Сварка
.pdfФедеральное агентство по образованию
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра технологии конструкционных материалов и метрологии
В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО, С. А. СТЕПАНОВ, Ю. В. КНЫШЕВ
СВАРКА
Часть I ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2009
1
УДК 621.791.07
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ПГУПС); канд. техн. наук, доцент А. П. Орлов (СПбГАСУ)
Гордиенко, В. Е.
Сварка: учеб. пособие: лабораторный практикум/ В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев; СПбГАСУ. – СПб., 2009. Ч. I . Основные способы сварки. – 64 с.
ISBN 978-5-9227-0164-8
Приведены указания по выполнению шести лабораторных работ. Описаны процессы, технология иоборудованиеосновныхспособовсварки, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудования. Предназначено для студентов механических и строительных специальностей.
Табл. 10. Ил. 28.
Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия
ISBN 978-5-9227-0164-8 |
© В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, |
|
С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, 2009 |
|
© Санкт-Петербургский государственный |
|
архитектурно-строительный университет, |
|
2009 |
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящийпрактикумрассчитаннастудентовмеханическихистроительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов».
Цельюлабораторныхработявляетсяизучениепроцессов, технологии и оборудованияосновных способов сварки, применяемых при изготовлении, монтаже иремонте металлических конструкций и оборудования.
Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны ознакомитьсясправиламитехникибезопасности. Квыполнениюлабораторнойработыдопускаютсятолькоподготовленныестуденты, предварительноизучившиетеоретическийматериалпоучебникуинастоящемупрактикуму.
В ходе выполнения лабораторных работ студенты группами по 4–6 человек под руководством преподавателя или учебного мастера изучают технику и технологию способов сварки, сварочное оборудова- ниеиеготехнико-экономическиевозможности, а такжесамостоятельно проводят экспериментальные исследования и (по возможности) выполняют сварочные операции.
Поокончаниилабораторнойработыкаждыйстудентиндивидуально оформляет отчет о проделанной работе, который должен содержать исчерпывающие текстовые и графические ответы напоставленные вопросы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя.
3
Лабораторная работа № 1
РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА
Цельлабораторнойработы– изучениесущностипроцессовсварочного оборудования, техники и технологии ручной дуговой сварки.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
1)изучить сущность ручной сварки, оценить роль и влияние покрытия электродов на качество сварного шва;
2)изучитьсварочноеоборудованиепостоянногоипеременноготока;
3)освоить методику определения основных сварочно-технологи- ческиххарактеристикплавящихсяэлектродовиоценитьпроизводительность сварки различными электродами;
4)ознакомиться с техникой и технологией ручной дуговой сварки.
Оснащение участка лабораторной работы:
оборудование – посты для ручной дуговой сварки на постоян-
номипеременномтоке, однопостовыесварочныетрансформаторы, электромеханические преобразователи (генераторы), выпрямители, макеты аппаратов, защитные маски со светофильтрами, керн, молоток, зубило, линейка металлическая, цифровые маркеры, весы, секундомер;
материалы – электроды различных марок диаметром 3…5 мм, пластины из низкоуглеродистой стали Ст3сп размером 425100 мм;
плакаты– схемысварочныхпостов, устройствасварочныхаппаратов, типовсварныхшвовисоединений, техникаручнойдуговойсварки;
справочная литература – справочники, ГОСТы.
1. Сущность ручной дуговой сварки. Исследование влияния покрытия электродов на качество сварного шва
Для ручной дуговой сварки обычно применяют металлические электроды, состоящие из стержня 8 и покрытия 9 (рис. 1.1). Плавление электрода и свариваемого металла в процессе сварки осуществляется теплотойэлектрической(сварочной) дуги7, горящеймеждуэлектродом и свариваемым металлом 1. Электродный металл в виде капель 10 переходитвжидкуюметаллическую(сварочную) ванну4, котораяпосле удаления дуги кристаллизуется, образуя сварной шов 2.
4
Рис. 1.1. Схема процесса ручной дуговой сварки: 1 – основной металл; 2 – сварной шов; 3 – шлаковая корка; 4 – сварочнаяваннажидкогометалла; 5 – жидкий шлак; 6 – газовая защитная атмосфера; 7 – сварочнаядуга; 8 – металлический стержень электрода; 9 – покрытие электрода; 10 – капли расплавленного
металла
Образуемая при сварке сварочная дуга является мощным устойчивым электрическим разрядом в газовой среде. Сварочная дуга состоит из трех областей: анодной, катодной и столба дуги. При коротком замыкании электрода с деталью происходит разогрев этого участка. С разогретыхучастков, восновномскатоднойобласти, начинаетсяэмиссияэлектронов, которые, сталкиваясь с молекулами газов и атомами паров металла, вызываютихионизацию. Врезультатеэтого дуговойпромежуток становится электропроводным и возникает устойчивая сварочная дуга, температура в которой достигает 6000…12 000 °С. Тепловой мощности такой дуги достаточно для плавления металла.
5
Металлическиестержниэлектродовизготавливаютизсварочнойпроволоки диаметром 0,3…12 мм. Длина стержня 250…450 мм. Для сварки сталейГОСТомпредусмотрено77 марокстальнойсварочнойпроволоки.
Покрытие электрода выполняет следующие функции:
1)защищает расплавленный металл сварочной ванны от вредного влияния кислорода, азота иводорода воздуха. Изпаров игазов материалов покрытия над жидким металлом образуется локальная газовая атмосфера, которая препятствует контакту жидкого металла с воздухом. Одновременно материал покрытия образует жидкий слой шлака, после затвердевания которого остается легкоотслаивающаясяшлаковая корка;
2)легирует, т. е. вводит в металл шва химические элементы (кремний, марганец и др.), чтобы придать ему необходимые свойства (прочность, твердость и т. д.);
3)раскисляет расплавленный металл сварочной ванны, удаляет кислород изжидкого металла. Окислыметаллов, остающиеся вметалле шва, снижают его механические свойства;
4)рафинирует расплавленный металл сварочной ванны, т. е. очищает его от серы и фосфора. Повышенное содержание серы и фосфора
вметалле шва ухудшает его механические свойства;
5)повышает устойчивость горения сварочной дуги (в покрытии содержатся элементы, обладающие низким потенциалом ионизации). Покрытиесостоитизпорошкообразныхматериалов, сцементированных клеящим раствором. В покрытие входят стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и другие вещества. Покрытия бывают кислые, основные, рутиловые, целлюлозные и пр.
Практическая часть работы раздела состоит в экспериментальном изучении влияния качества газошлаковой защиты сварочной ванны электроднымипокрытияминапластичностьметаллашваиустойчивость горения дуги. Исследование студенты проводят под руководством учебного мастера в следующей последовательности:
1)маркируют три пластины из стали Ст3сп (размер пластин
425100 мм) ипроизводятнанихнаплавкуваликовсоответственноголым электродом и электродами с меловым и качественным покрытием;
2)охлаждают пластины и исследуют металл шва (валика) на пластичность путем загиба образцов в тисках с помощью молотка, при этом загибобразцовпроизводитсядоначалаобразованиятрещинывзоненаибольших пластических деформаций растяжения;
6
3)измеряют угол загиба образцов и делают вывод о влиянии качества защиты на пластичность металла сварного шва;
4)визуально оценивают влияние качества покрытия электродов
иполярностьпостоянноготоканаустойчивостьгорениясварочнойдуги.
2.Источники питания сварочной дуги постоянным
ипеременным током
Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока, отвечающие определенным требованиям:
напряжение холостого хода Ux.x должно быть достаточным для зажигания дуги, но непревышатьзначений, безопасных для сварщиков; источники питания должны быть снабжены устройством для ре-
гулирования сварочного тока в регламентированных пределах;
источники питания должны иметь заданную внешнюю характеристику, согласованную со статистической вольт-амперной характеристикой дуги.
Внешняя вольт-амперная характеристика источника тока – это зависимость напряжения на его клеммахU от величинысварочного тока I
(рис. 1.2).
Рис. 1.2. Внешние характеристики сварочных источников тока:
1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая
По виду внешней характеристики источники тока подразделяются наисточникискрутопадающей, пологопадающей, жесткойивозрастающей характеристиками. Некоторые источники при переключении режи-
7
маработымогутиметькрутопадающуюижесткуюхарактеристики(универсальные источники тока). В зависимости от количества постов они могут быть однопостовыми и многопостовыми.
Источники тока с крутопадающей характеристикой используются при ручной дуговой сварке. Пологопадающую характеристику имеют источникипитанияавтоматовдлясваркиподфлюсом. Источникисжесткой ивозрастающейвнешними характеристикамиработаютсовместно с полуавтоматами для дуговой сварки в защитном газе.
По роду тока источники делятся на две группы: источники переменноготока(сварочныетрансформаторы) иисточникипостоянноготока (сварочные преобразователи и выпрямители).
Сварочная дуга, являясь потребителем электрической энергии и преобразователем ее в тепловую, образует с источником тока взаимосвязанную энергетическую систему, работающую в статическом (установившемся) идинамическом(переходном) режимах. Установившийсярежимработысистемысварочнаядуга– источниктокаопределяетсяточкой пересечения внешней вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристикиисточникатока. Приэтомследуетпомнить, чтосварочная дуга, являясьгазовымпроводникомтока, неподчиняется закону Ома.
В лабораторной работе изучаются однопостовые источники переменного и постоянного тока с крутопадающей характеристикой.
Сварочный трансформатор состоит из трансформаторного пакета с первичной (сетевой) и вторичной (сварочной) обмотками (рис. 1.3). В конструкции трансформатора предусмотрено перемещение одной из обмоток относительно другой.
Рис. 1.3. Схема сварочного трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием:
W1, W2 – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора
8
Напряжениедугипринимаютравнымнапряжениюнаклеммахвторичной обмотки трансформатора:
U2 Ud Uх2.х I 2 X 2 , |
(1.1) |
где Ud – напряжение дуги; Ux.x – напряжение холостого хода во вторич-
ной обмотке; I – сварочный ток; X – индуктивное сопротивление. Крутопадающаявнешняяхарактеристикатрансформаторасувели-
ченным магнитным расстоянием создается за счет падения напряжения на индуктивном сопротивлении. Так, с возрастанием тока в сварочной цепи произведение I 2 X 2 увеличивается (см. формулу (1.1)), а подкоренное выражение уменьшается – напряжение дуги снижается.
Величина сварочного тока определяется из выражения (1.1):
|
U 2 |
U 2 |
|
|
I |
x.x |
d |
. |
(1.2) |
X |
|
|||
|
|
|
|
Регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения индуктивногосопротивления, значениекоторогозависитотэлектрических и геометрических параметров трансформатора:
|
ΖW |
2ς |
, |
(1.3) |
|
X |
2 |
|
|||
RΠ |
|||||
|
|
|
где – угловаячастотатока; = 2; – частотатока; W2 – числовитков во вторичной обмотке; – коэффициент магнитного рассеяния; RΠ –
эквивалент магнитного сопротивления потоку рассеяния.
Еслиучесть, чтоугловаячастотапостоянна, аэквивалентменяется незначительно, то становится ясно, что индуктивное сопротивление зависитот числавитковвовторичнойобмоткетрансформатораикоэффициентамагнитногорассеяния. Последнийнаходитсявпрямойзависимости от расстояния между первичной и вторичной обмотками. Таким образом, плавное регулированиесварочного токав этомтипе трансформаторов осуществляется за счет сближения или удаления обмоток трансформатора. Ступенчатую регулировку тока производят переключением числа витков во вторичной обмотке трансформатора.
9
Сварочныйпреобразовательсостоитиздвигателяпеременноготрехфазного тока и генератора постоянного тока (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Схема сварочного преобразователя постоянного тока:
Д– трехфазный двигатель; Г – генератор постоянного тока;
В– выпрямитель; R – регулировочный реостат
Крутопадающаявнешняяхарактеристикасварочногопреобразователя обеспечивается за счет взаимодействия магнитных потоков обмотокнезависимогоипоследовательноговозбуждениягенератора. Названныеобмоткивключенытакимобразом, чтосоздаваемыеимимагнитные потокинаправленывстречно. Поэтомунапряжениедуги(наклеммахгенератора) будет изменяться в зависимости от алгебраической суммы магнитных потоков независимого Фн и последовательного возбуждения Фс. В результате при увеличении тока магнитный поток Фс возрастает, аразность Фн– Фс уменьшается, напряжениенаклеммахпадает. Регулирование сварочного тока в преобразователе производится за счет изменения соотношения магнитных потоков Фн и Фс, определяемых током и числом витков в обмотке возбуждения. Обычно плавная регулировка осуществляется изменением тока в цепи независимого возбуждения с помощью реостата R. Ступенчатое регулирование выполняется изменением числа витков в последовательной обмотке возбуждения.
Сварочный выпрямитель состоит из понижающего трансформаторатока 1, дросселя 2, обеспечивающегонеобходимые динамические характеристики источнику, и блока полупроводниковых вентилей 3 (рис. 1.5). Наиболее распространены кремниевые вентили. Внешняя характеристика выпрямителя определяется зависимостью
10