварки в защитных газах относятся:

□высокая степень концентрации дуги, обеспечивающая ми­ нимальную зону структурных превращений и относительно не­ большие деформации изделий;

□высокая производительность;

□высокоэффективная защита расплавленного металла;

□возможность наблюдения за дугой и сварочной ванной;

□возможность сварки металлов различной толщины в диа­ пазоне от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров;

□широкая возможность механизации и автоматизации;

□отсутствие флюсов и покрытий электрода, а следователь­ но, и необходимости очистки сварных швов;

□возможность сварки в различных пространственных поло­

жениях.

Разновидности процесса сварки в защитных газах классифи­ цируются по составу защитимых газов, типу электрода и степе­ ни механизации. В качестве защитной среды применяют:

а инертные газы — аргон (Аг) и гелий (Не);

□ активные газы — углекислый газ (С02), азот (N2);