Дуговая сварка. Сущность процесса

Источником теплоты при дуговой сварке является электрическая дуга, которая горит между двумя электродами, при этом часто один электрод представляет собой свариваемую заготовку. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие схемы дуговой сварки: сварка неплавящимся (угольным или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис.15, а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3 либо с применением присадочного металла 4.

Рис.I5. Схемы электродуговой сварки

Сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис.1, б) с одновременным расплавлением основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом; сварка косвенной дугой 5 (рис. 1, в), горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами 1; при этом основной металл 3 нагревается и расплавляется теплотой столба дуги; сварка трехфазной дугой 6 (рис.1, г), при которой дуга горит между электродами 1, а также между каждым электродом и основным металлом 3.

При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом 1 во втором к положительному и служит анодом.

Ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. Для удержания электрода и подвода к нему тока сварщик использует электрододержатель (рис.16, а). Сварщик защищает лицо от светового и ультрафиолетового излучений дуги предохранительным щитком или маской с темным стеклом (рис. 16, б, в), а тело и руки — брезентовой спецодеждой и рукавицами. Рабочее место сварщика — специальная сварочная кабина (рис. 16, г).

Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом показана на (рис.17.) Дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и рас­плавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая шлаковая ванны вместе образ-уют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает, и образуется сварочный шов 3. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твердую шлаковую корку 2.

Рис. 16. Электрододержатели (о), предохранительный щиток (б), маска (д) и

рабочее место для ручной дуговой сварки (г):

1 — стол; 2 г— электрододержатель; 3 — сварочный трансформатор

В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легирующих элементов, например углерода, марганца, кремния, хрома и др., и насыщение расплавленного металла кислородом, азотом и водородом из окружающего воздуха. В результате изменяется состав сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом, а также понижаются его механические свойства, особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие элементы и элементы раскислителя.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ Оплавленного основного металла и протекает за счет роста столбчатых кристаллитов к центру шва. При этом кристаллиты, как правило изгибаются и вытягиваются в направлении сварки. Легкоплавкие составляющие сплава, вредные примеси и неметаллические включения при кристаллизации шва располагаются по границам между кристаллитами. Это является причиной неоднородности химического состава шва, что снижает его механически свойства и в отдельных случаях приводит к образованию горячих трещин.

Рис. 17. Схема сварки металлическим покрытым электродом

Рост кристаллитов в шве происходит с достаточно большой скоростью, приближающейся в центре шва к скорости сварки. При высоких скоростях сварки в швах некоторых сплавов возможно образование газовых пор, так как выделившиеся газы на успевают выйти из сварочной ванны в атмосферу. Поры в швах нарушают герметичность сварных соединений и снижают их механические свойства.

Электроды для ручной сварки. Эти электроды представляют собой проволочные стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень электрода изготовляют из специальной сварочной проволоки повышенного качества. ГОСТ 2246—70 на стальную сварочную проволоку предусматривает 56 марок проволоки диаметром 0,3—12 мм. Все марки сварочной проволоки в зависимости от состава разделяют на три группы: углеродистую (Св-08; Св-10ГС и др.), легированную (Св-18ХМА; Св-10Х5М и др.) и высоко­легированную (Св-06Х19Н10М5Т; Св-07Х25Н13 и др.). В марках проволоки «Св» обозначает слово «сварочная».

Сварочную проволоку используют для изготовления стержней покрытых электродов, а также при автоматической дуговой сварке под флюсом, сварке плавящимся электродом в среде защитных газов и как присадочный материал при сварке неплавящимся электродом и газовой сварке.

Электроды классифицируют по следующим признакам: тип покрытия, химическому составу жидкого шлака, назначению.

По типу покрытия электроды подразделяют на электроды со стабилизирующим защитным или легирующим покрытиями (качественными). Стабилизирующее покрытие состоит из мела (СаСО3). Входящий в пего кальций облегчает ионизацию дуги и способствует устойчивому ее горению. В состав качественного покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.

Стабилизирующие составляющие увеличивают степень ионизации дугового промежутка и повышают стабильность горения дуги. В качестве стабилизирующих веществ применяют соеди­нения калия, натрия, кальция, бария (силикаты натрия и калия, поташ, мел, мрамор). Газообразующие составляющие образуют при нагреве защитные газы вокруг дуги. К газообразующим относятся органические вещества и карбонаты (крахмал, оксицеллюлоза, мрамор, магнезит). Шлакообразующие составляющие при расплавлении образуют жидкий шлак на поверхности сварочной ванны. Шлак служит для защиты расплавленного металла от воздействия воздуха, а также является средой, через которую осуществляется раскисление и легирование наплавленного металла. Для получения шлака в покрытия вводят марганцевую руду, полевой шпат, плавиковый шпат, мрамор, рутил и др. Раскисляющие составляющие предназначены для восстановления окислов, находящихся в сварочной ванне. В качестве раскислителей в ряде случаев применяют ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций и др. Из жидкого шлака раскислители переходят в расплавленный металл, восстанавливают окислы и в виде нерастворимых окислов самого раскислителя снова возвращаются в шлак.

Легирующие составляющие служат для получения наплавленного металла требуемых химического состава и механических свойств. Легирующими составляющими в покрытии являются ферро­хром, ферромолибден, ферротитан и др.

В качестве связующего в основном применяют жидкое натриевое стекло (силикат натрия Na2O (SiO2) m). Жидкое стекло связывает порошкообразные составляющие покрытия в обмазочную массу, а после просушивания и прокалки придает покрытию электродов необходимую прочность.

По химическому составу жидких шлаков электродные покрытия можно подразделить на кислые и основные. В шлаках кислых покрытий преобладает окись кремния SiO2. Кислые шлаки обладают хорошими раскисляющими свойствами, но через них нельзя в широких пределах легировать наплавленный металл в связи с интенсивным выгоранием легирующих примесей. В состав кислых покрытий входят марганцевая руда, полевой шпат, рутил (природный минерал, состоящий в основном из двуокиси титана) и т. п. Электроды с кислыми покрытиями (руднокислым, рутиловым и органическим) применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей. В шлаках основных покрытий преобладает окись кальция (СаО). Основные шлакиобеспечивают достаточно хорошее раскисление и позволяют вводить в металл шва значительные количества легирующих элементов. В состав основных покрытий входят мрамор, плавиковый шпат (CaF3) и ферросплавы. Электроды с основным покрытием (фтористокальциевым) используют для сварки легированных и высоколегированных сталей.

По назначению стальные электроды в соответствии с ГОСТ 9466—75 подразделяют на следующие четыре класса: для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей; для сварки теплоустойчивых сталей; для сварки высоколегированных сталей; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

Согласно ГОСТ 9467—75 электроды для сварки конструкционных сталей (СтЗ, 45, ЗОХГСА и др.) подразделяют на типы Э34, Э42, Э145 в зависимости от механических свойств наплавленного металла. Цифры в обозначении типа электрода означают прочность наплавленного металла в кгс/мм2. Электроды для сварки теплоустойчивых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМФ и др.) подразделяют на типы Э-ХМ, Э-ХМФБ и др. в зависимости от химического состава наплавленного металла. Буквы М, X, Ф и Б означают легирование соответственно молибденом, хромом, ванадием и ниобием, повышающими теплоустойчивость сварного шва.

Электроды для сварки высоколегированных сталей (0Х18Н9Т, Х25Н20С2, Х17 и др.) согласно ГОСТ 10052—75 классифицируют по структуре и составу металла сварного шва. Так, например, электроды ЭА-ЗМ6, ЭА-2Б и др. являются электродами аустенитного типа (А — аустенитный) с добавками молибдена, ниобия и других элементов.

Обозначение наплавочных электродов согласно ГОСТ 10051—75 соответствует химическому составу наплавки и ее твердости по Роквеллу. Буква У означает содержание углерода в десятых долях процента. Например, ЭН-У30Х28С4Н4-50 — электроды наплавочные (ЭН), дающие наплавку, содержащую 3% С и другие легирующие элементы в соответствии с маркой, и обладающие твердостью HRC 50. Такие электроды применяют для наплавки на поверхность деталей, испытывающих при работе сильный абразивный износ при нормальной и повышенной температурах (до 500° С; скребки скреперов, лопасти смесительных машин и т. д.).

Помимо типа электрода, важной характеристикой является его марка, которая определяет состав покрытия (УОНИ-13/45, ЦЛ-18, ЦЛ-11, ЦЛ-10 и т. д.). Марка электрода характеризует также его технологические свойства: род и полярность тока, воз­можность сварки в различных пространственных положениях и др.

Режим ручной дуговой сварки. Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сила свароч­ного тока. Ток (в А) выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода:

I_св=Kd_э

где к — опытный коэффициент, равный 40—60 для электродов Со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35—40 для электро­дов со стержнем из высоколегированной стали, А/мм; ds — диаметр электрода, мм.

При толщине стали до 6 мм сваривают по зазору без разделки кромок заготовок. При больших толщинах делают одностороннюю или двустороннюю разделки кромок под углом 60°. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. При толщине свыше 10 мм сваривают многослойным швом.

Рис. 4. Возможные пространственные положения шва при ручной сварке:

а — нижнее; б — вертикальное; в — горизонтальное; г — потолочное

Ручную дуговую сварку довольно широко применяют в производстве металлоконструкций для самых различных металлов и сплавов малых и средних толщин (2—30 мм). Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях (нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном; рис. 4), а также при наложении швов в труднодоступных местах. Она все еще остается незаменимой при монтажных работах И сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом. Производительность процесса сварки в основном определяется силой сварочного тока. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованной величины приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла сварочной ванны. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.