Аксенов А. А. Технология конструкционных материалов

50

ную (Св-06Х19Н10М3Т, Св-07Х25Н13 и др.). В марках проволоки «Св» означает слово «сварочная», последующие буквы и цифры – ее марочный состав.

Электроды представляют собой проволочные стержни с нанесенными на них покрытиями. Покрытия электродов предназначены для обеспечения стабильного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздействия воздуха и получения металла шва заданных свойств и состава. В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие. Электроды классифицируют по назначению (на пять классов) и виду покрытия (кислое, рутиловое, основное, целлюлозное).

Режим сварки. Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сварочный ток, который выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода. Диаметр электрода выбирают, исходя из толщины заготовок при сварке. Обычно применяется сварочный ток от 50 до 400 А. Напряжение тока при этом составляет 20…60 В. Для сварки применяют прямую (катодом является основной металл, анодом электрод) или обратную (основной металл – анод, электрод – катод) полярность.

Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную внешнюю характеристику. Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующих видов: падающая 1, пологопадающая 2, жесткая 3, возрастающая 4 (рис. 3.3, а). Источники тока выбирают в зависимости от вольт-амперной характеристики дуги, соответствующей принятому способу сварки. Для обеспечения легкого зажигания дуги и безопасности работы, стабильного горения дуги на заданном режиме, варьирования силой тока и ограничения тока при коротком замыкании сварочной цепи используют источники постоянного или переменного тока с падающей внешней характеристикой (рис. 3.3, б).

51

Рис. 3.3. Внешние характеристики источников сварочного тока (а) и соотношение характеристик дуги и падающей характеристики источника тока при сварке:

А– режим холостого хода; В – режим возбуждения дуги;

С– установившийся режим сварки; D – режим при коротком замыкании

Ручная сварка позволяет выполнять швы в различных пространственных положениях (рис. 3.4). При сварке в вертикальной плоскости ток уменьшают на 10…15 %, в потолочном положении – на 15…20 % по сравнению с током для сварки в нижнем положении. При этом сварку выполняют электродами не более 4 мм.

Рис. 3.4. Возможные пространственные положения при ручной сварке: а – нижнее; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное

Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Автоматическая сварка под флюсом. Для нее используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от возду-

52

ха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы, а также автоматизированы процессы зажигания дуги. В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 3.5) дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака 4. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Под действием мощной дуги и весьма быстрого движения электрода вдоль заготовки происходит оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи 2 и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.

Флюсы разделяют по назначению на: плавленые высококремнистые марганцевые (для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей), предназначенные для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием; плавленые и керамические низкокремнистые, бескремнистые и фторидные (для сварки легированных и высоколегированных сталей), которые обеспечивают минимальное окисление легирующих элементов в шве.

53

Рис. 3.5. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом

Основные преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой состоят в повышении производительности процесса сварки в 5…20 раз, качества сварных соединений и уменьшении себестоимости 1 м сварного шва. Повышение производительности достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение непокрытой проволоки позволяет приблизить токопровод на расстояние 30…50 мм от дуги и тем самым устранить опасный разогрев электрода при большом токе. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла. Увеличение тока позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок, что приводит к существенной экономии металла по сравнению со сваркой с разделкой кромок.

Дуговая сварка в защитных газах. При этой сварке электрод, зона дуги

исварочная ванна защищены струей защитного газа.

Вкачестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда смеси двух или более газов. В нашей стране наиболее распространено применение аргона и углекислого газа.

Аргоновую сварку можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (ТПЛ =3370 0С) приме-

няют, как правило, при соединении металла толщиной 0,8…6 мм. При этом возможна сварка с расплавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости получения выпуклости шва или заполнения заделки кромок – и присадочного материала (прутка или проволоки). Пруток подают вручную (рис. 3.6, а). Для проволоки можно использовать механизм подачи (рис. 3.6, б). В последнем случае сварка может быть механизированной или автоматизированной. Ток при сварке с неплавящимся электродом выбирают из

54

расчета 100 А на 1 мм диаметра электрода, а присадочную проволоку – 0,5…0,7 диаметра электрода.

Рис. 3.6. Виды сварки в защитных газах:

1 – присадочный пруток или проволока; 2 – сопло; 3 – токопроводящий мундштук; 4 – корпус горелки; 5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера защитного газа; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла; 10 – кассета с проволокой; 11 – механизм подачи; 12 – плавящий металлический электрод (сварочная проволока)

Сварку плавящимся электродом выполняют автоматическим или механизированным с помощью полуавтоматов способами, схема которых представлена на рис. 3.6, в, г. Сваривают металл толщиной 3 мм и более. Хорошее качество сварки обеспечивается при высокой плотности тока (100 А/мм2 и более). При высоких плотностях тока перенос расплавленного металла с электрода становится мелкокапельным или струйным. Такой перенос обеспечивает глубокое проплавление основного металла, формирование плотного шва и чистой поверхности, а также разбрызгивание в допустимых пределах.

55

Аргонодуговая сварка применяется для широкого круга материалов и изделий: узлы автомобилей и тракторов, корпуса и трубопроводы химических аппаратов из цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей. Сварку выполняют в любом пространственном положении.

Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности (рис. 3.6, в, г). Сварку выполняют при плотности тока 80…100 А/мм2, но, несмотря на это, не достигается струйный перенос расплавленного электродного металла, характерный для аргонодуговой сварки. Поэтому при сварке в СО2 наблюдается повышенное разбрызгивание электродного материала (до 10…12 %).

В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низкоуглеродистой сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.д.). Сварку выполняют в любом пространственном положении. Преимущества механизированной сварки в углекислом газе с точки зрения ее стоимости и производительности часто приводят к замене ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Электрошлаковая сварка. Этот способ сварки разработан в Институте электросварки им. Е.О. Патона и получил промышленное применение в конце 50-х годов XX столетия.

При электрошлаковой сварке основной и электродный металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Процесс электрошлаковой сварки (рис. 3.7) начинается с образования шлаковой ванны 3 в пространстве между кромками основного металла 6 и формирующими устройствами (ползунами) 7, охлаждаемыми водой, подаваемой по трубам 1, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой 4 и вводной планкой 9. После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гасится, а подача проволоки и подвод тока продолжаются.

56

При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака (до 2000 0С) и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подается в шлаковую ванну с помощью мундштука 5. Проволока служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны 2 расплавленным металлом. Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых заготовок. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов 8.

Рис. 3.7. Схемы процесса электрошлаковой сварки

Вначальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва

–непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной 9, а заканчивают на выходной 10 планках, которые затем удаляют газовой резкой.

Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150 мм сва-

59

нена инжекторная горелка, так как она наиболее безопасна и работает на низком и среднем давлениях (рис. 3.9). В инжекторной горелке кислород под давлением 0,1…04 МПа через регулировочный вентиль 6 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает значительное разрежение в камере 4 и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль 7 в ацетиленовые каналы горелки 8 и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образуется сварочное пламя.

Сварочное пламя состоит из трех зон (рис. 3.10): ядра пламени 1 (где происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси); средней зоны 2 (горение ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона); факела пламени 3 (горение ацетилена за счет атмосферного кисло-

рода). Сварочное пламя бывает нормальным Рис. 3.10 – Газосварочное пламя (O2/C2H2=1 – для сваривания низкоуглероди-

стых и низколегированных сталей), окислительным (O2/C2H2>1 – для латуней) и науглероживающим (O2/C2H2<1 – для высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, цветных металлов).

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области ее применения: для сварки металлов малой толщины (0,2…3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения, например, инструментальных сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для проварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается, свариваемые изделия значительно деформируются, что ограничивает применение газовой сварки. Но, не-