Сварка. Основы сварки. Дуговые методы сварки
1.1. Классификация способов сварки. Типы сварных соединений и сварные швы
В разработке методов получения неразъемных соединений металлов и сплавов (в частности, сварки) ведущая роль принадлежит российским инженерам и ученым. Явление дугового электрического разряда в газе (электрическая дуга) было открыто в 1802 г. профессором Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петровым (1761–1834), который указал на возможность применения этого разряда для электрического освещения и плавки металлов.
Дуговой электрический разряд для сварки впервые применил Н. Н. Бенардос (1842–1905). Он использовал неплавящийся угольный электрод для соединения свинцовых пластин аккумуляторов. Этот способ сварки Н. Н. Бенардос продемонстрировал на всемирной выставке в Париже в 1881 г. Официально его изобретение сварки было признано в 1882 г ., а патент на
«Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока» был выдан в 1885 г. Сущность способа сварки по Бенардосу — сварка неплавящимся электродом.
В 1888 г. Н. Г. Славянов (1854–1897) разработал и применил способ сварки металлическим электродом, который плавился и непосредственно участвовал в формировании металлического шва. Сущность сварки по Славянову — сварка плавящимся электродом.
Предложенные Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым новые методы получения неразъемных соединений явились основой всех создаваемых способов дуговой сварки. Их усовершенствование шло по двум направлениям: поиск средств защиты и металлургической обработки металла сварочной ванны, а также автоматизация процесса сварки.
Шведский ученый О. Кьельберг (1870–1931) в 1911 г. предложил использовать плавящийся электрод с покрытием, способствующим стабилизации горения дуги и улучшению качества сварного шва. Разработанные О. Кьельбергом составы покрытий позволили сократить попадание азота и кислорода в сталь, устранить проблему хрупкости, пористости и неоднородности сварного шва.
Большой вклад в развитие теоретических и практических основ сварки внесли советские ученые Е. О. Патон (1870–1953) и В. П. Вологдин (1881– 1953), которые в 1920–30 гг. явились организаторами широкого применения сварки в машиностроении, судостроении, строительстве и др.
Сварка широко используется в современном машиностроении, электронике, строительстве. Применение сварки при создании различных конструкций позволяет более эффективно использовать прокат, поковки и отливки, на изготовление которых расходуется около половины всей выплавляемой стали.
Сварка — это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании (ГОСТ 2601-84).
Для создания межатомных связей необходимо сближение атомов контактирующих поверхностей на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки, т. е. на межатомное расстояние. Если такое сближение происходит, возникшие силы межатомного или межмолекулярного взаимодействия обеспечивают образование устойчивых межатомных связей, и, следовательно, прочного неразъемного соединения. Однако, в реальных условиях сближению атомов на расстояния межатомных взаимодействий препятствует наличие на соединяемых поверхностях микронеровностей (шероховатости), оксидных, масляных и других загрязнений. Эти негативные факторы можно устранить нагревом зоны контакта до расплавления или ее пластическим деформированием. В результате плавления этой зоны микронеровности расплавляются, а загрязнения всплывают наверх расплава. При пластическом деформировании зоны контакта микронеровности сглаживаются и исчезают, а присутствующие на ее поверхности загрязнения разрушаются и вытесняются из зоны контакта.
Рассмотренные способы воздействия на зону контакта для установления межатомных связей позволяют разделить существующие виды сварки на две группы: сварку плавлением и сварку давлением. Сварка плавлением — сварка, осуществляемая плавлением кромок свариваемых деталей без приложения давления. В результате оплавления кромок соединяемых деталей между ними образуется общая жидкая ванна из расплавленного металла. При дальнейшем ее охлаждении и кристаллизации создаются прочные атомно-молекулярные связи, и происходит соединение деталей в единое целое.
Сварка давлением — сварка, осуществляемая за счет пластической деформации контактирующих поверхностей соединяемых деталей при температуре, как правило, ниже температуры плавления. При приложении нагрузки происходит пластическое течение металла в зоне контакта, приводящее к смятию микронеровностей и изменению рельефа поверхностей, разрушению и вытеснению загрязнений из зоны контакта. В результате этого происходит сближение содиняемых поверхностей на межатомное расстояние и образование прочных атомно-молекулярных связей. Пластическое деформирование металла в твердом состоянии требует значительных усилий, поэтому для их уменьшения применяют подогрев зоны контакта, приводящий к повышению пластичности металла в десятки раз.
Особенности применения сварки плавлением и давлением. Различия в механизмах установления межатомных связей при сварке способами плавления и давления обусловливают возможности их практического использования при изготовлении тех или иных конструкций деталей, узлов и изделий.
Так, методы сварки плавлением (в отличие от сварки давлением) позволяют:
1) производить сварку в монтажных, цеховых и полевых условиях (ручная дуговая и газовая сварка);
2) осуществлять сварку металлических заготовок толщиной от нескольких микрометров (микроплазменная сварка) до 1 м и более (электрошлаковая сварка);
3) сваривать конструкции различных габаритных размеров практически неограниченной длины, например, магистральные газои нефтепроводы (дуговые методы сварки);
4) изменять химический состав металла шва, применяя сварочную проволоку и присадочный материал различного химического состава, вводя легирующие элементы в электродное покрытие и флюсы (дуговые методы сварки, газовая сварка);
5) осуществлять сварку в любых пространственных положениях, а также в космосе и под водой (дуговые методы сварки).
В свою очередь, методы сварки давлением (в отличие от сварки плавлением), позволяют:
1) расширить диапазон свариваемых материалов, в том числе разнородных металлов (медь – титан, коррозионно-стойкая сталь – углеродистая сталь, твердый сплав – углеродистая сталь и др.), а также неметаллических материалов (керамика – керамика, керамика – металл, полимер – металл) (сварка взрывом, ультразвуковая, диффузионная);
2) механизировать и автоматизировать процессы сварки и, тем самым, повысить производительность получения сварных соединений (контактные способы сварки, ультразвуковая, холодная, индукционная);
3) уменьшить вероятность возникновения трещин, пористости, появления хрупких интерметаллических и шлаковых включений и, тем самым, повысить качество сварных соединений.
Помимо разделения видов сварки на группы по способам установления межатомных связей, ее также классифицируют по физическим, техническим и технологическим признакам.
По физическим признакам, характеризуемым формой вводимой энергии, обеспечивающей (или не обеспечивающей) расплавление соединяемых поверхностей, и отсутствием (или наличием) давления, все виды сварки подразделяют на три класса: термический, термомеханический, механический.
К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием только тепловой энергии, приводящей к расплавлению соединяемых поверхностей, и отсутствием давления (дуговая сварка, электрошлаковая, плазменная, электроннолучевая, газовая, термитная, лазерная и др.). Термический класс соответствует группе способов сварки плавлением.
К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления, причем вводимая тепловая энергия, как правило, не приводит к расплавлению зоны соединения (контактная сварка, газопрессовая, диффузионная, индукционная и др.).
К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (сварка трением, взрывом, холодная сварка, ультразвуковая, магнитноимпульсная и др.).
Термомеханический и механический классы соответствуют группе способов сварки давлением.
К техническим признакам, характеризующим сварку, относятся следующие: способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень его механизации.
По способу защиты металла в зоне сварки различают сварку в воздушной среде, в защитном газе, под флюсом и др.
По непрерывности процесса сварку разделяют на непрерывную и прерывистую.
По степени механизации процесса сварка бывает:
1) ручная — сварка, выполняемая человеком с помощью инструмента, получающего энергию от специального источника;
2) механизированная — сварка, выполняемая с применением машин и механизмов, управляемых человеком;
3) автоматическая — сварка, выполняемая машиной, действующей (без непосредственного участия человека) по заданной программе.
Сварным соединением называют участок конструкции, в котором отдельные ее элементы соединены с помощью сварки.
По форме сопряжения свариваемых элементов различают следующие типы сварных соединений: стыковые, тавровые, угловые, нахлесточные и торцовые (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Типы сварных соединений (ГОСТ 2601-84)
Тип соединения (определение) | Схема соединения |
Стыковое соединение — сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями |
|
Угловое соединение — сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев |
|
Нахлесточное соединение — сварное соединение, в котором сваренные элементы расположены параллельно друг другу и частично перекрывают друг друга |
|
Тавровое соединение — сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом к боковой поверхности другого элемента и приварен к ней |
|
Торцовое соединение — сварное соединение, в котором боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к другу |
|
Следует отметить, что в сварном соединении присутствуют совокупности зон, образующихся в материале в процессе сварки. Зоны могут отличаться между собой и от основных материалов по химическому составу, структуре, а также физическим, механическим и другим свойствам.
В сварном соединении, выполненном сваркой плавлением, присутствуют следующие зоны: сварной шов, зонармтеического влияния и зона прилегающего основного материала, сохраняющего присущие ему свойства и структуру (рис. 3.1, а).
Сварное соединение, выпол-
ненное сваркой давлением, состоит из зоны сварного шва, зоны механического влияния и зоны основного металла (рис. 3.1, б).
Рис. 3.1. Сварное соединение, выполненное сваркой плавлением (а ) и сваркой давлением (б): 1 — сварной шов; 2 — зона термического влияния; 3 — зона основного материала; 4 — зона механического влияния
В сварном шве при сварке плавлением материал представляет собой сплав, образованный переплавленными основными и дополнительными (электродным и присадочным) материалами или только основными материалами. В зоне термического влияния основной материал не расплавляется, но на отдельных участках зоны под действием нагрева и охлаждения изменяются его свойства и структура.
Сварной шов — участок сварного соединения, образовавшийся в результате плавления и последующей кристаллизации расплавленного металла (при сварке плавлением) или в результате пластической деформации и последующей диффузии (при сварке давлением). Сварной шов является связующей частью соединяемых элементов, определяет геометрическую форму, сплошность, прочность и другие свойства металла непосредственно в месте сварки.
Сварные швы подразделяются по форме поперечного сечения шва, по протяженности, по способу выполнения, по пространственному положению, по положению относительно действующего усилия и по форме подготовки кромок.
Рис. 3.2. Классификация сварных швов по форме поперечного сечения: а — стыковой; б — угловой; в — точечный (прорезной)
По форме поперечного сечения сварные швы подразделяют на стыковые, угловые и точечные (рис. 3.2). Стыковой шов — сварной шов стыкового соединения (рис. 3.2, а). Угловой шов — сварной шов углового, нахлесточного или таврового соединений (рис. 3.2, б). Точечный (прорезной) шов — сварной шов нахлесточного соединения, в котором связь между сваренными частями осуществляется сварными точками (рис. 3.2, в).
По протяженности сварные швы подразделяют на непрерывные и прерывистые. Непрерывный шов — сварной шов без промежутков по длине. Прерывистый шов — сварной шов с промежутками по длине. Стыковые сварные швы, как правило, выполняют непрерывными. Угловые и тавровые швы могут быть непрерывными и прерывистыми.
Рис. 3.3. Многослойный шов
По способу выполнения сварка бывает: односторонняя и двусторонняя, а также однослойная и многослойная. Многослойный шов применяют при сварке изделий большой толщины, а также для уменьшения зоны термического влияния. Под слоем сварного шва (I…IV) понимают часть металла сварного шва, которая состоит из одного или нескольких валиков (1…5), располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва (рис. 3.3). Валик — металл сварного шва, наплавленный за один проход. Под проходом при сварке подразумевается однократное перемещение в одном направлении источника тепла.
По пространственному положению (с учетом международных стандартов) различают следующие сварные швы: горизонтальные и вертикальные (на вертикальной плоскости), потолочные и нижние (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Положение шва при сварке стыковых и тавровых соединений листов: а — горизонтальное; б — вертикальное; в — потолочное; г — нижнее
По положению относительно действующего усилия швы могут быть лобовыми, фланговыми, косыми и комбинированными (рис. 3.5). Лобовой шов расположен перпендикулярно усилию (рис. 3.5, а), фланговый — параллельно (рис. 3.5, б), косой — под углом (рис. 3.5, в). Эти определения относятся к угловым швам нахлесточных соединений.
Рис. 3.5. Расположение швов относительно действующего усилия: а — лобовой; б — фланговый; в — косой; г — комбинированный
Конструктивные элементы подготовки кромок изделия регламентируются ГОСТ 5264-80 ( для ручной дуговой сварки) и ГОСТ 8713-70 (для автоматической сварки под слоем флюса). Вид подготовки кромок зависит от толщины свариваемых деталей, способа сварки, а также технологических и конструктивных особенностей свариваемого изделия.
1.2. Зона термического влияния и свариваемость металлов
Зона термического влияния — прилегающий к сварному шву участок основного металла, в котором в результате термического воздействия произошли изменения структуры и свойств.
Температура нагрева различных участков зоны термического влияния находится в пределах от температуры плавления (вблизи шва) до начальной температуры основного металла. Строение и размеры зоны термического влияния зависят от химического состава и теплофизических характеристик свариваемого металла, а так же от температурного режима (термического цикла) сварки.
Рассмотрим строение зоны термического влияния на примере малоуглеродистой стали. В соответствии с диаграммой состояния Fe–Fе3С зона термического влияния состоит из шести характерных участков (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Изменение микроструктуры металла в зоне термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали
Первый участок (участок неполного расплавления) непосредственно примыкает к металлу шва (наплавленному металлу). Этот участок формируется из двухфазного (жидкость – твердое тело) состояния и, подобно наплавленному металлу, имеет дендритное строение. Именно здесь и происходит сварка. Участок имеет небольшую ширину и по химическому составу и структуре отличается от соседнего участка 2 основного металла.
Совокупность первого участка околошовной зоны и пограничного участка металла шва называют зоной сплавления или переходной зоной. Свойства этой зоны в ряде случаев оказывают решающее влияние на работоспособность сварных конструкций, т. к. при динамических нагрузках здесь чаще всего образуются трещины.
Второй участок околошовной зоны, получивший название участка перегрева 2 (участок крупного зерна), включает металл, нагретый от температуры ~ 1 200 °С до температуры плавления. Металл на этом участке претерпевает полиморфное превращение α-Fe – γ-Fe. При значительном перегреве относительно точки Ас3 происходит рост аустенитного зерна. Обычно металл на втором участке околошовной зоны обладает худшими свойствами, чем основной металл. Задача выбора рациональной технологии сварки сводится, в первую очередь, к обеспечению наименьшего ухудшения свойств металла на этом участке.
Третий участок околошовной зоны получил название участка перекристаллизации (нормализации). Он включает металл, приобретший в процессе нагрева выше Ас3 полностью аустенитную структуру, а при умеренном охлаждении – мелкокристаллическое строение. Этот участок обладает хорошими механическими свойствами.
Четвертый участок околошовной зоны, получивший название участка неполной перекристаллизации, включает металл, нагретый от температуры, при которой начинается превращение α-Fe– γ-Fe (727 °С), до температуры ~ 880 °С (между точками Ac1 и Ас3). Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки (феррит), присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации (перлит).
На пятом участке основной зоны, именуемом участком рекристаллизации, металл нагревается до 727 ° С. Здесь происходит пеекристаллизация раздробленных при пластическом деформировании зерен основного металла и некоторое разупрочнение его по сравнению с исходным состоянием. Структура этой зоны мало отличается от структуры основного металла.
Кроме того, в зону термического влияния входит участок синеломкости 6. При температуре 200…500 ° С происходит процесс старения — закрепление атомами внедрения дислокаций, вызывающих уменьшение их подвижности и повышение хрупкости.
В случае многопроходных швов околошовная зона располагается не только в основном металле, но и в металле шва. При этом ее строение в пределах шва значительно отличается от строения в основном металле. Как правило, в пределах первых трех участков наблюдается образование мелкозернистых структур, обладающих повышенной пластичностью. При этом зона крупного зерна отсутствует.
В зоне термического влияния и на ее границе с участком основного металла с неизмененной структурой и свойствами возникают внутренние напряжения, приводящие к возникновению холодных и горячих трещин, пластической деформации сварного соединения, окислению, образованию пор и других дефектов. Эти изменения являются основными общими критериями свариваемости материалов.
Свариваемость — это технологическое свойство, характеризующее способность металлов и сплавов образовывать надежные в эксплуатации сварные соединения. Металлы и сплавы обладают различной способностью к свариваемости. Свариваемость металлов зависит от их природы и особенностей применяемого метода сварки.
Свариваемость — сложное, комплексное свойство материалов. Его нельзя определить с помощью одного испытания или по одной методике. Оценка свариваемости непосредственно связана с характеристикой материала и условиями его эксплуатации. Однако некоторые критерии оценки свариваемости являются достаточно общими для многих металлов и сплавов. Наилучшей свариваемостью обладают металлы с хорошей взаимной растворимостью, высокой теплопроводностью, незначительным коэффициентом линейного и объемного расширения и малой усадкой.
Количественным показателем свариваемости стали, которая является основным материалом для получения сварных конструкций, служит
эквивалентное содержание углерода Сэ. Оно равно количеству углерода и легирующих элементов. В зависимости от эквивалентного содержания углерода (и связанной с этим склонностью к закалке и образованию трещин) стали по свариваемости делят на четыре группы.
К группе 1 ( хорошая свариваемость, Сэ < 0,25 %) относятся стали, сварка которых может быть выполнена без их подогрева (до сварки и в процессе сварки) и без последующей термообработки. При этом для снятия внутренних напряжений не исключается применение термообработки.
К группе 2 (удовлетворительная свариваемость, Сэ = 0,25...0,35 %) относятся преимущественно стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещины не образуются, а также стали, которые для предотвращения трещин нуждаются в предварительном подогреве и последующей термообработке.
К группе 3 ( ограниченная свариваемость, Сэ = 0,36...0,45 %) относятся стали, склонные к образованию трещин в обычных условиях сварки. Их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Большинство сталей этой группы термически обрабатывают и после сварки.
К группе 4 ( плохая свариваемость, Сэ > 0,45 %) относятся стали, наиболее трудно сваривающиеся и склонные к образованию трещин. Их обязательно подвергают предварительной термообработке, подогревают в процессе сварки и осуществляют последующую термообработку.
Свариваемость основных марок сталей предсталена в таблице 3.2.
Чугун относится к категории плохо свариваемых сплавов. Детали из чугуна сваривают при ремонте деталей и исправлении дефектов в отливках. При сварке чугунных изделий металл шва получает структуру белого чугуна, а зона термического влияния закаливается. Это затрудняет механическую обработку сварных соединений и может привести к образованию трещин. Поэтому сварку чугунных изделий выполняют с предварительным подогревом свариваемых деталей до температуры 400...700 °С.
Таблица 3.2
Классификация сталей по свариваемости
| |||||||||||||||||||||||
Трудности, возникающие при сварке медных изделий, связаны с высокой теплопроводностью меди и ее пониженной стойкостью к порообразованию в швах. Высокая теплопроводность меди (в 6 раз больше, чем у стали) требует более концентрированного нагрева (значительная величина теплового расширения меди приводит к существенным тепловым деформациям и напряжениям). Поэтому при сварке меди часто возникает необходимость в предварительном и сопутствующем подогреве основного металла.
Проблемами, возникающими при сварке изделий из латуни, являются значительная потеря цинка (вследствие его испарения) и поглощение газов жидким металлом. Испарение цинка связано с низкой температурой его кипения. Чтобы уменьшить теплоотвод от сварочной ванны и создать условия для более полного удаления из нее растворившихся газов, целесообразно нагревать основной металл перед сваркой до температуры 250...300 °С.
Свариваемость бронзовых изделий в значительной степени зависит от состава бронз. Особые трудности вызывает сварка изделий из литейных оловянных бронз. Их предварительно нагревают (но не перегревают, поскольку избыточное олово, оставшееся на границах зерен, при перегреве легко расплавляется и снижает прочость наплавленного металла). В этой связи сварку изделий из литейных оловянных бронз производят, чаще всего, газовой сваркой (нормальным ацетиленокислородным пламенем с замедленным охлаждением металла).
Трудности при сварке изделий из алюминиевых и магниевых сплавов обусловлены образованием тонких прочных и тугоплавких оксидных пленок, которые имеют более высокую температуру плавления и большую удельную плотность, чем основной металл. Так, температура плавления А12О3, равна 2 323 К, а МgО — 3 073 К. Это приводит к тому, что при сварке деталей пленки оксидов препятствуют сплавлению кромок. Для осуществления процесса сварки нужного качества необходимо удалять оксиды с поверхности кромок (механическая зачистка, специальное травление) до и в процессе сварки.
Наиболее часто применяется сварка деталей из сплавов алюминия и магния в среде инертных газов (аргон, гелий) вольфрамовым или плавящимся электродом. Оксидная пленка в этом случае разрушается под воздействием ударов положительно заряженных ионов аргона или гелия. В ряде случаев для соединения деталей из этих сплавов используют и другие виды сварки (электроннолучевую, холодную, а также ультразвуком, взрывом и трением).
1.3. Дуговые методы сварки
Следует отметить, что по своей простоте и универсальности ни один вид сварки пока еще не может конкурировать с дуговой сваркой (на нее приходится более 60 % всего объема сварочных работ).
Дуговая сварка — сварка плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой.
Источник теплоты при дуговой сварке — электрическая (сварочная) дуга, которая горит между электродами и заготовкой. В зависимости от материала электродов и их числа, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие виды дуговой сварки:
1) сварка неплавящимся (угольным, графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3 либо с применением присадочного металла 4 (рис. 3.7, а);
Рис. 3.7. Виды дуговой сварки: а — сварка неплавящимся электродом; б — сварка плавящимся электродом; в — сварка дугой косвенного действия; г — сварка трехфазной дугой
Рис. 3.8. Дуговая сварка: а — дугой прямой полярности; б — дугой обратной полярности
2) сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой прямого действия 2 с одновременным расплавлением основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом (рис. 3.7, б);
3) сварка косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами 1; при этом основной металл 3 нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рис. 3.7, в);
4) сварка трехфазной дугой 6, при которой дуга горит между двумя электродами 1, а также между каждым электродом и основным металлом 3 (рис. 3.7, г).
Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку дугой прямой полярности и дугой обратной полярности. При прямой полярности (рис. 3.8, а) электрод
подключают к отрицательному полюсу (катоду), а свариваемое изделие — к положительному (аноду). При обратной полярности (рис. 3.8, б) электрод подключают к положительному полюсу (аноду), а свариваемое изделие — к отрицательному (катоду). При питании дуги переменным током ее полярность постоянно меняется. Сварочная дуга и ее свойства. Сварочной дугой называют мощный устойчивый электрический разряд между электродами, находящийся в среде ионизированных газов и паров. Процесс зажигания дуги между электродами, одним из которых является свариваемое изделие, чаще всего осуществляют коротким замыканием электрода на изделие, для чего сварщик на мгновение прикасается электродом к изделию (рис. 3.9, а), а затем размыканием этой электрической цепи
(сварщик отводит электрод на 3...6 мм от изделия) (рис. 3.9, б).
Рис. 3.9. Схема процесса зажигания дуги
При коротком замыкании контактирующие микровыступы на изделии и электроде нагреваются до температуры кипения, обеспечивая испускание электронов (термоэлектронная эмиссия). В момент размыкания между электродом и изделием возникает электрическое поле большой напряженности, величина которого достигает 1,5 × 1012 В/см. Это поле обеспечивает еще более мощное испускание электронов (автоэлектронная эмиссия). В межэлектродном промежутке электроны и ионы на своем пути многократно сталкиваются с молекулами газа, ионизируя их, в результате чего поток носителей электрических зарядов лавинообразно возрастает — происходит ионизация сварочного промежутка. Электроны и отрицательные ионы бомбардируютвперохность анода, а положительные ионы бомбардируют поверхность катода. При этом кинетическая энергия носителей тока преобразуется главным образом в тепловую энергию. Поверхности электродов нагреваются и примерно через 10-6 с между ними зажигается сварочная дуга (рис. 3.9, в).
Зажигание сварочной дуги может происходить без короткого замыкания и отвода электрода. Для этого в сварочную цепь на короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор), который с помощью высокочастотного электрического разряда обеспечивает первоначальную ионизацию промежутка между электродом и изделием. Этот способ применяется для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом.
В установившейся сварочной дуге (рис. 3.10) различают три зоны: катодную, анодную и столб дуги. Катодная зона, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода (при сварке дугой прямой полярности — на электроде, обратной полярности — на изделии). Из этой области вылетает поток свободных электроов, ионизирующих дуговой промежуток. К катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют его, отдавая свою энергию, и нагревают катод до температуры 2 500...3 000 °С.
Рис. 3.10. Строение сварочной дуги: 1 — электрод; 2 — катодное пятно; 3 — столб дуги; 4 — анодное пятно; 5 — сварочная ванна; 6 — свариваемый металл
Анодная зона, называемая анодным пятном, расположена на торце анода (при сварке дугой прямой полярности — на изделии, обратной полярности — на электроде). К анодному пятну устремляются и отдают ему свою энергию потоки электронов, накаляя его до температуры 2 500...4 000 °С. В анодной области дуги, как правило, выделяется больше тепловой энергии, чем в катодной.
Столб дуги расположен между катодной и анодной зонами. В зависимости от плотности сварочного тока температура в этой зоне составляет 6 000...7 000 °С.
При питании дуги постоянным током около 42...43 % теплоты выделяется на аноде, 36...38 % — на катоде и 20...21 % — в столбе дуги. Поэтому температура анода всегда выше температуры катода. При сварке дугой переменного тока температуры анода и катода выравниваются вследствие периодической смены полярности, а количество выделяемой теплоты распределяется следующим образом: половина (50 %) идет на нагрев изделия, около 30 % — на нагрев электрода и почти 20 % — на нагрев окружающей среды
(потери тепла).
Электрические свойства сварочной дуги описываются статической вольтамперной характеристикой — зависимостью между напряжением и током сварочной дуги при устойчивом ее горении (рис. 3.11). Она состоит из трех участков: I — падающего, II — жесткого, III — возрастающего. На участке I с повышением силы тока увеличивается степень ионизации дуги, и напряжение для ее поддержания
уменьшается. На участке II пропорционально силе тока возрастает сечение дуги, при этом плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными. На участке III при повышении тока рост сечения дуги ограничивается сечением электрода, в результате чего увеличиваются сила тока и напряжение дуги.
Каждому участку статической вольтамперной характеристики дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну: на I и II участках — крупнокапельный, на III — мелкока пельный или струйный.
На участке I дуга малоустойчива, поскольку незначительное изменение величины тока приводит к значительному изменению напряжения и к обрыву дуги (дуга гаснет). Такая дуга имеет ограниченное применение. Поэтому большее применение имеет дуга на жестком II и возрастающем III участках.
Источники питания электрической дуги. Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную внешнюю вольтамперную характеристику. Внешней вольтамперной характеристикой источника тока называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от силы тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующими (рис. 3.12): падающая 1, пологопаающая 2, жесткая 3, возрастающая 4.
Рис. 3.11. Статическая вольтамперная характеристика
Рис. 3.12. Внешние вольт-амперные характеристики источников тока
Рис. 3.13. Совмещенная вольтамперная характеристика дуги и источника тока
Режимы горения дуги определяются точками пересечения характеристик дуги 1 и источника тока 2 (рис. 3.13). Точка А соответствует режиму холостого хода в работе источника тока в период, когда
дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Точка В называется точкой зажигания и неустойчивого горения дуги. Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги. Точка D соответствует режиму короткого замыкания при зажигании дуги (в момент касания электродом изделия) и ее замыкании каплями жидкого электродного меалла. Короткое замыкание характеризуется малыминемапряжен ,
стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током.
Для питания дуги на жестком участке II (рис. 3.11) применяют источники с падающей или пологопадающей характеристикой, а на возрастающем участке III (рис. 3.11) — источники с любой внешней характеристикой, в том числе жесткой или возрастающей.
Источники сварочного тока с падающей характеристикой обладают рядом преимуществ. При использовании таких источников за счет повышенного напряжения холостого хода легче осуществляется зажигание дуги, обеспечивается устойчивое ее горение и постоянная проплавляющая способность, а также ограничивается величина тока короткого замыкания, чем гарантируется отсутствие перегрева токопроводящих проводов и источников тока.
Источники питания электрической дуги при работе на установившихся режимах характеризуются следующими параметрами: номинальным током, пределами регулирования сварочного тока, напряжением холостого хода, номинальным рабочим напряжением, продолжительностью работы, коэффициентом полезного действия.
Номинальный ток определяет расчетное значение сварочного тока источника. Для большинства источников питания дуги значения номинальных токов находятся в пределах 50...1 000 А.
Пределы регулирования сварочного тока указывают минимальные и максимальные значения тока, которые могут быть использованы при сварке. В большинстве случаев за максимальный ток принимают номинальный ток. Отношение максимального тока к минимальному показывает кратность регулирования, которая обычно составляет не менее трех.
Напряжение холостого хода в значительной мере определяет условия зажигания и повторного возбуждения дуги. В зависимости от назначения источника питания напряжение холостого хода может изменяться от 30 до 120 В.
Номинальное рабочее напряжение характеризует напряжение на зажимах источника питания под нагрузкой. Обычно оно равно
16...30 В. Для мощных источников питания при сварочном токе
600 А и более рабочее напряжение может составлять 44 В и выше.
Коэффициент полезного действия η характеризует потери энергии в самом источнике.
Для различных источников питания η составляет 45...98 %.
Источники питания дуги должны обеспечивать надежное зажигание дуги (начальное и повторные), ее горение и стабильный процесс сварки, качественное формирование сварного шва. Они должны способствовать благоприятному переносу электродного металла и его наименьшим потерям из-за разбрызгивания и угара.
Источники питания дуги в зависимости от рода тока подразделяются на источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы).
Преимуществами сварки с использованием источников постоянного тока являются следующие:
1) более устойчивое горение дуги (из-за отсутствия затуханий, связанных с изменением полярности при переменном токе);
2) высокое качество сварки, благодаря стабильности горения дуги постоянного тока;
3) улучшение условий сварки в различных пространственных положениях;
4) возможность выполнения сварки дугой как прямой полярности, так и обратной, когда, изменяя полярность дуги, можно регулировать соотношение нагрева электрода и изделия и, используя дугу обратной полярности, производить сварку изделий электродами с тугоплавкими покрытиями и флюсами.
Сварочные трансформаторы являются однофазными понижающими трансформаторами, преобразующими высокое напряжение электрической сети (220 или 380 В) в низкое напряжение сварочной цепи — напряжение холостого хода (60...80 В). Они имеют, в основном, крутопадающие и пологопадающие внешние вольтамперные характеристики и состоят из магнитопровода (сердечника),
первичной и вторичной обмоток, устройства, обеспечивающего регулирование тока. Падающая характеристика обеспечивается за счет индуктивного сопротивления в самом трансформаторе или включения в цепь дуги дополнительного индуктивного сопротивления — реактивной катушки.
Сварочные трансформаторы применяются для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом, а также для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом. Их используют при изготовлении неответственных металлических конструкций из углеродистых сталей и некоторых цветных металлов и сплавов.
Сварочный трансформатор стоит в 2...4 раза дешевле сварочного выпрямителя и в 6...10 раз сварочного агрегата аналогичной мощности. Его КПД составляет 90 %, в то время как КПД сварочного выпрямителя
— 70 %, а сварочного генератора — 45 %. Сварочные трансформаторы долговечны и надежны в работе, просты в эксплуатации и ремонте. Однако использование переменного тока промышленной частоты (50 Гц) приводит к неустойчивому горению электрической дуги, нестабильности режимов сварки, а также к необходимости использования специальных электродов для переменного тока.
Сварочные выпрямители состоят из трехфазного понижающего трансформатора, выпрямительного блока, измерительной и защитной аппаратуры. Внешняя вольтамперная характеристика сварочного выпрямителя определяется вольтамперной характеристикой трансформатора и может быть как крутопадающей, так и жесткой.
Сварочные выпрямители применяются для ручной дуговой сварки, сварки под флюсом, сварки в среде углекислого газа.
Преимуществами выпрямителей являются плавное дистанционное регулирование режимов сварки и их стабилизация при изменении напряжения в сети.
Сварочные генераторы являются сложными электромеханическими устройствами, состоящими из двигателя и генератора, объединенными на общей базе. В таком устройстве механическая энергия вращения вала двигателя преобразуется генератором в постоянный электрический ток, поддерживающий устойчивое горение сварочной дуги. Если функции двигателя выполняет электрический двигатель, то такое устройство называют сварочным преобразователем, а если двигатель внутреннего сгорания — сварочным агрегатом. Сварочные агрегаты используют в тех местах, где отсутстует электричество (на новостройках, на монтажных работах в полевых условиях, при сварке газои нефтепроводов, при прокладке линий электропередач и т. п.).
В зависимости от назначения сварочные генераторы могут иметь падающую или жесткую внешнюю вольтамперную характеристику. Они применяются для ручной дуговой сварки плавящимися электродами, сварки под флюсом, сварки в защитных газах.
В настоящее время все шире применяются инверторные сварочные источники питания, выпуск которых составляет около 70 % от всего выпускаемого сварочного оборудования. Их особенность заключается в том, что переменное напряжение сети частотой 50 Гц с помощью управляемого транзисторного инвертора преобразуется в высокочастотное напряжение частотой 20...60 кГц . Инверторный источник питания обычно состоит из входного низкочастотного выпрямителя, инвертора, высокочастотного трансформатора, выходного высокочастотного выпрямителя, блока управления (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Схема инверторного источника питания: НВ — низкочастотный выпрямитель; ИН — инвертор; Тр — высокочастотный трансформатор; ВВ — высокочастотный выпрямитель; Rш — шунт; БУ — блок управления
Основными этапами преобразования тока в сварочном инверторном источнике являются следующие:
1) выпрямление переменного сетевого напряжения частотой 50 Гц
(рис. 3.15, а) в низкочастотном выпрямителе (НВ) (рис. 3.15, б);
2) преобразование полученного выпрямленного напряжения с повышенными пульсациями в переменное напряжение высокой частоты с помощью инвертора (ИН) (рис. 3.15, в);
3) понижение переменного напряжения высокой частоты импульсным высокочастотным трансформатором (Тр) до значения, соответствующего напряжению сварки, с формированием необходимого вида вольтамперной характеристики (рис. 3.15, г);
4) преобразование высокочастотным выпрямителем (ВВ) переменного напряжения высокой частоты, имеющего величину сварочного напряжения, в постоянное напряжение со сглаживанием пульсаций тока (рис. 3.15, д).
Рис. 3.15. Этапы преобразования тока в сварочном инверторном источнике
Универсальные инверторные сварочные выпрямители позволяют существенно снизить массу и габаритные размеры источника питания. Малая инерционность и высокие динамические свойства позволяют на основе инверторных выпрямителей реализовать перспективные схемы управления сварочными процессами, повышая их производительность и качество.
Инверторные выпрямители могут иметь любую форму внешней вольтамперной характеристики.
Инверторные источники питания применяются при механизированной сварке в углекислом газе и смесях газов, при ручной дуговой сварке и сварке неплавящимся электродом в инертных газах.
Особые технологические свойства имеют импульсные инверторные источники сварочного тока, разработанные на основе универсальных и инверторных выпрямителей. Специальные блоки управления работой тиристоров и транзисторов позволяют получать ток в виде импульсов различной формы (прямоугольных, экспоненциальных) с разными периодами и временем следования импульсов. Главное достоинство импульсных источников тока заключается в существенном снижении подвода тепла при сварке, что позволяет сваривать металл малой толщины без опасности прожога и недопустимого разбрызгивания металла электрода.
Преимуществами инверторных источников питания являются следующие:
1) высокий КПД (85...95 %);
2) небольшая масса (5...10 кг) и габаритные размеры (в 8...9 раз меньше, чем у сварочных трансформаторов), удобство переноски и доставки источника к месту сварки;
3) возможность плавного регулирования сварочного тока в значительно более широких пределах (от нескольких единиц до тысяч ампер);
4) отсутствие разбрызгивания электродов, что обеспечивает минимальный расход дефицитных электротехнических материалов;
5) возможность сварки короткой дугой, уменьшающей энергопотери и улучшающей качество сварного соединения (благодаря уменьшению зоны термического влияния, что позволяет соединять плохо свариваемые стали);
6) качественное формирование шва во всех пространственных положениях.
Ручная дуговая сварка — дуговая сварка, при которой возбуждение дуги, подача электрода и его перемещение проводятся вручную.
При сварке по методу Бенардоса применяют неплавящиеся электроды — угольные, графитовые или вольфрамовые (угольные и графитовые электроды используют только при сварке с использованием источников постоянного тока, а вольфрамовые — при сварке с использованием источников как постоянного, так и переменного тока).
Ручная дуговая сварка плавящимся электродом (сварка по Славянову) является самым распространенным способом сварки. Ее выполняют электродом, который представляет собой металлический стержень с нанесенным методом окунания или опрессовки покрытием определенного состава и толщины.
При сварке сталей металлический стержень электрода изготавливают из стальной проволоки следующих диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0;
1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12 ямм. Дл ручной дуговой
сварки используют электроды диаметром 1,6 мм и больше. Номинальная длина стержня электрода составляет от 150 до 450 мм. Сварочные электроды изготавливают из низкоуглеродистых, легированных и высоколегированных сталей и маркируют, добавляя впереди марки стали буквы Св (ГОСТ 2246-70). Так, электроды из низкоуглеодистых сталей имеют марки Св-08, Св-08А, Св-08АА, Св-08ГА, Св- 08ГА, Св-10ГА; из легированных — Св -08ГС, Св-12ГС, Св-08Г2С, Св-10ГН, Св-08ГСМТ, Св-18ХГС, Св-10НМА, Св-08ХМ, Св-18ХМА, Св-08ХМФА, Св-08ХГСМА, Св-06Н3, Св-04Х2МА, Св-13Х2МФТ,
Св-08ХМНФБА, Св-08ХН2Г2СМЮ и др.; из высоколегированных — Св-12Х11НМФ, Св-12Х13, Св-08Х14ГНТ, Св-01Х19Н9, Св-13Х25Т, Св-07Х18Н9ТЮ, Св-08Х19Н10М3Б, Св-30Х15Н35В3Б3Т, Св-13Х25Т, Св-10Х16Н25АМ6 и др.
Для сварки чугунных изделий стержень электрода может быть изготовлен из чугунных прутков со специальным покрытием, стальной сварочной проволоки (Св-08, СВ-08А и др.), медной проволоки и ее сплавов (НМЖМц и др.), а также из некоторых проволок легированных сталей (Св-04Х19Н9, Св-04Х19Н9, Св-08Н50 и др.).
Покрытие на электроде представляет собой твердую оболочку в состав которой входят следующие составляющие:
1) стабилизирующие вещества, способствующие легкому зажиганию дуги и устойчивому ее горению. Для этого применяют вещества, содержащие щелочные и щелочноземельные металлы, которые снижают потенциал ионизации дугового столба и способствуют легкому зажиганию электрической дуги и устойчивому ее горению. К стабилизирующим составляющим относятся K2CO3, KNO3, CaF2, CaCO3 и др.;
2) шлакообразующие вещества, обеспечивающие при горении дуги образование шлаков. Шлаки, во-первых, всплывая и растекаясь на поверхности сварочной ванны, защищают жидкий металл от вредного воздействия воздушной атмосферы. Во-вторых, при всплытии шлаки химически связывают оксиды металлов и выводят их на поверхность сварочной ванны, тем самым очищая (рафинируя) жидкий металл. В-третьих, находясь на поверхности, шлаки замедляют скорость охлаждения и процесс затвердевания жидкой ванны, способствуя выходу из нее газов и неметаллических включений. К шлакообразующим составляющим относятся оксиды TiO2, SiO2, MnO, CaO, CaCO3, MgCО3 и другие, вносимые в покрытие в виде минералов (кремнезема, мрамора) и руд (титановой, марганцевой);
3) легирующие вещества, попадающие из покрытия в жидкую ванну и обеспечивающие получение металла шва заданного химического состава с улучшенными физико-механическими свойстваи. К легирующим составляющим относятся ферросплавы (феррором, ферромолибден, ферротитан, феррованадий и др.);
4) газообразующие вещества, являющиеся источником образования газов при сгорании (разложении). Эти газы обеспечивают защиту металла сварочной ванны от вредного воздействия воздушной атмосферы. К газообразующим составляющим относятся крахмал, целлюлоза, древесная мука и др.;
5) формующие вещества, предназначенные для придания покрытию пластических свойств, необходимых при его нанесении на электрод. К этим составляющим относятся различные глины (бентонит, каолин и др.);
6) связующие вещества, придающие необходимую прочность нанесенному покрытию. К этим составляющим относятся жидкое стекло (водный раствор силиката кальция или натрия) и др.
Рис. 3.16. Схема ручной дуговой сварки
При ручной дуговой сварке плавящимся электродом (рис. 3.16) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1, поверхность которого оплавляется. Стержень электрода плавится, и капли жидкого металла 9 стекают вниз. При этом вместе со стержнем плавится покрытие на электроде 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и слой жидкого шлака 4 на поверхности ванны жидкого металла 10. По мере движения дуги расплавленный металл затвердевает, образуя сварной шов 3, а жидкий шлак 4 превращается в твердую корку 2 на его поверхности.
Для получения сварного соединения требуемых размеров, формы и качества устанавливается режим сварки, т. е. основные показатели, определяющие ее процесс. К этим показателям при ручной дуговой сварке относятся марка электрода, его диаметр, сила и род применяемого тока, скорость сварки.
Преимуществами ручной дуговой сварки являются следующие:
1) возможность производить сварку в любом пространственном положении, что особенно важно при проведении монтажных работ;
2) простота применяемого оборудования;
3) возможность сварки в труднодоступных местах;
4) быстрый переход от сварки одного вида материала к другому;
5) большая номенклатура свариваемых металлов.
Главным недостатком ручной дуговой сварки является ее низкая производительность. Это обусловлено тем, что величина тока при ручной дуговой сварке электродом с покрытием ограничена, следовательно, ограничена скорость плавления электрода. Увеличение величины сварочного тока сверх рекомендуемых значений приводит к разогреву стержня электрода и разрушению на нем покрытия, а также сильному разбрызгиванию и угару расплавляемого металла электрода.
Кроме того, недостатками ручной дуговой сварки являются вредные и тяжелые условия труда сварщика, а также трудность сварки материалов толщиной менее 1...2 мм.
Ручную дуговую сварку применяют при монтаже и сборке конструкций сложной формы, а также при производстве изделий, имеющих короткие и прерывистые швы, швы сложной конфигурации, т. е. там, где трудно или невыгодно применять автоматические методы сварки. Ручной дуговой сваркой можно сваривать сталь, чугун, медь и сплавы на основе меди.
В настоящее время ручную дуговую сварку постепенно заменяют автоматической сваркой под флюсом или механизированной сваркой в среде защитного газа.
Дуговая сварка под флюсом — дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса. Для дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс.
При сварке стальных изделий в качестве электродной проволоки используют проволоки тех же марок, что и при ручной дуговой сварке. Сварочный флюс — сыпучий измельченный многокомпонентный материал сложного химического состава. Компоненты этого материала выполняют стабилизирующую, шлакообразующую, легирующую и газообразующую функции (аналогично функциям, которые выполняют составляющие покрытия на электроде при ручной дуговой сварке). Основными компонентами флюса являютя SiO2, MnO, CaO, CaF2, MgO, Al2O3, TiO2, ZrO2, Fe2O3.
По способу изготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленные (керамические). Плавленые флюсы получают в результате
сплавления соответствующих компонентов в электропечах и последующей грануляцией полученной стекловидной или пемзовидной массы на частицы размером 1...3 мм. Неплавленные (керамические) флюсы получают путем замеса на жидком стекле соответствующих компонентов (с последующим их прокаливанием) и грануляции.
Рис. 3.17. Сварка под флюсом
При сварке под флюсом электрическая дуга 6 горит между электродной проволокой 2 и свариваемым металлом 1 (рис. 3.17). Проволока подается в зону сварки с помощью механизма подачи 3, ток к электроду — через токопровод 4. Электрическая дуга 6 и ванна жидкого металла 7 изолированы от окружающей среды слоем гранулированного флюса 5 толщиной 30...50 мм. Ванна сотоит из металла расплавленных кромок свариваемых элементов
и электродной проволоки. Часть флюса в области электрической дуги и ванны жидкого металла расплавляется. В результате этого вокруг дуги образуется газовая полость 11, а на поверхности расплавленного металла — ванна жидкого шлака 8. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Под действием электрической дуги при перемещении 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 9, покрытого твердой,
легко удаляемойвошйлако коркой 10. Нерасплавившийся флюс
используется при сварке повторно.
При сварке под флюсом используются источники питания дуги переменного и постоянного тока с крутопадающей характеристикой, которая ограничивает величину тока короткого замыкания. Это ограничение необходимо, поскольку при сварке происходят короткие замыкания при касании электродной проволоки и изделия или переходе капли металла с электродной проволоки на изделие. Режимы сварки соответствуют жесткому участку
и началу возрастающего участка статической вольтамперной характеристики дуги (рис. 3.11).
По степени механизации процесса сварка под флюсом бывает автоматической и механизированной.
При автоматической сварке под флюсом автоматизированы все сварочные операции (зажигание электрической дуги, поддержание ее устойчивого горения, подача электрода и его перемещение вдоль свариваемых кромок, непрерывная подача флюса в зону горения дуги, прерывание процесса сварки).
При механизированной сварке под флюсом подача проволоки к месту сварки производится автоматически, а перемещение ее вдоль стыка осуществляется вручную. Флюс поступает непосредственно из бункера сварочного пистолета.
Сварка под флюсом (по сравнению с ручной) имеет следующие преимущества: большую производительность, лучшее качество сварных швов, более высокую экономичность процесса и лучшие условия труда.
Повышение производительности (в 5...25 раз) достигается за счет использования больших сварочных токов (до 2 000 А ), более полного использования теплоты в закрытой зоне дуги, увеличения глубины проплавления свариваемых деталей за один проход и непрерывности самого процесса сварки. Скорость сварки обычно составляет от 20 до 150 м/ч.
Повышение качества сварных швов определяется, во-первых, более высокими значениями механических свойств наплавленного металла, во-вторых, улучшением формы и качества поверхности сварного шва, а также постоянством его размеров по всей длине. Высокие механические свойства шва достигаются за счет надежной защиты сварочной ванны флюсом от вредного воздействия воздушной атмосферы, более интенсивным раскислением сварочной ванны, легированием и сравнительно медленным охлаждением шва под флюсом. Улучшение формы и качества поверхности сварного шва и постоянство его размеров по всей длине достигается благодаря возможности регулирования режимов сварки, автоматизированной подаче и перемещению электродной проволоки.
Высокая экономичность процесса сварки достигается за счет отсутствия разбрызгивания и угара металла, что снижает расход электродной проволоки, более полного использования тепловой
мощности дуги (КПД дуги составляет 0,9...0,95), что позволяет снизить расход электроэнергии на 30...40 %, использования высокой мощности дуги (до 150 кВт и более) и плотности тока, что обеспечивает глубокий провар основного металла и позволяет сваривать изделия большой толщины (до 20 мм ) за один проход без разделки кромок.
Улучшение условий труда обуславливается отсутствием необходимости защиты глаз от светового излучения и уменьшением количества вредных газов, выделяемых в процессе сварки.
К недостаткам сварки под флюсом относятся следующие:
1) невозможность выполнения потолочных и вертикальных швов;
2) трудность сварки деталей толщиной 1...2 мм и менее;
3) отсутствие визуального контроля за процессом горения дуги и положением электрода.
Следует отметить, что автоматическая сварка под флюсом является одним из основных способов сварки плавлением. Этим способом сваривают детали из низкоуглеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных сталей, а также титана, меди, алюминия и их сплавов. Данный способ применяют в серийном и массовом производстве для выполнения (в нижнем положении) длинных прямолинейных и кольцевых швов при сварке металлов толщиной 2...100 мм.
Автоматическую сварку применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из звеньев автоматических линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.
Механизированную сварку применяют там, где автоматизировать полностью процесс нерационально (для сварки швов сложной конфигурации и небольшой протяженности).
Дуговая сварка в защитном газе — дуговая сварка, при которой дуга и расплавляемый металл, а в некоторых случаях и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств.
Дуговая сварка в защитном газе может быть автоматической, механизированной, ручной и производиться в различных пространственных положениях. Она может выполняться неплавящимся и плавящимся электродами.
При сварке в зону дуги подается защитный газ, струя которого, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха: окисления и азотирования. В качестве защитных газов применяются инертные газы: аргон (Ar) и гелий (He), активные газы: углекислый газ (CO2) и азот (N2), а также смеси газов (Ar + He, Ar + H2, Ar + O2, Ar + CO2, CO2 + O2, Ar + O2 + CO2). Следует отметить, что наибольшее применение получили аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе.
Аргон — нерастворимый в жидких и твердых металлах бесцветный газ, в 1,38 раза тяжелее воздуха (поставляют и хранят в сжатом газообразном состоянии под давлением 15 МПа в стальных баллонах черного цвета с надписью синего цвета «Аргон технический» и синей полосой).
Углекислый газ — нерастворимый в твердых и жидких металлах бесцветный газ, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха (поставляют и хранят в сжиженном состоянии под давлением 7 МПа в стальных баллонах черного цвета с надписью желтого цвета «Углекислота»).
Аргонодуговая сварка — дуговая сварка, при которой в качестве защитного газа используется аргон. Ее можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.
Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом (Tпл = 3 370 °С) применяют, как правило, при соединении металлических изделий толщиной 0,8...6 мм. При этом возможна сварка с расплавлением только основного металла заготовки (толщиной до 3 мм ), а также при необходимости усиления шва или заполнения разделки кромок при толщинах более 3 мм с применением присадочного материала (прутка или проволоки). При ручной аргонодуговой сварке пруток подают в сварочную дугу и перемещают горелку вручную (рис. 3.18, а). Для подачи проволоки используют механизм подачи. В этом случае сварка может быть механизированной (выполняемой с помощью полуавтоматов) или автоматической. В первом случае горелка перемещается вручную, а во втором — механизмом перемещения (рис. 3.18, б).
Неплавящиеся электроды для аргонодуговой сварки изготовляют из вольфрамовых стержней диаметром 0,2...12,0 мм. Величину тока выбирают из расчета 100 А на 1 мм диаметра электрода (ориентировочно).
Рис. 3.18. Принципиальная схема аргонодуговой сварки неплавящимся электродом: а — ручная; б — автоматическая или механизированная; 1 — присадочный пруток или проволока; 2 — сопло; 3 — токоподводящий 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 — плавящийся металлический электрод (сварочная проволока)
В качестве присадочного материала применяют стандартную сварочную проволоку из металла, сходного по химическому составу со свариваемым изделием. Диаметр присадочной проволоки выбирают в пределах 0,5...0,7 от диаметра вольфрамового электрода.
Сварку неплавящимся электродом ведут с использованием постоянного тока дугой прямой полярности. В этом случае дуга легко зажигается и устойчиво горит при напряжении 10... 15 В и минимальном токе 10 А. Это позволяет сваривать металлические детали толщиной 0,8...1,0 мм.
При сварке дугой обратной полярности возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость ее горения и снижается стойкость электрода. Эти особенности дуги обратной полярности не позволяют непосредственно использовать ее в сварочном процессе. Однако дуга обратной полярности обладает важнымлтоегхинчоеским свойством: под ее действием с поверхности металла удаляются оксиды. Объясняется это тем, что поверхность металла бомбардируют тяжелые положительные ионы Аr+, которые механически разрушают пленки оксидов. Данные свойства дуги обратной полярности используют при сварке алюминия, магния и их сплавов, применяя для
питания дуги переменный ток. В этом случае сочетаются преимущества сварки дугой как прямой, так и обратной полярности. Однако для увеличения устойчивости горения дуги в полупериод обратной полярности в электрическую схему питания дуги необходимо включать электронное устройство, подающее в этот полупериод импульс дополнительного напряжения. Таким образом, обеспечивается устойчивость горения дуги, постоянство тока и непрерывность процесса формирования шва на обеих полярностях тока.
Аргонодуговую сварку плавящимся электродом выполняют с использованием постоянного тока дугой обратной полярности. В этом случае электрические свойства дуги определяются наличием достаточного количества положительно заряженных ионизированных атомов металла электрода в столбе дуги. Поэтому дуга обратной полярности горит устойчиво и обеспечивает качественное формирование шва.
Сварку выполняют автоматическим или механизированным способами (рис. 3.19, а, б). Этим методом сваривают металлические изделия толщиной 3 мм и более. Непрерывное протекание процесса и хорошее качество шва достигается при высоких плотностях тока (100 А/мм2 и более). При таких режимах сварки перенос металла становится мелкокапельным или струйным, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла, формирование плотного шва с ровной и чистой поверхностью и разбрызгивание металла в допустимых пределах.
Из-за необходимости применения высоких плотностей тока при этом используют проволоку малого диаметра 0,6...3 мм юи большу скорость ее подачи. Это достигается только механизированной подачей проволоки в зону сварки.
Среди разновидностей аргонодуговой сварки особое место занимает импульсная аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом. В этом случае, изменяя амплитуду тока, длительность импульсов и пауз между ними, можно уменьшить скорость кристаллизации сварочной ванны и ее размеры, а, следовательно, и размер зоны термического влияния. При импульсной сварке происходит увеличение глубины проплавления и снижение потребляемого количества электроэнергии. Кроме того, повышается стабильность горения дуги.
Рис. 3.19. Принципиальная схема аргонодуговой сварки плавящимся электродом: а — автоматическая; б — механизированная; 1 — присадочный пруток или проволока; 2 — сопло; 3 — токоподводящий 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 — плавящийся металлический электрод (сварочная проволока)
Импульсная сварка применяется для сварки тонких изделий, поскольку кратковременное расплавление небольшой сварочной ванны позволяет избежать их прожога. Импульсная дуговая сварка может производиться и на переменном токе.
Аргонодуговую сварку применяют для соединения тонколистовых изделий из цветных (Al, Mg, Cu), в том числе тугоплавких металлов (Ti, Nb, V, Zr) и их сплавов, а также изделий игузнчоув , углеродистых, легированных и высоколегированных сталей.
Аргонодуговая сварка широко применятся при ремонте агрегатов и узлов тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин (например, радиатор, поддон картера, блок двигателя), а также кондиционерных трубок, силуминовых кронштейнов, корпусов и трубопроводов химических аппаратов и др.
Дуговая сварка в углекислом газе — дуговая сварка, при которой в качестве защитного газа используется СО2. Сварку выполняют только плавящимся электродом (диаметр проволоки 0,2...5 мм) с использованием повышенной плотности постоянного тока (80...100 А/мм2) дугой обратной полярности.
При сварке в углекислом газе (рис. 3.20) плавящийся электрод 1 автоматически подается в зону сварки.
Рис. 3.20. Схема процесса дуговой сварки в углекислом газе
Защита расплавленного металла сварочной ванны осуществляется струей углекислого газа, подаваемого в зону дуги в зазор между мундштуком 2 и соплом 3 горелки. Скорость истечения газа для обеспечения ламинарного течения потока с наименьшим перемешиванием газа с воздухом и отсутствия подсоса воздуха в зону сварки выбирается равной 0,6...1,5 м/с. При больших скоростях истечения углекислого газа
происходит его завихрение, приводящее вследствие инжекции к подсосу воздуха в зону сварки.
При сварке в углекислом газе необходимо учитывать одно обстоятельство. При высоких температурах сварочной дуги CO 2 диссоциирует на оксид углерода CO и атомарный кислород O, что может привести к окислению свариваемого металла. Для устранения окислительного действия атомарного кислорода сварочную проволоку дополнительно легируют Mn, Si и Al, обладающими большим сродством к кислороду, чем Fe. Поэтому при сварке изделий из углеродистых и низкоуглеродистых сталей применяют сварочную проволоку марок Св-08ГС, Св-08ГСА, Св-08Г2С, Св-10ГС, Св-10Г2С, Св-07ГСЮ и др.
При сварке такими электродами на поверхности шва образуется тонкая шлаковая корка из оксидов этих металлов.
При сварке в углекислом газе осуществляется капельный, а не струйный перенос расплавленного углеродного металла, характерный для аргонодуговой сварки. Поэтому при сварке в СО2 происходит повышенное разбрызгивание электродного металла (до 10...12 %). При этом на зачистку от брызг расходуется от 30 до 40 % времени, затрачиваемого на сварку. Для уменьшения разбрызгивания применяют смеси газов (СО2 + (5...15) % О2 или Ar + (10...20) % O2). Добавление О2 или замена большей части СО2 на Ar приводит к снижению поверхностной энергии и уменьшению размеров капель электродного металла.
Для сварки в СО2 в качестве электродов часто используют порошковые проволоки, которые представляют собой металлическую трубчатую оболочку, заполненную шлакообразующими и газообазующими компонентами, раскислителями или легирующими элементами. Применение порошковых проволок улучшает защиту сварочной ванны, уменьшает разбрызгивание, делает более гладкой поверхность свариваемого шва.
Разновидностью порошковых проволок являются самозащитные проволоки, оболочка которых изготовлена из легированной стали, а в наполнитель введены соединения редкоземельных металлов. Состав проволок обеспечивает устойчивость горения дуги, раскисление и защиту сварочной ванны. Самозащитные проволоки используются при механизированной сварке без газовой защиты дуги. Эти проволоки эффективно применять вусчлаях , когда газовая защита шва из-за конструкции сварного соединения недостаточно надежна или невозможна.
Сварка в СО2 является самым дешевым способом сварки изделий из углеродистых и низколегированных сталей. Легкая автоматизация процесса сварки, низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность сделали дуговую сварку в среде СО2 самым распространенным способом сварки в промышленности (в том числе и ремонтном производстве). Так, по объему производства она превосходит все прочие механизированные способы сварки плавлением. Преимущества механизированной сварки в СО2 в отношении стоимости и производительности обеспечивают замену ею ручной дуговой сварки покрытым электродом.
Сваркой в СО2 сваривают конструкции из углеродистых и низколегированных сталей: газои нефтепроводы, корпуса судов и т. д. Самозащитные проволоки применяются при сварке неповоротных стыков труб газои нефтепроводов, наплавке зубьев и ковшей экскаваторов, подводной сварке и т. д.
Преимуществами сварки в защитных газах являются следующие:
1) высокое качество сварных соединений (благодаря эффективной защите металла, а также возможности визуального наблюдения за формированием сварного шва);
2) возможность сваривания тонкостенных изделий (толщина стенок от 0,1 мм), поскольку в процессе сварки происходит ионизация газа, то электрическая дуга горит при напряжении 10...15 В и отличается малой мощностью;
3) высокая концентрация теплоты дуги и большая, чем при ручной дуговой сварке, проплавляющая способность, что обеспечивает
меньший разогрев кромок, малую зону термического влияния и меньшую деформацию, а также большую скорость сварки;
4) отсутствие на поверхности шва оксидов и шлаковых включений, а, следовательно, и необходимости последующей очистки поверхности шва от шлаков (при аргонодуговой сварке);
5) возможность соединения металлических заготовок толщиной до 100 мм в различных пространственных положениях;
6) возможность сварки изделий практически из всех металлов и сплавов (аргонодуговая сварка);
7) высокая производительность и экономичность процесса, возможность его механизации и автоматизации;
8) относительно низкая стоимость сварки (сварка в СО2).
К недостаткам дуговой сварки в защитных газах относятся следующие:
1) повышенная стоимость изделий, получаемых сваркой в среде инертных газов;
2) возможность образования пористости при сварке в СО2 недостаточно раскисленных металлов;
3) нарушение процесса сварки на открытых площадках, на сквозняке, где ухудшается газовая защита свариваемого металла;
4) наличие свободного кислорода в дуге при сварке в СО2, что ограничивает ее применение при сварке изделий из меди, алюминия, магния, титана и редких металлов, поскольку невозможно связать свободный кислород введением каких-либо раскислителей;
5) невысокая производительность при использовании ручной аргонодуговой сварки (применение автоматической сварки не всегда возможно для коротких и разноориентированных швов).
| Получение машиностроительных заготовок |
| Физические основы пластической деформации |
| Получение машиностроительных профилей. Прокатка, волочение, прессование. |