Раздел IV Сварочное производство

Сварка – процесс получения неразъёмного соединения в результате возникновения межатомных связей между соединяемыми деталями.

Создание этих связей между атомами на поверхности соединяемых деталей требует затрат энергии, которую можно внести в зону сварки двумя путями: нагревом или пластической деформацией. Поэтому различают две группы методов сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

При сварке плавлением атомные связи между соединяемыми деталями возникают в результате оплавления их кромок, примыкающих друг к другу, с получением общей ванны жидкого металла. При охлаждении эта ванна затвердевает и соединяет детали в единое целое.

При сварке давлением детали в зоне соединения подвергают совместной пластической деформации сжатием. При этом поверхности очищаются от загрязняющих плёнок, микрорельеф сглаживается, и возникают межатомные связи. Детали можно нагревать перед сваркой, но пластичные металлы (алюминий, медь) свариваются и без нагрева.

Возможны и комбинированные процессы, когда металл заготовок расплавляют и обжимают зону сварки.

Различают более 70 разных видов сварки: нагревать можно электрической дугой, газокислородным пламенем, лазером, прямым пропусканием тока и др. Можно по-разному защищать зону сварки от кислорода воздуха, деформировать разными способами и т. д.

Сварка применяется во всех областях техники. Сваривают не только металлы, но и стекло, пластмассу, керамику, разнородные материалы. Сварку выполняют в космосе и под водой. Основные области применения сварки: строительство, трубопроводный транспорт, машиностроение (особенно судостроение и авиастроение).

Электродуговая сварка

Это наиболее широко применяемый сегодня способ.

В 1893 г. на Всемирной выставке в США русский учёный Славянов продемонстрировал получение сваркой с помощью электрической дуги 12-тигранной призмы. Все грани её были пластинками из разных металлов и сплавов, от никеля до чугуна. Тогда это казалось чудом. Сегодня же работа сварщика в маске, с электродом в руке – это самая привычная картина на любой стройке, при ремонте различных коммуникаций.

Сварочная дуга

Сварочная дуга – это мощный стабильный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.

Обычно используют дугу прямого действия, которая горит между электродом и изделием (рис. 47). Нагрев идёт за счёт бомбардировки поверхности металла электрически заряженными частицами. Косвенная дуга горит между двумя электродами, и нагрев металла осуществляется за счёт излучения дуги.

Чаще применяют плавящиеся металлические электроды, которые формируют сварной шов; неплавящимися (угольными, вольфрамовыми) пользуются сравнительно редко, так как это усложняет технологию сварки – требуется присадочный материал.

Рис. 47. Схема сварочной дуги постоянного тока:

1 – электрод; 2 – свариваемое изделие; 3 – ванна жидкого металла; 4 – столб дуги

На рис. 47 показана схема сварки на прямой полярности: электрод подключён к отрицательному полюсу источника тока.

Дуга зажигается коротким замыканием электрода на изделие (постукивание, «чиркание»). Микровыступы на поверхности электрода и изделия нагреваются до температуры кипения, и при отводе электрода начинается термоэлектронная эмиссия, а также автоэлектронная эмиссия (отрыв электронов от атомов под действием электрического поля высокой напряжённости). В промежутке между электродом и изделием появляются свободные электроны, они ионизируют пары металла. Поток заряженных частиц растёт лавинообразно. Электроны и отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, а положительные ионы – к катоду. Поверхности изделия и электрода разогреваются, и через 10^-6 с устанавливается дуга. Температура у оси столба дуги составляет 6000-8000 K. Т. е., дуга – это низкотемпературная плазма.

Зависимость напряжения дуги от силы тока при постоянной длине дуги l называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. Это нелинейная зависимость; на кривой выделяются три участка: падающий I, жёсткий II и восходящий III (рис. 48).

Напряжение дуги пропорционально её длине, т. е. для сохранения постоянного напряжения необходимо поддерживать постоянную длину дуги.

Ручная дуговая сварка (РДС) осуществляется при падающей характеристике с переходом к жёсткой, автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДСФ) – при жёсткой с переходом к восходящей, сварка в углекислом газе – при возрастающей.

Рис. 48. Статическая вольт-амперная Рис. 49. Внешние характеристики

характеристика дуги источников сварочного тока

При питании дуги переменным током с частотой 50 Гц анод и катод 100 раз в секунду меняются местами. При нулевых значениях напряжения и тока дуга гаснет. Поэтому напряжение зажигания дуги на переменном токе составляет 50-70 В, тогда как на постоянном достаточно 40-60 В.

Ручная дуговая сварка

1) Оборудование для РДС: источник питания дуги, гибкие провода (кабели), электрододержатель, электрод.

а) Источником питания дуги переменным током является сварочный трансформатор, постоянным – сварочные выпрямители и генераторы. Современные инверторные источники тока для сварки –– позволяют получать на выходе как постоянный, так и переменный ток и широкий спектр вольт-амперных характеристик. В полевых условиях применяют сварочные агрегаты: генераторы с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Внешняя вольт-амперная характеристика источника питания – это зависимость между напряжением на выходе источника и током в цепи при установившемся режиме. Источники тока для сварки могут иметь различные типы характеристик (рис. 49): 1 – крутопадающая, 2 – пологопадающая, 3 – жёсткая, 4 – возрастающая. Идеализированная внешняя характеристика 5 наилучшим образом удовлетворяет требованиям к источнику сварочного тока. Именно такая характеристика у инверторных источников питания.

Для ручной дуговой сварки используют источники только с крутопадающими характеристиками. Почему это так важно? Длина дуги при ручной сварке всегда колеблется, но нужно обеспечивать постоянную силу тока I, чтобы размеры сварочной ванны и сечение шва были постоянными.

Ток и напряжение на выходе источника равны току и напряжению дуги, значит, режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристик источника и дуги (рис. 50). Таких точек две: точка A и точка B. Но устойчивое горение дуги возможно только на режиме точки B.

Если ток дуги случайно снизится, то источник будет выдавать большее напряжение, чем потребляет дуга. Поэтому ток в цепи увеличится до значения I_B, процесс вернётся к параметрам точки B.

Если ток дуги случайно возрастёт, то напряжение дуги превысит выдаваемое источником. Поэтому ток в цепи уменьшится до значения I_B, и процесс также вернётся к параметрам точки B.

В точке B наблюдается самоустанавливающееся равновесие, а в точке A отклонения по току приведут либо к обрыву дуги, либо к переходу в точку B.

Отсюда следует, что при крутопадающей характеристике источника ток практически не зависит от длины дуги.

Для регулирования тока при РДС меняют внешнюю характеристику источника питания. Для этого в конструкции источника питания предусмотрены устройства ступенчатого и плавного регулирования, например, дроссель (катушка индуктивности).

б) Провода (кабели) имеют большее сечение на низкой стороне трансформатора, меньшее – на высокой. Длина кабелей не должна превышать 30-50 м, так как при значительной длине увеличивается потеря напряжения в проводах.

в) Электрододержатель – это рукоятка из изолирующего материала с тремя металлическими стержнями (вилкой) на одном конце, между которыми зажимается зачищенный конец электрода. Кабель проходит внутри рукоятки и подсоединяется к стержням (рис. 51). Существуют и другие конструкции.

г) Сварочный электрод представляет собой стержень из проволоки, покрытый слоем смеси порошков со связующим веществом. Покрытие наносится опрессовкой или окунанием, затем сушится.

Различают тонкие (стабилизирующие) покрытия и толстые (защитно-легирующие). В состав покрытия входят вещества:

– ионизирующие дуговой промежуток (стабилизаторы дуги);

– шлакообразующие (для защиты ванны жидкого металла и шва);

– газообразующие (газовая защита зоны сварки);

– раскисляющие (для удаления кислорода из расплава);

– легирующие (для повышения прочности металла шва);

– связующее (обычно жидкое стекло).

Раскисляющие и легирующие компоненты присутствуют только в толстых покрытиях, ионизирующие и образующие шлак – во всех.

В зависимости от входящих в покрытие шлакообразующих веществ они делятся на виды: кислые, основные, рутиловые и целлюлозные. Наиболее распространены электроды с рутиловым покрытием, обеспечивающим высокие механические характеристики шва и хорошие технологические свойства.

Длина электродов 250-450 мм. Стандартные диаметры от 2 до 6 мм, но выпускают и больших или меньших диаметров для некоторых видов работ.

Материал электрода формирует шов, поэтому химический состав электродной проволоки должен соответствовать составу свариваемого изделия. Марки электродной проволоки обозначают: Св-08 или Св-30ХГСА, где буквы «Св» говорят о назначении проволоки – сварочная, 08 или 30 – содержание углерода в сотых долях процента, буквы Х, Г, С обозначают легирующие элементы (хром, марганец, кремний), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.

Электроды для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей классифицируют по механическим характеристикам металла шва, которые они обеспечивают. Тип электрода обозначается как Э38 … Э150, где цифры – гарантируемый предел прочности шва в кг/мм².

Марка электрода – это условное наименование, данное разработчиком, оно не содержит информации о характеристиках металла шва. Примеры марок: ЦМ-7, ОММ-5, АНО-8, УОНИ 13/45, МР-3, ОЗС-4, ВСЦ-4.

Нужно отметить, что при ручной дуговой сварке расход электродов на угар, разбрызгивание, огарки (остаток электрода в держателе) довольно велик и может составлять до 25 % массы электродов.

2) Схема процесса сварки покрытым электродом изображена на рис. 52. Здесь 1 – свариваемый металл, 2 – стержень электрода, 3 – покрытие электрода, 4 – дуга, 5 – капли расплавленного металла электрода, 6 – сварочная ванна; 7 – капли плавящегося покрытия, 8 – слой жидкого шлака, образовавшегося из веществ покрытия, 9 – газовая защитная атмосфера (тоже из покрытия), 10 – сварной шов, 11 – шлаковая корка, которая впоследствии счищается.

3) Режим сварки – это параметры процесса: диаметр электрода, сила сварочного тока, напряжение дуги и длина дуги.

Диаметр электрода d выбирается в зависимости от толщины заготовок: где s – толщина свариваемого металла в мм.

Сила тока I указывается в паспорте на марку электрода или определяется по формуле I = k∙d, где коэффициент k зависит от марки стали электродной проволоки. Для углеродистых сталей k = 35÷60 А/мм.

Напряжение дуги для большинства марок электродов и покрытий составляет 20-28 В.

Длина дуги поддерживается сварщиком в пределах 4-6 мм. Можно считать, что длина дуги составляет примерно l_д = (0,5÷1,1) d_э.

4) Виды сварных соединений показаны на рис. 53.

Рис. 53.
Сварные соединения: а) стыковые (1 – без разделки кромок, 2 – V-образная разделка, 3 – U-образная разделка, 4 – X-образная разделка, 5 – U-образная двусторонняя разделка); б) угловые; в) тавровое; г) нахлёсточное

Без разделки кромок можно сваривать заготовки толщиной до 6 мм.

Сварка может выполняться в различных пространственных положениях: нижнем (рис. 54, а), горизонтальном (рис. 54, б), вертикальном (рис. 54, в), потолочном (рис. 54, г).

Рис. 54. Расположение шва в пространстве

При ручной дуговой сварке за один проход возможна глубина проплавления не более 8 мм. Более толстые материалы сваривают за несколько проходов, шов получается многослойным.

Процесс ручной электродуговой сварки, устройство источника питания и правила техники безопасности при проведении сварочных работ подробно описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Оборудование и технология ручной дуговой и контактной сварки». Изучить самостоятельно!