Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Электрическая дуговая сварка

РАЗДЕЛ V

СВАРКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава I

Общие сведения

§ 1. Сущность процесса сварки.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъёмных соединений твёрдых материалов, который осуществляется за счёт использования межмолекулярных и межатомных сил сцепления.

Сварка широко применяется в современном машиностроении, строительстве для соединения металлов и их сплавов между собой и с неметаллическими материалами (керамикой, стеклом), а также для соединения пластмасс. Сварка является высокопроизводительным и экономически выгодным процессом обработки материалов.

Суть процесса соединения материалов путём сварки заключается в сближении соединяемых поверхностей на расстояние, в пределах которого начинают действовать силы межатомного сцепления. Это расстояние имеет порядок нескольких ангстрем (Аº=10^-8 см). Современные способы сварки для необходимого сближения поверхностей соединяемых деталей предусматривает тепловое и механическое воздействие на металл в зоне соединения.

§ 2. Классификация способов сварки.

В настоящее время насчитывается несколько десятков способов сварки и их разновидностей. Все они могут классифицироваться по двум признакам:

1. по методу объединения соединяемых поверхностей;

2. по виду применяемой энергии.

По первому признаку все сварочные процессы можно разделить на способы сварки плавлением и способы сварки давлением.

При сварке плавлением производится расплавление кромок свариваемых заготовок и присадочного материала для заполнения зазора между ними. Повышенная подвижность атомов материала в жидком состоянии приводит к объединению деталей в результате образования общей сварочной ванны. После затвердевания сварочной ванны и возникновения сварного шва образуется прочное соединение.

К способам сварки плавлением относится:

1. дуговая сварка (ручная, автоматическая под флюсом, газоэлектрическая и дуговой плазмой);

2. электрошлаковая;

3. электроннолучевая;

4. газовая;

5. термитная.

При сварке давлением соединение заготовок осуществляется путём совместной пластической деформации соединяемых поверхностей. Пластическая деформация осуществляется за счет приложения внешнего усилия. При этом металл в зоне соединения нагревают с целью повышения пластичности. В процессе деформации происходит снятие неровностей, разрушение окисных плёнок, в результате чего обеспечивается полный контакт между заготовками. Возникновение межатомных связей в этих условиях приводит к прочному соединению деталей.

К способам сварки давлением относится:

1. контактная;

2. индукционная;

3. диффузионная;

4. ультразвуковая;

5. газопрессовая;

6. сварка трением;

7. холодная сварка.

По виду применяемой энергии сварка может быть:

1. электрической (все виды дуговой сварки, электрошлаковая, контактная);

2. химической (газовая и термитная);

3. механической (кузнечная, холодная, трением, взрывом и ультразвуком);

4. лучевой (электроннолучевая, лазерным и солнечным лучом).

Глава II

Электрическая дуговая сварка

§ 1. Понятие об электрической дуге и характеристика основных способов сварки.

Источником теплоты при дуговой сварке являются электрическая дуга, которая горит между двумя электродами, при этом одним электродом является свариваемая заготовка.

Сварочная дуга – это мощный электрический разряд в ионизированной газовой среде, который сопровождается выделением значительного количества тепла и света.

Процесс зажигания дуги при сварке состоит из 3-х периодов:

1. короткое замыкание электрода на заготовку;

2. отвод электрода на расстояние 3…6 мм;

3. возникновение устойчивого дугового разряда.

Короткое замыкание производится с целью разогрева торца электрода и основного металла в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца, являющегося катодом, под действием электрического поля начинается эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и атомами паров металлов приводит к их ионизации. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд эл. тока. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

Электрическая дуга является концентрированным источником теплоты с очень высокой температурой. Температура столба дуги достигает 6000ºС, а температура анодного и катодного пятен – 2000…3000ºС.

Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев и расплавление электрода и основного материала, часть её теряется в результате теплоотдачи в окружающую среду. Так при ручной дуговой сварке потери мощности составляют 20%, примерно 30% мощности идет на нагрев и расплавление электрода, а остальные 50% расходуются на нагрев и расплавление основного материала.

В зависимости от материала и количества электродов, а также от способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

1. сварка неплавящимся электродом (способ Бенардоса) или вольф- рамовым. Соединение осуществляется либо путём расплавления только одного основного металла, либо с применением присадочного материала.

2. сварка плавящимся электродом (способ Славянова). Электрод подается в сварочную дугу, расплавляется и наполняет сварочную ванну жидким металлом.

3. сварка дугой косвенного действия. Дуга горит между двумя плавящимися или неплавящимися электродами, основной металл нагревается и плавится теплом, излучаемым столбом дуги.

4. сварка трёхфазной дугой. Два электрода и деталь подключены к разным фазам трёхфазного тока. Дуга возникает между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

§ 2. Источники питания сварочной дуги.

Для дуговой сварки используется как постоянный, так и переменный ток. Источниками постоянного тока являются генераторы постоянного тока и сварочные выпрямители – селеновые, германиевые и кремниевые.

Генераторы постоянного тока изготовляют стационарными и передвижными с приводом от электродвигателя и от двигателя внутреннего сгорания.

При сварке переменным током преимущественно используют сварочные трансформаторы, которые распространены шире, чем генераторы. Сварочные трансформаторы проще в изготовлении и эксплуатации, имеют небольшой вес и меньшую стоимость, более высокий кпд и значительно долговечнее.

Источники постоянного тока изготавливают однопостовыми и многопостовыми, а переменного только однопостовыми.

§ 3. Ручная дуговая сварка.

Производится сварочными электродами, подача которых в дугу и перемещение вдоль заготовки выполняется вручную рукой сварщика. Для удержания электрода и подвода к нему тока сварщик пользуется электрододержателем. Для защиты от светового и ультрафиолетового излучения дуги лицо сварщика закрывается предохранительным щитком или маской с тёмными стеклами, а тело и руки – брезентовой спецодеждой и рукавицами. Рабочее место сварщика помещается в специальной кабине.

Электроды для ручной сварки представляют собой проволочные стержни с нанесённым на них покрытием. Стержень электрода изготавливается из специальной сварочной проволоки повышенного качества, с пониженным содержанием P и S. ГОСТ предусматривает 56 марок проволоки диаметром 0,3…12 мм.

Схема процесса сварки следующая: дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень плавится и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги происходит затвердевание сварочной ванны и образование сварного шва. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твёрдую шлаковую корку.

Ручная дуговая сварка широко применяется в производстве металлоконструкций для сварки различных материалов малых и средних толщин (от 2…30 мм). Особенно она выгодна и удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях (нижнем, вертикальном, потолочном), а также при наложении швов в труднодоступных местах. Недостаток – низкая производительность.

§ 4. Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

При этой сварке используется процесс, принципиально отличающийся от ручной сварки покрытыми электродами. Характерные особенности автоматической сварки заключается в следующем:

1. сварка ведётся непокрытой электродной проволокой;

2. защита дуги и сварочной ванны осуществляется флюсом;

3. подача и перемещение электродной проволоки механизирована.

Дуговая сварка под флюсом производится автоматическими сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Основным их назначением является подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса.

Преимущества: повышение производительности сварки в 20…25 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

§ 5. Полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом.

Отличается от автоматической тем, что перемещение электродной проволоки осуществляется вручную.

Применяется для выполнения коротких и прерывистых швов, а также криволинейных швов, которые невозможно сварить автоматической сваркой.

§ 6. Электрошлаковая сварка.

Является принципиально новым процессом соединения металлов, при котором расплавление основного и электродного металлов осуществляется теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну.

Процесс начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и приспособлениями (ползунами), причём путём расплавления флюса электрической дугой. После накопления некоторого количества жидкого шлака дуга гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжается. При прохождении тока через шлаковую ванну выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подаётся в шлаковую ванну с помощью мундштука и служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны расплавленным металлом. Электрошлаковая сварка осуществляется при вертикальном положении свариваемых деталей.

Преимущества:

1. повышение производительности вследствие непрерывности процесса сварки, выполняемой за один проход при любой толщине металла, увеличения сварочного тока в 1,5…2 раза, уменьшения расхода электродного металла;

2. повышение качества сварного соединения;

3. снижение затрат на 1 погонный метр шва в 10 и более раз.

Электрошлаковая сварка применяется в тяжёлом машиностроении для изготовления сварно-литых и сварно-кованных конструкций, таких как станины мощных прессов, коленвалы судовых двигателей, роторы и валы турбин.

Толщина свариваемого металла находится в пределах от 50…2000 мм.

§ 7. Дуговая сварка в среде защитных газов.

Суть способа заключается в том, что для защиты расплавленного металла от вредного воздействия кислорода и азота воздуха в зону дуги, которая горит между свариваемым изделием и плавящимся или неплавящимся электродами через сопло непрерывно подается струя защитного газа. В качестве защитных применяются инертные газы – аргон и гелий, активные - углекислый газ, водород, азот. Применяют также смеси аргона с кислородом, аргона с азотом, аргона с углекислым газом, углекислого газа с кислородом.

Инертные газы используются для сварки химически активных металлов (высоколегированные стали и цветные металлы).

В среде защитных газов применяется ручная и механизированная сварка неплавящимся электродом, а также автоматическая и полуавтоматическая плавящимся электродом.

Преимущества:

1. отсутствие необходимости в применении обмазок и флюсов;

2. высокая степень концентрации источника теплоты, способствующая уменьшению коробления изделия;

3. низкая стоимость;

4. возможность сварки в любых пространственных положениях.

Глава III

Электрическая контактная сварка.

§ 1. Характеристика процесса.

Контактная сварка выполняется как сварка давлением с осадкой разогретых заготовок. Разогрев заготовок производится прохождением по металлу электрического тока, причём максимальное количество теплоты выделяется в месте сварного контакта. Когда детали нагреваются до пластичного состояния или до оплавления, к ним прикладывается усилиеосадки и детали свариваются. Время сварки в зависимости от толщины и вида сварочного материала колеблется от сотых долей секунды до нескольких минут.

§ 2. Основные виды контактной сварки.

Контактная сварка классифицируется по типу свариваемого соединения, определяющего вид сварочной машины, и по способу питания сварочного трансформатора.

По типу свариваемого соединения различают: стыковую, точечную и шовную (роликовую) сварку.

По способу питания сварочного трансформатора различают:

1. сварку переменным током в большинстве однофазным с частотой 50 гц;

2. сварку импульсом постоянного тока;

3. сварку аккумулированной энергией, из которой чаще всего применяют конденсаторную сварку.

§ 3. Точечная сварка.

Это вид контактной сварки, при котором заготовки соединяются в отдельных точках. Причём одновременно можно сварить одну, две или несколько точек. Их положение определяется расположением электродов точечной машины.

При точечной сварке заготовки соединяют внахлёстку и зажимают с усилием Р между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки. Соприкасающиеся с медным электродом поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до пластического состояния или до расплавления внутренних слоев детали, затем выключают ток и снижают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Точечная сварка широко используется для изготовления штампосварных соединений, когда отдельные штампованные детали соединяются сварными точками.

§ 4. Шовная или роликовая сварка.

Вид контактной сварки, при которой между свариваемыми заготовками образуется прочноплотное соединение.

При шовной сварке листы также соединяют внахлёстку и зажимают между медными роликами. При пропускании тока образуется сварная точка. Т. к. свариваемые листы проходят между вращающимися роликами, то эти точки перекрывают друг друга и получается сплошной герметичный шов.

Существует 2 цикла шовной сварки: с непрерывным и с прерывистым протеканием тока.

Первый цикл применяется для сварки коротких швов из малоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной до 1 мм.

Второй цикл обеспечивает стабильность процесса и применяется для сварки длинных швов на заготовках из нержавеющих сталей, алюминиевых и медных сплавов.

Шовная сварка применяется в массовом производстве при изготовлении различных сосудов.

§ 5. Стыковая сварка.

Вид контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения.

Стыковая сварка с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называется сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов заготовок до оплавления – сваркой оплавлением.

При первом способе заготовки, зажатые в машине, сжимаются небольшим усилием, обеспечивающим контакт свариваемых поверхностей. Затем включается ток, металл разогревается до пластического состояния производится осадка и сварка.

Сварка сопротивлением применяется для заготовок малого сечения (диаметр до 20 мм). Заготовки сложного сечения (лист, двутавр), а также из разнородных металлов этим методом не сваривают.

При втором способе различают сварку с непрерывным и прерывистым оплавлением.

При непрерывном оплавлении установленные в зажимах машины детали равномерно сближают при включенном напряжении. После достижения равномерного оплавления всей поверхности стыка производят осадку.

При прерывистом оплавлении зажатые заготовки сближают под током, приводят в кратковременное соприкосновение и вновь разводят на небольшое расстояние. Быстро повторяя одно за другим замыкание и размыкание, производят оплавление всего сечения. Затем делается осадка, в процессе которой выключают ток.

Методом оплавления можно сварить заготовки из разнородных материалов с сечением сложной формы без подготовки поверхности стыка.

Глава IV

Газовая сварка.

§ 1. Сущность процесса.

Сущность газовой сварки заключается в том, что присадочный и основной металлы расплавляются за счёт теплоты газового пламени, получаемой при сгорании горючего газа в смеси с кислородом.

В качестве горючего газа применяется ацетилен, обладающий наибольшей теплотворной способностью по сравнению с другими горючими, но также используется водород, нефтяной газ, бензин, керосин.

Чаще всего газовую сварку применяют при изготовлении листовых или трубчатых конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной до 3…5 мм, при исправлении дефектов в отливках из серого чугуна и бронзы, а также для сварки цветных металлов и их сплавов.

§ 2. Аппаратура для газовой сварки.

Промышленный способ получения ацетилена заключается в разложении карбида кальция в воде. Аппараты, в которых получают ацетилен, называются ацетиленовыми генераторами.

В зависимости от принципа взаимодействия карбида кальция (СаС₂) с водой различают такие системы генераторов:

1. “карбид в воду”

2. “вода на карбид”

3. генератор контактной системы с вариантом “погружение” и “вытеснение”.

Генераторы бывают также низкого и среднего давления. Они могут быть стационарными и переносными.

Инструментом для газовой сварки являются сварочные горелки. Их различают по способу подачи горючего газа в камеру смешения – инжекторные и безинжекторные; по размеру и весу – нормальные и облегчённые; по числу сопел – односопловые и многосопловые.

Инжекторные горелки работают на ацетилене низкого и среднего давления от 0,01…0,5 кг/см² и при давлении кислорода 1…5 кг/см².

Инжекцией наз. подсос ацетилена в камеру смешения струёй кислорода. Горелки этого типа имеют 7 сменных наконечников, служащих для регулирования мощности пламени.

Безинжекторные горелки отличаются от инжекторных тем, что питание от баллонов происходит через специальный редуктор выравнивающий давление ацетилена и кислорода.

§ 3. Техника и режим газовой сварки.

Различают два способа ведения сварочного процесса: правый и левый.

Сущность правого способа состоит в том, что пламя горелки перемещается слева направо и направлено на горячий металл шва, а присадочная проволока движется позади горелки. Этот способ применяется при толщине металла более 5 мм.

Левый способ сварки отличается тем, что пламя горелки перемещается справа налево и направленно на холодный металл, а присадочная проволока движется впереди горелки. Применяется при сварке листов из легкоплавких металлов и сплавов толщиной до 4 мм и вертикальных швов.

Режим газовой сварки определяется выбранным диаметром присадочного металла и мощностью газосварочного пламени. Диаметр присадочной проволоки (до 6…8 мм) зависит от способа сварки и толщины свариваемого металла.

§ 4. Термитная сварка.

Термитами наз. порошкообразные смеси металлов с окислами металлов, которые, сгорая, выделяют значительное количество теплоты и развивают при этом высокую температуру.

Наиболее распространенными являются алюминиевый и магниевый термит.

Алюминиевый термит состоит из 23% порошка алюминия и железной окалины (Fe₃O₄) – 77%. Для воспламенения термита нужна высокая температура, поэтому зажигание его производят дугой, специальным запалом и термоспичками. Горение протекает быстро, в течение нескольких секунд, температура достигает 3000ºС.

Существует 3 способа термитной сварки – способ промежуточного литья, сварка впритык и комбинированный способ сварки, которые могут осуществляться как с применением давления, так и без него.

Термитную сварку применяют при ремонте поломанных литых изделий, приваривания сломанных зубьев зубчатых колес.

Магниевый термит – порошкообразная смесь металлического магния и железной окалины.

Магниевый термит используется в основном для сварки стальных телеграфных и телефонных проводов воздушных линий связи.