Сварочные Работы: Практическое Пособие Для Электрогазосварщика

Евгений Максимович Костенко

· Введение

· Раздел первый

o Глава 1

§ 1. Общие сведения об основных видах сварки

§ 2. Классификация сварки плавлением

§ 3. Сущность основных способов сварки плавлением

o Глава 2

§ 1. Основные типы сварных соединений

§ 2. Классификация и обозначение сварных швов

§ 3. Конструктивные элементы сварных соединений

o Глава 3

§ 1. Углеродистые стали

§ 2. Легированные стали

· Раздел второй

o Глава 1

§ 1. Сварочная дуга и сущность протекающих в ней процессов

§ 2. Условия зажигания и устойчивого горения дуги

§ 3. Перенос металла через дугу

§ 4. Особенности металлургических процессов при сварке, влияние кислорода, азота и водорода, содержащихся в воздухе, на металл шва

§ 5. Металлургические процессы при сварке под флюсом и в защитных газах

§ 6. Тепловые процессы при электрической сварке плавлением

§ 7. Формирование и кристаллизация металла шва, строение зоны термического влияния

§ 8. Старение и коррозия металла сварных соединений

§ 9. Классификация напряжений и деформаций

o Глава 2

§ 1. Оборудование сварочного поста для ручной дуговой сварки

§ 2. Основные требования безопасности труда при ручной дуговой сварке

§ 3. Общие сведения об источниках питания

Евгений Максимович Костенко
Сварочные Работы: Практическое Пособие Для Электрогазосварщика

Введение

В условиях научно-технического прогресса особенно важно развитие определяющих его областей науки, техники и производства. К ним могут быть отнесены сварка и резка металлов, которые во многих отраслях промышленности являются одними из основных факторов, определяющих темпы технического прогресса, и оказывают существенное влияние на эффективность общественного производства. Практически нет ни одной отрасли машиностроения, приборостроения и строительства, в которой не применялись бы сварка и резка металлов.
Сварное исполнение многих видов металлоконструкций позволило наиболее эффективно использовать заготовки, полученные прокаткой, гибкой, штамповкой, литьем и ковкой, а также металлы с различными физико-химическими свойствами. Сварные конструкции по сравнению с литыми, коваными, клепаными и т. п. являются более легкими и менее трудоемкими. С помощью сварки получают неразъемные соединения почти всех металлов и сплавов различной толщины – от сотых долей миллиметра до нескольких метров.
Основоположниками электрической дуговой сварки металлов и сплавов являются русские ученые и изобретатели.
По уровню развития сварочного производства СССР являлся ведущей страной в мире. И впервые осуществил эксперимент по ручной сварке, резке, пайке и напылению металлов в открытом космосе.
Успешно ведутся работы в специализированном институте сварочного профиля – Институте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины (ИЭС).
Рост технического прогресса – введение в эксплуатацию сложного сварочного оборудования, автоматических линий, сварочных роботов и т. д. – повышает требования к уровню общеобразовательной и технической подготовки кадров рабочих-сварщиков. Цель настоящей книги – помочь учащимся профессионально-технических училищ, учебно-курсовых комбинатов, а также учащимся при подготовке на производстве освоить профессию электрогазосварщика.

Раздел Первый
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРКЕ, СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ И ШВАХ

Глава 1
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ВИДОВ СВАРКИ

Углеродистые Стали

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По назначению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.
Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качества и качественные.
Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:
группа А – по механическим свойствам;
группа Б – по химическому составу;
группа В – по механическим свойствам и химическому составу.
Изготавливают стали следующих марок:
группа А – Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6;
группа Б – БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6;
группа В – ВСт 0, ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.
По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет следующее обозначение: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.
Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержит кремния (Si) не менее 0,12 %; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.
Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1—5 выплавляют с нормальным и повышенным содержанием марганца, примерно до 1 %. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).
Стали группы А не применяются для изготовления сварных конструкций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мышьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.
Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали
ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степени раскисления выпускают с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ поставляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.
Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с существующими стандартами. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04 %). Стали с содержанием углерода до 0,20 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали – только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовления конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском.
Углеродистые стали в соответствии с существующими стандартами подразделяются на три подкласса: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60 %) и высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60 %.
В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродистые стали.
В сварочном производстве очень важным является понятие о свариваемости различных металлов.
Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы: I – хорошо сваривающиеся, с содержанием углерода до 0,25 %; II – удовлетворительно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения качественных сварных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюдение режимов сварки, специальные присадочные материалы, определенные температурные условия, а в некоторых случаях – подогрев, термообработка; III – ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных соединений которых дополнительно необходим подогрев, предварительная или последующая термообработка; IV – плохо сваривающиеся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, т. е. сварные швы склонны к образованию трещин, свойства сварных соединений пониженные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.
Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующими способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетворительную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждают появление трещин путем предварительного подогрева до 120—200 °С.

Легированные Стали

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механических свойств, называется легированной. Содержание некоторых элементов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) – 0,5 %; марганца (Мп) – 0,8 %; хрома (Сг) 0,3 %; никеля (Ni) – 0,3 %; меди (Cu) – 0,3 %.
Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне-и высоколегированные. Низколегированная сталь – это сталь, легированная одним элементом при содержании его не более 2 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании 3,5 % (по верхнему пределу). Среднелегированная сталь – легированная одним элементом, при содержании его не более 8 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании, как правило, не более 12 % (по верхнему пределу). Высоколегированная – это сталь с суммарным содержанием легирующих элементов не менее 10 % (по верхнему пределу), при содержании одного из них не менее 8 % (по нижнему пределу), при содержании железа более 45 %.
Маркировка всех легированных конструкционных сталей однотипная (табл. 1). Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, буквы являются условным обозначением легирующих элементов, цифра после буквы обозначает содержание легирующего элемента в процентах, причем содержание, равное 1 % и меньше, не ставится, буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.
Основными элементами, влияющими на свойства стали, являются углерод, марганец и кремний.
Углерод при повышении его содержания в стали ведет к повышению прочности и твердости и уменьшению пластичности. Окисление углерода во время сварки вызывает появление большого количества газовых пор.
Таблица 1
Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке
Сварочные Работы: Практическое Пособие Для Электрогазосварщика - student2.ru

Марганец повышает ударную вязкость и хладноломкость стали, являясь хорошим раскислителем; способствует уменьшению содержания кислорода в стали. При содержании марганца в стали более 1,5 % свариваемость ухудшается, так как увеличивается твердость стали, образуются закалочные структуры и могут появиться трещины.
Кремний вводится в сталь как раскислитель. При содержании кремния более 1 % свариваемость стали ухудшается, так как возникают тугоплавкие окислы, что ведет к появлению шлаковых включений. Сварной шов становится хрупким.
Хром при значительном содержании в стали снижает ее свариваемость вследствие образования тугоплавких окислов и закалочных структур.
Никель повышает прочность и пластичность шва и не ухудшает свариваемость.
Алюминий – активный раскислитель стали, повышает окалиностойкость.
Вольфрам повышает прочность и твердость при повышенных температурах, ухудшает свариваемость, сильно окисляется.
Ванадий затрудняет сварку, сильно окисляется, требует введения в зону плавления активных раскислителей.
Медь улучшает свариваемость, повышая прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость сталей.
Сера приводит к образованию горячих трещин.
Фосфор вызывает при сварке появление холодных трещин.
Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль по влиянию на свойства сталей принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных элементов.
Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рационального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.
Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.
Предупреждение образования горячих трещин может быть достигнуто путем уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости закреплений, предварительного подогрева, применения электродного металла с более низким содержанием углерода и кремния.
Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно термоупроченных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к возможному появлению холодных трещин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное количество марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин увеличивается (особенно с ростом скорости охлаждения). Предварительный подогрев и последующая термообработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений из низколегированных сталей.
По разрезаемости легированные стали делятся на аналогичные четыре группы с соответствующим значением показателя эквивалента углерода.
Контрольные вопросы:
1. На какие группы подразделяются углеродистые стали обыкновенного качества?
2. Как подразделяются стали обыкновенного качества по степени раскисления?
3. Стали какой группы применяются для изготовления сварных конструкций и почему?
4. Что называется свариваемостью сталей?
5. На какие группы углеродистые стали подразделяются по свариваемости?
6. Охарактеризуйте III группу сталей по свариваемости.
7. Чем вызвано образование холодных трещин?
8. Чем отличаются легированные стали от углеродистых?
9. Как обозначается высококачественная легированная сталь?
10. Какие примеси в сталях считаются вредными?
11. Как влияет марганец на свойства стали?
12. Для чего вводят кремний и алюминий в состав сталей?
13. Что вызывает возникновение горячих трещин в сталях?
14. Какими мероприятиями можно предупредить образование горячих трещин в сталях?

Раздел Второй
ДУГОВАЯ СВАРКА

Глава 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Перенос Металла Через Дугу

При горении сварочной дуги происходит взаимодействие электрического и магнитного полей, в результате чего возникают электромагнитные силы, которые сжимают столб дуги (пинч-эффект). Эти силы направлены от наружной поверхности дуги к ее оси.
Под действием сжимающих электромагнитных сил и высокой температуры на конце электрода происходит плавление металла, образование и отрыв капли, которая переносится на изделие. В зависимости от размера и скорости образования капель различают капельный и струйный перенос. Размер капель зависит от плотности сварочного тока и напряжения дуги. При увеличении плотности сварочного тока происходит уменьшение размера капель жидкого металла, а число их увеличивается. При повышении напряжения дуги размер капель жидкого металла увеличивается, а число их уменьшается. Для уменьшения разбрызгивания металла при дуговой сварке плавящимся электродом сварку проводят с повышенной плотностью сварочного тока при относительно малых значениях напряжения дуги или применяют импульсный режим сварки.
При ручной сварке в виде капель переносится в сварочную ванну примерно 95 % электродного металла, остальное – это брызги и пары, значительная часть которых осаждается в разных местах на изделии.
Капельный перенос происходит при сварке штучными покрытыми электродами. В этом случае большинство капель заключено в оболочку из шлака, образовавшегося из расплавляемого покрытия. Аналогичные процессы переноса металла электрода в шов наблюдаются при сварке под флюсом и сварке порошковой проволокой.
Струйный процесс переноса металла характерен для сварки плавящимся электродом в защитных газах.
При струйном переносе образуются мелкие капли, которые следуют друг за другом в виде непрерывной цепочки (струи). Струйный процесс переноса электродного металла возникает при сварке проволокой малого диаметра с большой плотностью тока. Например, при сварке полуавтоматом (механизированной) в аргоне проволокой (электродом) диаметром 1,6 мм струйный перенос металла осуществляется при критическом токе 300 А. При сварке на токах ниже критического наблюдается уже капельный перенос металла. Обычно струйный перенос электродного металла приводит к меньшему выгоранию легирующих элементов в сварочной проволоке и к повышенной чистоте металла капель и сварного шва. Скорость расплавления сварочной проволоки при этом увеличивается. Поэтому струйный перенос имеет преимущества перед капельным.
При импульсно-дуговой сварке перенос металла через дугу имеет свои особенности. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом имеет существенное преимущество по сравнению со сваркой неплавящимся и плавящимся электродами в защитных газах и другими видами сварки, так как с помощью специальной, системы создаются условия управляемого и направленного переноса металла с незначительными потерями металла на угар и разбрызгивание.
Существуют две разновидности управляемого переноса металла. Первая состоит в том, что при каждом импульсе сварочного тока от электрода отделяется и переносится в сварочную ванну одна капля расплавленного металла (при сварке в среде аргона). Вторая разновидность состоит в том, что во время прохождения импульса сварочного тока большей длительности, чем в первом случае, происходит интенсивное плавление электрода со струйным переносом металла.
Этот процесс переноса металла характерен для сварки активированным электродом на постоянном токе прямой полярности в активных и инертных газах, а также при сварке в аргоне постоянным током обратной полярности.
Контрольные вопросы:
1. Объясните сущность переноса металла через дугу в процессе сварки?
2. Какие виды переноса металла через дугу вы знаете?
3. Как влияют плотность тока и напряжение дуги на перенос капель жидкого металла в процессе сварки?
4. При каких видах сварки происходят процессы капельного переноса металла через дугу?
5. В чем особенности переноса металла через дугу при импульсно-дуговой сварке?

Основные Требования Безопасности Труда При Ручной Дуговой Сварке

При выполнении сварочных работ существуют опасности для здоровья рабочего:
поражение электрическим током;
поражение глаз и открытых поверхностей кожи лучами дуги; отравление вредными газами и пылью;
ожоги от разбрызгивания электродного расплавленного металла и шлака;
ушибы и порезы в процессе подготовки изделий под сварку и во время сварки.
Поэтому, прежде чем приступить к сварочным работам, необходимо изучить на рабочем месте инструкцию по безопасным приемам обращения со сварочным оборудованием и расписаться в регистрационном журнале.
После этого необходимо ознакомиться с порядком включения и выключения питающей сети высокого напряжения, убедиться в наличии актов обязательной ежегодной проверки заземления и сопротивления изоляции коммутационных проводов и электрододержателей.
Во время сварки необходимо работать только в спецодежде. Куртка должна быть надета поверх брюк и застегнута, брюки должны закрывать обувь.
Запрещается пользоваться неисправными сварочными щитками, разбитыми защитными светофильтрами. Нельзя производить сварочные работы при отключенной или неисправной системе вентиляции.
После окончания работы электрододержатель должен находиться в таком положении, при котором исключался бы его контакт с токоведущими частями сварочного поста. Сварочное оборудование в процессе эксплуатации требует внимательного ухода и обслуживания. Сварщику необходимо принимать следующие меры:
перед включением источника питания очистить его от пыли, грязи, случайно попавших огарков электродов или кусков сварочной проволоки;
проверить надежность изоляции сварочных проводов и их соединения, при необходимости подтянуть крепление, изолировать место повреждения сварочного кабеля;
убедиться в наличии заземления.
Эти меры гарантируют длительную, надежную и безопасную работу источника питания.
При включении источника питания могут быть обнаружены его дефекты или неисправности. В этом случае необходимо отключить источник питания и сообщить об этом мастеру, наладчику или электромонтеру для устранения неисправностей источника питания.
Контрольные вопросы:
1. Расскажите об обязанностях обучающихся перед проведением сварочных работ.
2. Каковы правила пользования спецодеждой и сварочными щитками? Расскажите об обязанностях сварщиков по обслуживанию сварочного оборудования.