Материаловедение и технология конструкционных материалов

□смеси Аг + Не, Аг + Н2, Аг + 0 2, Аг + С02, С02 + 0 2, Аг + 0 2 +

+со2.

Наиболее часто применяют Аг и СОа.

Сварка в защитных газах выполняется неплавящимся и пла­ вящимся электродом. При сварке неплавящимся электродом (рис. 19.19, а) дуга горит между вольфрамовым или угольным электродом и свариваемым изделием. Сварка может произво­ диться с присадочной проволокой и без нее, если шов формиру­ ется за счет расплавления кромок свариваемых деталей.

При сварке плавящимся электродом (рис. 19.19, б) дуга горит между свариваемым изделием и электродной проволокой, непре­ рывно подаваемой через сварочную горелку в зону дуги. Сварка плавящимся электродом производится полуавтоматическим (пе­ ремещение горелки вдоль свариваемых кромок осуществляется вручную, а подача электродной проволоки и защитного газа — автоматически) и автоматическим (Перемещение горелки, пода­ ча проволоки и газа осуществляются автоматически) способами.

Рис. 19.19. Схемы дуговой сварки в защитных газах:

а — неплавящимся электродом; б — плавящимся электродом (1 — свароч­ ная горелка; 2 — электрод; 3 — защитный газ; 4 — электрическая дуга;

5 — подающие ролики)

Дуговая сварка в инертных газах в основном используется при изготовлении конструкций из коррозионно-стойких, жаро­ прочных сталей, алюминиевых, магниевых, никелевых и медных сплавов, титана и его сплавов, циркония, молибдена, тантала и других металлов.

Наиболее широкое применение в промышленности нашла сварка в углекислом газе плавящимся электродом. Главная осо­ бенность этого способа заключается в применении электродной проволоки с повышенным содержанием элементов — раскислителей (Mn, Si и др.), компенсирующих их выгорание в зоне сварки.

Наряду с преимуществами сварка в углекислом газе имеет некоторые недостатки: повышенное разбрызгивание металла в процессе сварки и не всегда удовлетворительный вид сварного шва.

Для сварки используется пищевой и сварочный С02 чистотой 98,5...99,5 %, поставляемый к месту сварки в баллонах в жид­ ком состоянии или по технологическим газопроводам. Углекислый газ не имеет цвета, обладает едва ощутимым запахом, тяжелее воздуха. В стандартный баллон емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты.

Для большинства углеродистых и низколегированных сталей рациональными пределами содержания элементов в электрод­ ной проволоке являются 0,06...0,12 % углерода, 0,6 ...1,0 % кремния и 1,4...2,4 % марганца. Наибольшее применение по­ лучили проволоки марок Св-08ГС (0,10 % С, 1,40...1,70 % Мп, 0,60...0,85 % Si) иСв-08Г2С(0,5...0,11 % С, 1,80...2,10 % Мп, 0,70...0,95 % Si). Кроме того, в этих проволоках содержится 0,20 % хрома, 0,25 % никеля, а также не более 0,025 % серы и 0,030 % фосфора.

Для сварки других легированных сталей, как правило, при­ меняется проволока, сходная по составу с основным металлом.

Основными параметрами режима сварки в углекислом газе является род тока (переменный или постоянный), полярность

ивеличина тока, напряжение дуги, диаметр и скорость подачи проволоки, расход газа, вылет электрода, скорость сварки.

Сварка может производиться на постоянном токе прямой

иобратной полярности, а также на переменном токе с примене­ нием специальных устройств для стабилизации горения дуги. Однако практическое применение нашла сварка на постоянном токе обратной полярности, так как в этом случае дуга горит более стабильно и с меньшим разбрызгиванием. Для питания дуги ис­ пользуются источники тока с жесткой или возрастающей внеш­ ней вольт-амперной характеристикой.

устройствами (ползунами) 3 путем расплавления флюса элек­ трической дугой, возбуждаемой между электродом 2 и вводной планкой 7. После накопления определенного количества жид­ кого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача электро­ да и подвод тока продолжаются. В результате действия теплоты шлаковой ванны происходит расплавление основного и элек­ тродного металла и образуется сварочная ванна 5. По мере за­ полнения зазора между свариваемыми заготовками сварочная и шлаковая ванны поднимаются вверх, так как обычно электрошлаковую сварку выполняют снизу вверх. При этом автомати­ чески с той же скоростью поднимаются устройство для подачи проволоки (мундштук) и ползуны. В нижней части происходит затвердевание сварочной ванны и образование сварного шва 6.

Взависимости от типа применяемого электрода различают электрошлаковую сварку электродной проволокой, электродной пластиной или плавящимся мундштуком.

Взависимости от толщины свариваемых элементов процесс ведут одним или несколькими электродами. Наибольшее распро­ странение для соединения металла толщиной до 500 мм получила сварка тремя электродами диаметром 2,5...3,5 мм. Сварку одним электродом используют для соединения заготовок толщиной до 150 мм, при этом электроды срвершают поперечные колебания для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине.

Устойчивость электрошлаковой сварки определяется ее режи­ мом. Основными параметрами режима сварки являются свароч­ ный ток, напряжение на электродах и скорость сварки. К допол­ нительным параметрам относятся зазор между свариваемыми заготовками, скорость подачи электрода, число электродов и пло­ щадь их поперечного сечения, глубина Шлаковой ванны, состав флюса, вылет электрода, частота поперечных колебаний элек­ трода.

Для электрошлаковой сварки применяются специальные флю­ сы, состав которых зависит от химического состава свариваемых металлов.

В качестве источников питания для. электрошлаковой сварки рекомендуется применять трансформаторы с жесткой характе­ ристикой и напряжением, регулируемым в пределах 35...55 В. Электрошлаковая сварка производится на специальных автома­ тических установках.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом ма­ шиностроении при изготовлении крупногабаритных конструкций (валов, корпусных деталей и других ковано-сварных и лито-свар­ ных конструкций) с толщиной свариваемых заготовок от 50 до 2000 мм.

19.8. Газовая сварка

При газовой сварке нагрев кромок соединяемых частей про­ изводится пламенем, образующимся при сжигании газов в смеси с технически чистым кислородом на выходе из сварочной го­ релки.

Основным горючим газом является ацетилен, также приме­ няются природный газ, пропан-бутановая смесь, МАФ (метилаце- тилен-алленовая фракция), водород и другие горючие газы.

Ацетилен С2Н2 представляет собой химическое соединение углерода с водородом. Получают его из карбида кальция СаС2 путем разложения его водой в ацетиленовых генераторах:

СаС2 + 2Н20 = С2Н2 + Са(ОН)2.

При этом из одного килограмма СаС2 выделяется 230...280 дм3 газообразного С2Н2.

Пропан-бутановые смеси состоят из технического пропана (С3Н8) с примесью 5...30 % технического бутана (С4Н10), кото­ рые образуются при переработке нефти и нефтепродуктов.

В последнее время вместо ацетилена и пропан-бутановой сме­ си начали применять МАФ. Температура горения ацетилена

иМАФ близки между собой (соответственно 3200 °С и 2927 °С). Количество кислорода, подаваемого в газовую горелку, для аце­ тилена и МАФ примерно одинаково, а для пропан-бутановой смеси оно в 1,5 раза выше.

Для заполнения зазора между кромками свариваемого металла

иобразования сварного шВа в сварочную ванну вводят присадоч­ ный металл в виде проволоки, прутков или полосок, нарезаемых из металла такого же состава, что и свариваемый, или близкого

кнему. Если формирование шва возможно за счет расплавления кромок основного металла, то присадочный металл можно не при­ менять.

Газовой сваркой можно сваривать почти все металлы, исполь­ зуемые в технике, причем такие металлы и сплавы, как чугун, медь, свинец, латунь, легче поддаются газовой сварке, чем дуговой.

К преимуществам газовой сварки относится и то, что она не требует сложного оборудования и источника электрической энер­ гии. В настоящее время газовая сварка широко применяется при монтаже металлоконструкций и трубопроводов из тонкостенных труб, сантехнических работах, сварке сплавов на основе меди, ремонтной сварке изделий из чугуна.

В сварочном пламени (рис. 19.21) различают три зоны: ядро 1, среднюю восстановительную зону 2 и факел 3 (окислительную зону). Все три зоны ярко выражены в нормальном пламени. Ядро имеет резко очерченную форму, плавно закругляющуюся в кон­ це, с ярко светящейся оболочкой. Восстановительная зона рас­ полагается за ядром и состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена — СО и Н2. Этой зоной производят сварку, так как оксид углерода и водород раскисляют расплавленный металл. Она имеет наибольшую температуру 3200 °С) на расстоянии 3...6 мм от ядра. Факел располагается за восстановительной зо­ ной, состоит из С02 и паров воды.

с2н2+о2 со+н2 / /о2возд

Рис, 19.21. Схема сварочного пламени

В зависимости от соотношения между кислородом и ацетиле­ ном различают три основных вида сварочного пламени. Нормаль­ ное пламя (рис. 19.22, а) теоретически получается тогда, когда в сварочную горелку на один объем кислорода поступает один объем ацетилена, на практике же кислорода подают 1,1... 1,3 от объема ацетилена. Окислительное пламя (рис. 19.22, б) полу­ чается при избытке кислорода, когда на один объем ацетилена поступает более 1*3 объема кислорода. Науглероживающее пла­ мя (рис. 19.22, в) образуется при избытке ацетилена, когда

При правом способе сварка производится слева направо, сва­ рочное пламя направляется на сваренный участок шва, а приса­ дочная проволока перемещается вслед за пламенем. При левом способе сварка производится справа налево, сварочное пламя направляется на еще несваренные кромки металла, а присадоч­ ная проволока перемещается впереди пламени.

Правый способ экономичнее левого, его производительность на 20...25 % выше, а расход газов на 15...20 % меньше, чем лево­ го. Правый способ целесообразнее применять при сварке деталей толщиной более 3 мм и при сварке металлов с большой теплопроводимостью. При сварке металла толщиной до 3 мм более эффек­ тивным является левый способ.

Пост для газовой сварки (рис. 19.24) состоит из переносного ацетиленового генератора с предохранительным затвором или бал­ лона с горючим газом, баллона с кислородом, газовых редукторов, рукавов и сварочной горелки со сменными наконечниками. Также применяются стационарные ацетиленовые генераторы, от которых ацетилен подается по ацетиленопроводу к сварочному посту.

Рис. 19.24. Оборудование поста для газовой сварки:

1 — сварочная горелка; 2 — кислородный редуктор; 3 — баллон с кисло­ родом; 4 — предохранительный затвор; 5 — рукава

Для производства ацетилена применяют различные конструк­ ции генераторов. В основу их классификации положены следую­ щие признаки: способ установки, производительность, давление вырабатываемого ацетилена, система регулирования взаимодей­ ствия карбида кальция с водой.

510 Раздел V. Сварочное производство

По способу установки генераторы подразделяют на передвиж­ ные и стационарные. Производительность передвижных генера­ торов не превышает 5 м3/ч.

По давлению вырабатываемого ацетилена генераторы делятся на три группы: низкого (до 0,01 МПа включительно), среднего (0,01...0,15 МПа) и высокого (свыше 0,15 МПа) давления.

По системам регулирования взаимодействия карбида кальция с водой различают генераторы с количественным и повременным регулированием реагирующих веществ.

Количественное регулирование ацетилена осуществляют пе­ риодической дозировкой либо карбида кальция при постоянном объеме воды в зоне реакции (система «карбид в воду»), либо воды при загрузке всего карбида кальция (система «вода на кар­ бид»). Широко применяют и комбинированную систему генера­ торов с дозировкой обоих реагирующих веществ.

Повременное регулирование количества ацетилена в газосборнике осуществляется дозировкой времени контактирования кар­ бида кальция с водой. Такие системы генераторрв называют контактными. Если подвижным компонентом служит карбид кальция, то такая система носит название «погружения», если подвижной системой является вода — «вытеснения».

Существуют также системы генераторов, в которых сочета­ ется количественная и повременная системы регулирования.

Ацетиленовые генераторы (рис. 19.25) независимо от системы имеют следующие основные элементы: зарядник, газосборник, предохранительные устройства против повышения давления в газосборнике и защиты генератора от обратных ударов пламени. Указанные узлы могут быть сосредоточены в одной конструк­ ции или разобщены и связаны между собой трубопроводами. Ста­ ционарные генераторы в ряде случаев снабжают химическими очистителями.

В ацетиленовых генераторах применяют два типа предохра­ нительных устройств: для выпуска ацетилена в атмосферу при повышении давления сверх допустимого и защиты генератора от проникновения в газосборник пламени при обратном ударе.

Обратным ударом называют проникание фронта пламени внутрь канала сопла горелки и распространение его навстречу потоку горючей смеси. Возможность обратного удара определя­ ется соотношением скорости истечения смеси и скорости ее вос­ пламенения. Обратные удары возникают при чрезмерном нагреве