Основы сварочного дела

Раздел ГРНТИ: Сварка
Говоркян В. Г.
Высшая школа, 1979 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Основы сварочного дела

 

Дуговой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев свари­ваемых кромок осуществляется тепло­той электрической дуги.
Дуговая сварка классифицируется по следующим основным признакам: по виду электрода (плавящимся или неплавящимся электродом), по виду дуги (свободной или сжатой дугой), по характеру воздействия дуги на основной металл (дугой прямого или косвенного действия, трехфазной ду­гой). Плавящиеся электроды подраз­деляются на штучные, проволочные и ленточные. Они применяются как сплошного сечения, так и порошко­вые. Неплавящиеся электроды приме­няются: вольфрамовые, угольные и графитовые.
Дуговую сварку производят по­стоянным током прямой и обратной полярности, переменным током как промышленной, так и повышенной час­тот и пульсирующим током. При этом сварка может быть выполнена как одно-, двух- и многодуговая (с раз­дельным питанием каждой дуги), так и одно-, двух- и многоэлектродная (с общим подводом сварочного тока).
В промышленности и строительст­ве получили наибольшее применение следующие основные разновидности дуговой сварки.
Рунная дуговая сварка произво­дится двумя способами: неплавящим­ся и плавящимся электродом. По пер­вому способу (рис. 3, а) сваривае­мые кромки изделия 5 приводят в соприкосновение, между неплавящим­ся (угольным или графитовым) электродом 3 и изделием возбуждают элект­рическую дугу 4. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал 2 нагреваются до плавления и образуют ванну расплавленного ме­талла, который после затвердевания превращается в сварной шов /. Этот способ используется иногда при свар­ке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых спла­вов. Второй способ сварки (рис. 3, б), выполняемой плавящимся электродом, является основным при ручной дуго­вой сварке. Электрическая дуга 2 возбуждается между металлическим (плавящимся) электродом / и свари­ваемыми кромками изделия 4. Теплота дуги расплавляет электрод и кромки изделия. Получается общая ванна расплавленного металла, которая, ох­лаждаясь, образует сварной шов 3. Автоматическая сварка под флю­сом (рис. 4) — это дуговая сварка, в которой механизированы основные движения (на рис. показаны стрел­ками), выполняемые сварщиком при ручной сварке — подача электрода / в зону дуги 2 и перемещение его вдоль свариваемых кромок изделия 7. При полуавтоматической сварке механизи­рована подача электрода в зону дуги, а перемещение электрода вдоль сва­риваемых кромок производится свар­щиком вручную. Жидкий- металл сва­рочной ванны 5 защищают от воздей­ствия кислорода и азота воздуха рас­плавленным шлаком 4, образованным от плавления флюса 3, подаваемого в зону дуги.
§ 7. Сварочные выпрямители
Сварочные выпрямители получили большое, распространение. Основные их преимущества следующие: высокий к.п.д. и относительно небольшие по­тери холостого хода; высокие дина­мические свойства при меньшей элект­ромагнитной индукции; отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе; равномерность нагрузки фаз; небольшая масса; возможность заме­ны медных проводов алюминиевыми. Однако следует иметь в виду, что для выпрямителей продолжительные ко­роткие замыкания представляют боль­шую опасность, так как могут выйти из строя диоды. Кроме того, сварочные выпрямители чувствительны к колеба­ниям напряжения в сети. Все же по основным технико-экономическим по­казателям сварочные выпрямители яв­ляются более прогрессивными, чем, например, сварочные преобразователи.
§ 9. Понятие о свариваемости
Процесс сварки представляет со­бой сочетание нескольких одновремен­но протекающих процессов, которые определяют качество получаемого сварного соединения. К этим процес­сам относятся: нагрев металла около­шовных участков, плавление, кристал­лизация основного металла или взаим­ная кристаллизация основного и при­садочного (или электродного) метал­лов. Протекание этих процессов опре­деляется в основном свойствами сва­риваемых металлов. Однако такие факторы, как слишком высокая тем­пература, очень большие скорости охлаждения, необоснованный выбор присадочного металла и режима свар­ки, могут значительно снизить качест­во сварного соединения. При разно­родных металлах процесс взаимной кристаллизации может не произойти, вследствие чего сварка таких металлов не может быть осуществлена.
Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов обра­зовывать при установленной техноло­гии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструк­цией и эксплуатацией изделия.
Большое влияние на свариваемость металлов и сплавов оказывает их хи­мический состав. Это особенно нагляд­но видно на примере железоуглеродис­тых сплавов. Свариваемость углеро­дистой стали изменяется в зависи­мости от содержания основных при­месей. Углерод является наиболее важным элементом в составе стали, определяющим почти все основные свойства стали в процессе обработки, в том числе и свариваемость. Низкоуг­леродистые стали (С<0,25%) свари­ваются хорошо. Среднеуглеродистые стали (G<0,35%) также сваривают­ся хорошо. Стали с содержанием С > 0,35% свариваются хуже. С уве­личением содержания углерода в ста­ли свариваемость ухудшается. В око­лошовных зонах появляются закалоч­ные структуры и трещины, а шов по­лучается пористым. Поэтому для получения качественного сварного со­единения возникает необходимость применять различные технологиче­ские приемы. Марганец не затрудняет сварку стали при содержании его 0,3...0,8%. Однако при повышенном содержании марганца (1,8...2,5%) прочность, твердость и закаливае­мость стали возрастают, и это способствует образованию трещин. При сварке высоко марганцовистых сталей (11 ... 16% Мп) происходит выгорание марганца, поэтому его восполняют, используя электродные покрытия и флюсы с повышенным содержанием марганца. Кремний содержится в обычной углеродистой стали в преде­лах 0,02... 0,3% и существенного влияния на свариваемость не оказы­вает. При повышенном содержании (0,8... 1,5%) кремний затрудняет сварку, так как придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие ок­сиды и шлаки. Сера является самой вредной примесью стали. Содержание серы в стали допускается не более 0,05%. Сера образует в металле сульфид железа, который имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и плохо растворяется в рас­плавленной стали. При кристаллиза­ции частицы сульфида железа распо­лагаются между кристаллами металла шва и способствуют образованию го­рячих трещин. Фосфор является также вредной примесью. Фосфор ухудшает свариваемость стали, так как образу­ет хрупкий фосфид железа, придаю­щий стали хладноломкость. Содержа­ние фосфора в стали не превышает 0,05%.
Свариваемость стали принято оце­нивать по. следующим показателям: склонность металла шва к образо­ванию горячих и холодых трещин; склонность к изменению структуры в околошовной зоне и к обра­зованию закалочных структур; фи­зико-механические свойства сварного соединения; .соответствие специаль­ных свойств (жаропрочность, изно­состойкость и др.) сварного сое­динения техническим условиям.
Свариваемость определяют двумя основными методами, разработанными МВТУ им. Баумана (валиковая про­ба) и Кировским (г. Ленинград) заводом.
Кристаллизация металла сварочной ванны
В процессе сварки по мере пере­мещения дуги вслед ей перемещается сварочная ванна. При этом в задней части ванны расплавленный металл охлаждается и, затвердевая, образует сварной шов.
Кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается у границы с не-расплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают крис­таллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией назы­вают процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного (жидкого) состояния в твердое. Структура метал­лов, не имеющих аллотропических превращений, определяется только первичной кристаллизацией. Металлы и сплавы, имеющие аллотропические формы или модификации, после пер­вичной кристаллизации при дальней­шем охлаждении претерпевают вто­ричную кристаллизацию в твердом состоянии — переход из одной алло­тропической формы в другую (фазо­вые превращения).
Первичная кристаллизация метал­ла сварочной ванны протекает перио­дически, так как периодически ухуд­шается теплообмен, периодически выделяется скрытая теплота крис­таллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появ­лению ликвации, как зональной, так и дендритной.
§ 12. Сварочная проволока
Для заполнения шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка или проволоки. При ручной дуговой сварке применяют плавя­щиеся электроды в виде прутков или стержней с покрытием. При ме­ханизированной сварке используют электрод в виде проволоки, намотан­ной на кассету.
Стальная холоднотянутая про­волока, идущая на изготовление электродов или применяемая как сва­рочная проволока, изготовляется по ГОСТ 2246 — 70 следующих диамет­ров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; '1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм. Проволока поставляется в мотках (бухтах) из одного отреза. Проволока первых семи диаметров
предназначена в основном для полу­автоматической и автоматической сварки в защитном газе. Для автома­тической и полуавтоматической сварки под флюсом применяют проволоку диа­метром 2...6 мм. Проволока диа­метром 1,6... 12,0 мм идет на изготов­ление стержней электродов. Поверх­ность проволоки должна быть глад­кой, чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.
По химическому составу ГОСТ 2246—70 устанавливает три основные группы марок сварочной проволоки: низкоуглеродистые (6 марок) с содер­жанием углерода не более 0,12%, предназначенные для сварки низкоуг­леродистых, среднеуглеродистых и не­которых низколегированных сталей;
установка для сварки кольцевых швов (рис. 62,в). Сварочная голов­ка закреплена неподвижно, а изготов­ляемое изделие вращается на роли­ковом стенде;
установка для сварки как прямо­линейных, так и кольцевых швов (рис. 62, г). Автоматическая головка может перемещаться вдоль сваривае­мого изделия. Кроме того, в фиксиро­ванном положении она может выпол­нять кольцевые швы. Для этого из­делие вращают с помощью механи­ческого привода или электропривода. Такая установка позволяет сваривать продольные и кольцевые швы только с наружной стороны.
Успешно применяется сварка про­дольных и кольцевых швов снаружи и изнутри сварочным трактором. При сварке продольных швов сварочный трактор двигается по самому изделию вдоль шва. При сварке кольцевых швов трактор перемещается по обе­чайке со скоростью, равной скорости ее вращения, но в противоположную сторону. Таким образом, сварочный трактор остается на месте, а свари­ваемый шов подается под трактор.
§ 21. Технология сварки
Конструктивные элементы основ­ных типов швов сварных соединений из углеродистых или низколегирован­ных сталей, свариваемых автоматичес­кой и полуавтоматической сваркой под флюсом, установлены ГОСТ 8713—79. В зависимости от толщины сваривае­мого металла и способа сварки ГОСТ устанавливает формы разделки кро­мок для каждого вида соединения. Требования к подготовке кромок и сборке изделия под сварку более высо­кие, чем при ручной сварке. Эти требования вытекают из условий авто­матической сварки. Настроенный под определенный режим автомат точно выполняет установленный процесс сварки и не может учесть и выпра­вить отклонения в разделке кромок и сборке изделия. Разделку кромок про­изводят машинной кислородной или плазменно-дуговой резкой, а также на металлорежущих станках.
Свариваемые кромки перед сбор­кой должны быть тщательно очище­ны от ржавчины, грязи, масла, влаги и шлаков. Это особенно важно при больших скоростях сварки, когда раз­личные загрязнения, попадая в зону дуги, приводят к образованию пор, раковин и неметаллических включе­ний. Очистку кромок производят пес­коструйной обработкой или протрав­ливанием и пассивированием. Очист­ке подвергается поверхность кромок шириной 50 ... 60 мм по обе стороны от шва. Перед сваркой детали за­крепляют на стендах или иных устрой­ствах с помощью различных приспо-собленний или прихватывают ручной сваркой электродами с качественным покрытием. Прихватки длиной 50... 70 мм располагают на расстоянии не более 400 мм друг от друга, а крайние прихватки — на расстоянии не менее 200 мм от края шва. Прихватки должны быть тщательно очищены от шлака, брызг металла.
При сварке продольных швов для ввода электрода в шов и вывода его из шва за пределы изделия по окончании сварки к кромкам привари­вают вводные и выводные планки. Форма разделки планок должна соответствовать разделке кромок ос­новного шва.
Режим автоматической сварки: сварочный ток, напряжение дуги, диа­метр, угол наклона и скорость подачи электродной проволоки, скорость свар­ки и основные размеры разделки кро­мок — выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок, формы разделки   и свариваемого металла.
Стыковые швы выполняют с раз­делкой и без разделки кромок. При этом шов может быть одно- и двусто­ронним, одно- и многослойным.
Односторонняя стыковая сварка применяется в малоответственных сварных соединениях или в случаях, когда конструкция изделия не позво­ляет производить двустороннюю свар­ку шва. Значительный объем расплав­ленного металла, большая глубина проплавления и некоторый перегрев ванны могут привести к вытеканию металла в зазоры и нарушению