Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 154 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

источник сварочного тока должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1) обеспечивать напряжение холостого хода (т. е. напряжения источника без нагрузки) не более 80 В, что вполне достаточно для зажигания дуги и безопасно для работы сварщика;

2) обеспечивать устойчивое горение сварочной дуги за счет автоматического изменения напряжения. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением — быстро падать;

3) выдерживать без перегрева обмоток ток короткого замыкания, превышающий на 40–50% величину сварочного тока.

Внешняя характеристика источника тока (рис.

1.10) может быть круто падающая, или мягкая (1), полого падающая, или жесткая (2) и возрастающая (3).

Рис. 1.10. Внешние характеристики источников сварного тока:

1 — круто падающая, или мягкая; 2 — полого

падающая, или жесткая; 3 — возрастающая

Для каждого способа нужно выбрать источник, внешняя характеристика которого соответствовала бы статической вольт-амперной характеристике дуги применяемого способа сварки. Так, для питания дуги с жесткой вольт-амперной характеристикой требуются источники сварочного тока с круто падающей внешней характеристикой.

При графическом совмещении (рис.

1.11) такой внешней характеристики источника тока (1) и вольт-амперной характеристики дуги (2) получим точку С устойчивого горения дуги. Точка А соответствует режиму холостого хода в работе источника, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Точка Д соответствует режиму короткого замыкания при зажигании дуги. При установившемся режиме точке С соответствует какое-то определенное значение силы сварочного тока J

Рис. 1.11. Соотношение внешней характеристики источника

и статистической вольт-амперной характеристики дуги

При случайном нарушении стабильности процесса, что может быть вызвано изменением длины дуги, изменяется положение характеристики дуги (кривая (3) соответствует увеличению длины дуги), следовательно, несколько увеличивается напряжение. При этом сварочный ток изменяется незначительно, на величину ∆ J

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяют источники питания с падающей или полого падающей внешней характеристикой (сварка автоматическая под флюсом, ручная дуговая покрытыми электродами, в защитных газах неплавящимся электродом). Такие источники сварочного тока с падающей характеристикой требуются для облегчения зажи-

гания дуги за счет повышенного напряжения холостого хода, практически постоянной проплавляющей способности дуги, а также обеспечения устойчивого горения дуги, в связи с тем, что колебания ее длины и напряжения (особенно значительные при ручной сварке) не приводят к существенным изменениям сварочного тока, а также ограничения тока короткого замыкания (чтобы не допустить перегрева токопроводящих проводов и источников тока).

Чтобы обеспечить устойчивость горения дуги с возрастающей характеристикой, используют источники сварочного тока с жесткой или возрастающей характеристикой (например, сварку в защитных газах плавящимся электродом и автоматическую под флюсом током «повышенной плотности»).

Источники переменного (сварочные трансформаторы) и постоянного тока (сварочные выпрямители и преобразователи) используют для питания сварочной дуги. Источник переменного тока широко применим из-за простоты конструкции, меньшего расхода электроэнергии, высокого КПД и других, в том числе экономических, показателей. Вместе с тем в некоторых случаях (таких как сварка на малых токах покрытыми электродами и под флюсом) при питании переменным током дуга горит неустойчиво. Так, постоянный ток предпочтителен в технологическом назначении: некоторые легированные стали лучше сваривать постоянным током. Кроме того, при его применении улучшаются условия сварки в разных пространственных положениях, повышается устойчивость горения дуги, появляется возможность вести сварку на прямой и обратной полярностях и т. д.

Если же для процесса сварки, имеющего жесткую вольтамперную характеристику дуги, применен источник с полого падающей внешней характеристикой, при таких же условиях нарушения стабильности процесса сварочный ток изменится на большую величину, т. е. ∆ J

> ∆ J1, что, соответственно,

ухудшает условия восстановления стабильности процесса.

Наибольшее применение имеет дуга с жесткой характеристикой, которая соответствует ручной дуговой сварке под флюсом, аргонодуговой сварке и др.

Контрольные вопросы

1. Как рассчитать полную тепловую энергию мощности

сварочной дуги?

2. Как рассчитать эффективную тепловую мощность дуги?

3. Что такое статическая ВАХ?

4. Какие бывают ВАХ сварочных дуг?

5. Что такое напряжение холостого хода?

6. Дайте внешнюю характеристику источника питания.

1.3.5. Краткие сведения о металлургических процессах при сварке плавлением

Процессы плавления и кристаллизации свариваемых металлов, протекающие в сварочной ванне при взаимодействии с газами и шлаками, называются металлургическими. Отличительными особенностями процессов сварки от металлургических процессов, происходящих в плавильных печах, являются высокая температура сварочной дуги, небольшой объем ванн расплавленного металла, большие скорости нагрева и охлаждения металла, кратковременность пребывания металла в жидком состоянии. Химический состав наплавленного металла может отличаться от химического состава электродов и основного металла. Благодаря высокой температуре сварочной дуги происходит интенсивное взаимодействие расплавленного металла с газами и шлаком. При этом молекулы газов диссоциируют, т. е. распадаются, с образованием атомарного кислорода, азота, водорода, которые оказывают основное влияние на качество сварного шва. При неправильном ведении процесса сварки водород образует поры в шве, а кислород и азот существенно ухудшают механические свойства наплавленного металла.

Находясь в атомарном состоянии, эти газы обладают более высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом, ухудшая качество сварно го шва.

Самыми активными свойствами обладает кислород, попадающий в зону сварки из воздуха, а равно

— из влаги кромок

свариваемого металла, флюсов и обмазки электродов, а также защитных газов. В процессе сварки кислород соединяется с железом и остается в металле шва в виде закиси железа

Fe + O = FeO.

Кислород активно окисляет углерод, марганец и кремний по реакциям

C + O → CO; Mn + O → MnO; Si + 2O → SiO

Оксид железа при высокой температуре хорошо растворим в жидком металле. При больших скоростях охлаждения часть закиси остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла. Кроме закиси, кислород с железом образует закись-окись Fe

и окись железа Fe2O3. Эти соединения

3O4

кислорода с железом также ухудшают качество сварно го шва.

При повышении содержания кислорода в металле шва снижаются ударная вязкость, предел текучести, предел прочности, а также ухудшаются коррозионная стойкость и жаропрочность сталей. За счет введения в сварочную ванну таких элементов, как марганец и кремний, достигается удаление кислорода из расплавленного металла. Названные элементы взаимодействуют с закисью железа, при этом кислород в связанном состоянии переходит в шлак или на поверхность сварочной ванны. Такой процесс называется раскислением.

Образующиеся соединения способствуют образованию пор и шлаковых включений в сварном шве.

Из окружающего воздуха в зону сварки попадает азот, который растворяется в железе, марганце, титане, молибдене и вступает с ними в химическое взаимодействие с образованием нитридов железа (Fe

N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN),

которые резко увеличивают прочность и снижают пластичность сварного шва. При больших скоростях охлаждения сам азот не успевает полностью выделиться из расплава и образует пересыщенный твердый раствор. Такой азот со временем выделяется из твердого раствора, при этом ухудшаются механические свойства стали, уменьшая ее пластичность и вязкость. Этот процесс называется старением.

Защита расплавленного металла сварочной ванны от кислорода и азота осуществляется электродными покрытиями, флюсами, защитными газами (такими как аргон, гелий, углекислый газ).

Атомарный водород активно растворяется в расплавленном металле, не образует в процессе сварки химических соединений с железом (в отличие от кислорода и азота), а лишь растворяется в расплавленном металле. При охлаждении атомы водорода соединяются в молекулы и удаляются из расплава. Но часть водорода в результате большой скорости охлаждения может остаться внутри закристаллизовавшегося металла, образуя газовую пористость, трещины, флокены.

Источником насыщения сварного шва водородом является влага, содержащаяся в электродном покрытии, флюсе, защитном газе, а также ржавчина. Поэтому перед сваркой электроды и флюсы прокаливают, защитный газ осушают, а свариваемые кромки изделия зачищают от ржавчины и загрязнений. Одновременно с удалением из металла шва кислорода, азота и водорода следует также очищать (рафинировать) металл шва от вредных примесей (серы и фосфора).

В сварочную ванну сера попадает из основного металла сварочной проволоки, а также покрытий и флюсов. Самой неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва при этом является слабо растворимый в стали сульфид железа FeS. При кристаллизации такой сульфид образует с железом эвтектику с температурой плавления ниже, чем у основного металла, которая находится между зернами кристаллизующегося металла и служит причиной возникновения горячих трещин

(красноломкости). Появления такого дефекта можно избежать с помощью марганца и кальция, содержащихся в составе электродных покрытий и флюсов.

Марганец образует с серой химическое соединение — сернистый марганец (MnS), который не растворяется в металле, а переходит в шлак.

Кроме того, марганец является наиболее активным раскислителем оксида железа. Раскисление происходит по реакции

FeO + Mn = Fe + MnO.

Оксид марганца взаимодействует с окисью кремния, также входящей в состав электродных покрытий и флюсов, и образует соединение MnO + SiO

, переходящее в шлак.

Фосфор резко снижает ударную вязкость металла шва, вызывая его сильное охрупчивание, особенно при низких температурах (хладоломкость), поэтому его необходимо удалять. Для уменьшения содержания фосфора за счет компонентов флюса и обмазки создают соединения, которые не растворяются в металле, а переходят в шлак, например (CaO)

3P2O5

Активными раскислителями являются также кремний и титан, содержащиеся в электродных покрытиях и флюсах. Раскисление закиси железа происходит по реакциям

2FeO + Si = 2Fe + SiO

, 2FeO + Ti = 2Fe + TiO2.

Контрольные вопросы

1. Каково значение флюсов?

2. Расскажите об особенностях металлургических процес-

сов при сварке под флюсом.

3. Какое влияние оказывает режим сварки на содержание

вредных примесей в сварочном шве?

4. В чем достоинства керамических флюсов?

5. Каковы особенности металлургических процессов при

сварке в защитных газах?

1.3.6. Формирование и кристаллизация металла шва, строение зоны термического влияния

Дуга в процессе сварки оказывает давление на сварочную

ванну (сварочная ванна — это область, занятая жидким ме- таллом, находящаяся под дугой и перемещающаяся вдоль оси вместе с дугой).

Это приводит к тому, что жидкий металл из-под основания дуги вытесняется, дуга несколько погружается. При ручной сварке толстопокрытыми электродами глубина погружения дуги составляет 3–4 мм, при сварке под флюсами — 8–10 мм. По мере продвижения дуги в хвостовой части зоны плавления металла происходит интенсивный отвод тепла в массу холодного металла. Кристаллизациия металла шва, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, протекает с остановками. После охлаждения первого слоя происходит некоторая задержка кристаллизации из-за ухудшения теплоотвода и выделения скрытой теплоты кристаллизации первого слоя. После некоторой задержки вследствие непрекращающегося теплоотвода вглубь основного металла начинает кристаллизоваться второй слой и т. д. Таким образом периодически происходит кристаллизация по всему продольному и поперечному сечению металла шва. Закристаллизовавшийся металл однопроходного шва имеет столбчатое строение, это обусловлено тем, что в направлении отвода теплоты (перпендикулярно границе плавления) кристаллиты растут быстрее, чем в других направлениях. Наибольшая толщина кристаллизационных слоев наблюдается в металле шва при электрошлаковой сварке

Из-за уменьшения скорости охлаждения шва это создает благоприятные условия для всплывания шлаковых включений, при этом размер кристаллитов резко увеличивается, что приводит к ухудшению прочностных свойств металла шва. Для предотвращения этого необходимо измельчить

Костенко Е. М. Указ. соч.

структуру шва путем введения в жидкий металл добавок (модификаторов) — алюминия, титана или ванадия. При кристаллизации металла шва возникает неравномерное распределение химических составляющих сплава. Это в металловедении называют ликвацией, которой присуще различие химического состава периферийной зоны и центральной части металла шва.

При этом дендритная (внутрикристаллическая) ликвация неоднородна по химическому составу отдельных кристаллов. Так, центральная часть дендритов состоит, как правило, из чистого твердого раствора, а граница между ними наиболее загрязнена вредными примесями. В связи с этим разрушение металла шва нередко происходит именно по границам зерен. Чтобы избежать вредного влияния ликвации (особенно при сварке легированных сталей), необходимо производить термическую обработку для выравнивания химического состава металла.

На свойства металла шва значительное влияние оказывает и структура металла шва, а также структура зоны термического влияния и околошовной зоны. В процессе сварки под воздействием высоких температур нагревается основной металл, в нем происходят структурные изменения. Эту область нагрева называют зоной термического влияния (ЗТВ). Температура, до которой нагреваются отдельные участки, изменяется от температуры плавления до температуры окружающей среды (рис. 1.12).

В ЗТВ различают следующие участки (в зависимости от температуры нагрева, структурных и физико-механических изменений):

1) неполного расплавления;

2) перегрева;

3) нормализации;

4) неполной перекристаллизации;

5) кристаллизации;

6) синеломкости.

ЗОНА ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ

Æ¹ÈÄ¹»Ä¾ÆÆÔÂÅ¾Ë¹ÄÄ

МР¹КЛЗГЖ¾ИЗДЖЗ¼ЗЙ¹КИД¹»Д¾ЖБШ

ÌÐ¹ÊËÇÃÈ¾É¾¼É¾»¹

ÌÐ¹ÊËÇÃÆÇÉÅ¹ÄÁÀ¹ÏÁÁ

МР¹КЛЗГЖ¾ИЗДЖЗВ

И¾Й¾ГЙБКЛ¹ДБА¹ПББ

ÌÐ¹ÊËÇÃ

ГЙБКЛ¹ДДБА¹ПББ

МР¹КЛЗГ КБЖ¾ДЗЕГЗКЛБ

Рис. 1.12. Схема изменения околошовной зоны

однопроходного шва по оси Т ºС:

1 — участок неполного расплавления; 2— участок перегрева;

3 — участок нормализации; 4 — участок неполной перекристаллизации;

5 — участок кристаллизации; 6 — участок синеломкости

При этом участок неполного расплавления — пере- ходный от наплавленного металла к основному, поэтому его называют переходной зоной. При сварке названного участка он находится в твердожидком состоянии, поэтому переходная зона отличается по химическому составу и от основного, и от наплавленного металла. Свойства рассматриваемого участка оказывают решающее влияние (в большинстве случаев) на работоспособность сварной конструкции в целом. Участок перегрева определяется следующими температурными границами: от температуры участка неполного расплавления до температуры около 1100 ºС.

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 154 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]