Фізичні основи одержання зварних з’єднань

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: Фізичні основи одержання зварних з'єднань

Зміст

1. Історичні аспекти розвитку та встановлення зварювання

2. Класифікація основних видів зварювання

3. Зварні з'єднання та шви

4. Зварювальна дуга її будова та характеристика

5. Джерела живлення дуги

6. Зварювальні матеріали

Використана література

1. Історичні аспекти розвитку та встановлення зварювання

Зварювання -- це один із найпоширеніших технологічних процесів з'єднання матеріалів. Використання зварювання у всіх галузях народного господарства дозволяє виготовляти високотехнологічні конструкції, забезпечує короткий термін їх виготовлення й ремонту при значній економії часу та металу. Історія електричного зварювання бере свій початок в XIX ст. У 1802 р. російський вчений В. В. Петров відкрив явище електричної дуги і вказав на можливість її використання для розплавлення металів. Але тільки в 1882 р. російський інженер Н. Н. Бенардос відкрив спосіб електродугового зварювання неплавким вугільним електродом і запропонував конструкції простих зварювальних автоматів. У 1888 р. російський інженер Н. Г. Слав'янов запропонував виконувати зварювання плавким металевим електродом. Він першим у світі виготовив зварювальний генератор, створив автоматичний регулятор довжини дуги і розробив металургійні основи зварювання. Широке промислове застосування і розвиток зварювання почалися в 30-ті роки XX ст.

З'явились нові види зварювання: електрошлакове, під шаром флюсу, у вуглекислому газі, електронно-променеве, підводне. У 1924-1935 рр. використовувались електроди без покриття або з тонким іонізуючим покриттям. З 1935-1939 рр. почали широко використовувати зварювання на базі електродів з товстим покриттям і стрижнів із легованих сталей. У 1939 р. під керівництвом академіка АН УРСР Євгена Оскаровича Патона (1870-1953) були запроваджені автоматичне та напівавтоматичне зварювання під шаром флюсу. З 1948 р. промислове застосування отримав спосіб дугового зварювання в інертних захисних газах. На початку 50-х років XX ст. під керівництвом академіка Бориса Євгеновича Патона в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона було розроблене електрошлакове зварювання. У 1950-1952 рр. впроваджене зварювання сталей у середовищі вуглекислого газу. 5 ля з'єднання хімічно активних і тугоплавких металів наприкінці 50-х років XX ст. французькими вченими створено електронно-променеве зварювання. Розвиток зварювального виробництва значною мірою залежить від обсягів випуску сталі й прокату. У 2002 р. Україна виготовила 33,5 млн. т сталі і 25,58 млн. т прокату. Загальний об'єм виробництва електродів дорівнював 44 276 т, із них з рутил-ільменітовим покриттям 36 399, із основним -- 7 311 і спеціальних електродів -- 566 т.

Було виготовлено 790 т порошкового дроту, 278 зварювального і 512 для наплавлення, а також 19 334 т флюсів. Експорт українських зварювальних матеріалів становив 1 780 т. Сучасний стан зварювального виробництва України характеризується наявністю значних потужностей з випуску зварних конструкцій, зварювальних матеріалів й обладнання. У третьому тисячолітті зварювання -- один з провідних технологічних процесів. До 2/3 світового споживання сталевого прокату йде на виробництво зварних конструкцій. Практично зварюють майже всі метали на землі, в морських глибинах і в космосі. Маса зварюваних конструкцій становить від частки грама до сотень і тисяч тонн. Більше половини валового національного продукту промислово розвинутих країн створюється за допомогою зварювання і споріднених технологій, до яких відносять наплавлення, паяння, різання, нанесення покриття, склеювання різних матеріалів. Науково-технічне поняття "зварювання" охоплює такі суміжні напрями, як заготовка й складання, діагностика та не руйнуючий контроль, техніка безпеки й екологія зварювальних процесів.

2. Класифікація основних видів зварювання

Зварювання -- це процес одержання нероз'ємного з'єднання шляхом встановлення міжатомних зв'язків між зварюваними частинами при їх місцевому або загальному нагріванні, пластичною деформацією або їх спільною дією. Залежно від виду енергії зварювання поділяють на три класи: термічний, термомеханічний та механічний.

До термічного класу належать види зварювання за допомогою плавлення, в яких для розплавлення металу використовують теплову енергію:

--дугове зварювання -- нагрівання здійснюється електричною дугою;

--плазмове зварювання -- нагрівання здійснюється стиснутою дугою;

--газове зварювання -- нагрівання здійснюється полум'ям газів;

--електрошлакове зварювання -- для нагрівання використовують тепло, яке виділяється при проходженні електричного струму через розплавлений електропровідний шлак;

--електронно-променеве зварювання -- для нагрівання використовують тепло електричного променя, яке виділяється за рахунок бомбардування зони зварювання направленим потоком електронів;

--лазерне зварювання -- розплавлення здійснюється енергією світлового променя, одержаного від оптичного квантового генератора;

--термітне зварювання -- використовується тепло, утворене в результаті спалювання термітного порошку, який складається з суміші алюмінію та оксиду заліза.

До термомеханічного класу належать види зварювання, в яких використовується теплова енергія й тиск:

--контактне зварювання -- із використанням тиску та нагрівання при проходженні електричного струму через контактні поверхні;

--дифузійне зварювання проходить через взаємну дифузію атомів контактних поверхонь при тривалому впливі підвищеної температури і незначній пластичній деформації;

--пресове зварювання -- нагрівання здійснюється полум'ям газів (газопресове зварювання), дугою (дугопресове зварювання), електрошлаковим процесом (шлакопресове зварювання), індукційним нагріванням (індукційно-пресове зварювання), термітом (термітно-пресове зварювання).

До механічного класу належить зварювання, яке виконується з використанням механічної енергії й тиску:

--ультразвукове зварювання -- тиск створюється ультразвуковими коливаннями;

--холодне зварювання -- використовується тиск при значній пластичній деформації без нагрівання;

--зварювання вибухом відбувається в результаті викликаного вибухом удару швидко рухомих частин;

--зварювання тертям відбувається в результаті стискання і нагрівання зварюваних деталей за рахунок тертя при їх обертанні;

--імпульсно-магнітне зварювання -- тиск електрода підсилюється імпульсним магнітним полем, завдяки чому подача електрода в період стискання прискорюється настільки, що набирає ударного характеру.

Процеси дугового зварювання називаються механізованими у випадку, коли за допомогою різних приводів і механізмів (електричних, пневматичних, гідравлічних та ін.) виконуються основні зварювальні операції, наприклад, подача електродного дроту в зону зварювання, підвід електричного струму, подача захисного газу, переміщення зварювальної дуги вздовж шва, подача флюсу тощо. Із механізованих способів зварювання плавленням широко використовуються автоматичне і напівавтоматичне зварювання під флюсом, у захисних газах, електрозаклепками, електрошлакове та ін.

3. Зварні з'єднання та шви

Зварним з'єднанням називають нероз'ємне з'єднання, виконане зварюванням. Основні геометричні параметри представлені на слайді За видом з'єднання можуть бути стикові, кутові, таврові, внапуск, торцеві. Зварний шов -- це ділянка зварного з'єднання, утворена в результаті кристалізації металу зварювальної ванни. Будова зварного шва показана на слайді.

Зварювальна ванна -- ділянка зварного шва, яка при зварюванні знаходиться в рідкому стані.

Кратером називають заглиблення, утворене в зварній ванні тиском дуги (полум'я). Основним називають метал, який підлягає з'єднанню зварюванням.

Присаджувальним називають метал, призначений для введення в зварну ванну до розплавленого основного металу.

Наплавленим називають переплавлений присаджувальний метал, введений в зварну ванну до основного металу.

Металом шва називають сплав, утворений переплавленими основним і наплавленим металами

Кромки -- це торцеві поверхні деталей, що підлягають зварюванню.

Розчищення кромок -- надання необхідної форми кромкам, які підлягають зварюванню.

Скіс кромки -- це прямолінійний або криволінійний зріз кромки, яка підлягає зварюванню.

Притуплення кромки -- нескошена частина її торця.

Зазор -- відстань між притупленнями кромок.

Кут скосу кромки -- кут між площиною скосу кромки і торцем.

Кут розчищення кромок -- кут між скошеними кромками. Кромки розчищають з метою кращого провару кореня шва.

Підсилення шва -- частина металу шва, що виступає над поверхнею зварюваних деталей.

Глибина проплавлення -- найбільша глибина розплавленого основного металу в перерізі шва.

Корінь шва -- частина зварного шва, де дно зварювальної ванни перетинає поверхню основного металу.

Шар -- частина металу зварного шва, утворена одним або двома валиками, які розташовані на одному рівні поперечного перерізу шва.

Валиком називають метал, наплавлений або переплавлений за один прохід.

Прохід -- це одноразове переміщення в одному напрямку джерела нагрівання.

Багатошаровий шов -- це шов, утворений декількома шарами.

Підварний шов -- менша частина двобічного шва, яка виконується попередньо для запобігання пропалів при наступному зварюванні або накладається в останню чергу в корінь шва для забезпечення його високої якості.

Заготовка -- матеріал, призначений для наступної обробки і який має певні розміри з урахуванням припусків на обробку.

Напівфабрикат -- заготовка, що пройшла часткову обробку і призначена для подальшої обробки.

Деталь -- виріб, виготовлений з однорідного за назвою і маркою матеріалу без застосування складальних операцій.

Складальна одиниця (вузол) -- сукупність з'єднаних між собою деталей.

Виріб -- кінцевий продукт виробництва, предмет або група предметів, виготовлених на підприємстві.

Зварні шви поділяються за видом зварного з'єднання та геометричними параметрами перерізу шва на стикові й кутові. Стикові шви використовують для виконання стикових, торцевих і відбортованих з'єднань. Кутові шви використовують у таврових, кутових і з'єднаннях внапуск. Розміри перерізу швів встановлені ГОСТ 5264-80. До основних геометричних параметрів зварного шва відносяться .

4. Зварювальна дуга її будова та характеристика

Електричною дугою називають тривалий розряд електричного струму між двома електродами в іонізованій суміші газів і парів металів, а також компонентів, які входять до складу покриттів електродів і флюсів.

У звичайних умовах гази не проводять електричного струму, бо вони складаються з атомів і нейтральних молекул, які не є носіями електричних зарядів. Для утворення й підтримання горіння дуги необхідно, щоб у просторі між електродами були електрично заряджені частинки (електрони та іони). Процес утворення таких частинок називається іонізацією, а газ -- іонізованим. Енергія, витрачена на утворення іонів і відривання електронів від атомів, називається потенціалом іонізації. Найменший потенціал іонізації мають лужні й лужно-земельні метали (калій, натрій, кальцій) та їх сполуки, оксид заліза, які вводять в електродні покриття для підвищення стійкості горіння дуги.

Запалювання дуги постійного струму проходить таким чином. При короткому замиканні електрода (катод) на виріб (анод) виділяється велика кількість тепла, яке прискорює рух вільних електронів по замкненому зварювальному колі. Після відриву (відводу) електрода від виробу під впливом електричного поля вільні електрони починають вилітати в між електродний простір. Виникає електронна емісія -- самовільний вихід вільних електронів з катода у газове середовище, що призводить до збудження електричної дуги. Електрони, які вилетіли з кінця електрода, поповнюються з джерела живлення зварювальним струмом і дуга буде горіти постійно.

Зварювальна дуга -- це ділянка електричного кола, на якій проходить спад напруги і яка поділяється на три області: катодну та анодну плями й стовп дуги . Катодна пляма є джерелом електронів. Температура її досягає 2400-2600°С (для сталевих електродів). У катодній плямі виділяється близько 38% загальної кількості тепла, а спад напруги (ТЛк) пов'язаний з витратами на емісію та розгін електронів і становить 12-17 В. Стовп дуги є провідником електричного струму, де утворюються вторинні електрони та іони. Стовп дуги нейтральний. У ньому одночасно знаходиться однакова кількість заряджених частинок протилежних знаків. Процес з'єднання позитивних іонів з електронами й утворення нейтральних атомів називається рекомбінацією. У стовпі дуги виділяється близько 20% її загального тепла, а спад напруги зростає при збільшенні довжини дуги і становить 2-12 В. Температура стовпа дуги залежить від сили зварювального струму і досягає 6000-8000°С. Температура краплі металу на кінці електрода дорівнює 2150оС, а при перельоті через стовп дуги -- 2350оС. Середня температура зварювальної ванни становить 1770°С.

Анодна пляма є місцем входу електронів і має температуру 2400-2600оС, але в результаті бомбардування електронами на ній виділяється більше тепла (42%), ніж на катодній плямі. Спад напруги на анодній плямі (ІІа) пов'язаний з витратами енергії на бомбардування анода електронами й дорівнює 2-11 В. Поверхня анодної плями під впливом сильного бомбардування має увігнуту форму, яку називають кратером.

Основною характеристикою зварювальної дуги є статична вольт-амперна характеристика. Це залежність напруги на дузі при постійній її довжині від сили зварювального струму . Крива статичної вольт-амперної характеристики має три області: спадаючу (І), жорстку (11) і зростаючу (III). Спадаюча -- при збільшенні струму напруга зменшується, жорстка -- збільшення струму не змінює напруги дуги і зростаюча -- збільшення зварювального струму призводить до зростання напруги дуги. При ручному зварюванні покритими електродами статична характеристика дуги спадаюча, а при збільшенні струму переходить до жорсткої. При зварюванні у вуглекислому газі і під флюсом статична характеристика жорстка з переходом до зростаючої. Коли сила струму не змінюється, напруга дуги залежить від її довжини.

5. Джерела живлення дуги

зварювання живлення шов зварник

Зварювальним постом називається робоче місце зварника, обладнане всім необхідним для виконання зварювальних робіт. Зварювальний пост укомплектовують джерелом живлення (трансформатор, випрямляч), зварювальними кабелями, електродотримачем або пальником, пристосуваннями, інструментами, засобами захисту. Зварювальні пости можуть бути стаціонарні й пересувні. Стаціонарні пости -- це відкриті зверху кабіни для зварювання виробів невеликих розмірів. Каркас кабіни висотою 1800-2000 мм виготовляють із сталі. Для кращої вентиляції стіни кабіни піднімають над підлогою на 200-250 мм. їх виготовляють із сталі, азбестоцементних плит, інших негорючих матеріалів і фарбують вогнетривкою фарбою (цинкові, титанові білила, жовтий крон), яка добре поглинає ультрафіолетові промені зварювальної дуги. Дверний проміжок закривають брезентовою ширмою. Підлогу роблять з бетону, цегли, цементу. Кабіни повинні освітлюватись денним і штучним світлом і добре провітрюватись. Для роботи сидячи, використовують столи висотою 500-600 мм, а при роботі стоячи -- близько 900 мм. Кришку стола площею 1 м² виготовляють із сталі товщиною 15-20 мм або з чавуну товщиною 25 мм. До стола під'єднують струмопровідний кабель від джерела живлення. Поряд із столом розміщують кишені для електродів та їх відходів, інструменти (молоток, зубило, сталева щітка тощо) й технологічну документацію. Для зручності при зварюванні встановлюють металеве крісло з діелектричним сидінням. Під ногами має бути гумовий килимок, а все обладнання кабіни надійно заземлене. Пересувні пости використовують при зварюванні великих виробів безпосередньо на виробничих ділянках.

Джерела струму характеризуються рядом параметрів, до яких відносяться:

-- номінальний зварювальний струм;

-- межі регулювання струму;

--напруга холостого ходу;

-- коефіцієнт корисної дії;

-- коефіцієнт потужності;

-- зовнішня характеристика джерела живлення;

--режими роботи джерела струму.

Зварювальні трансформатори призначені для зниження напруги з 220 або 380 В до безпечної напруги, але достатньої для легкого запалювання та стійкого горіння електричної дуги (не більше 80 В) і регулювання сили зварювального струму залежно від діаметра електродного дроту та товщини зварюваного металу

Принцип дії трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Він складається з корпусу, в середині якого розміщений магнітопровід (осердя), зібраний з тонких (0,5 мм) лакованих пластин електротехнічної сталі і на якому розміщені первинна та вторинна обмотки. Для підвищення коефіцієнта трансформації в трансформаторах ТСК використовують батарею конденсаторів 4, яку вмикають паралельно до первинної обмотки Якщо по первинній обмотці з більшою кількістю витків пропустити змінний струм (напругою 220 або 380 В), то він буде намагнічувати осердя трансформатора, створюючи в ньому змінний магнітний потік. Впливаючи на вторинну обмотку з меншою кількістю витків цей магнітний потік буде створювати (індукувати) в ній змінний струм меншої напруги але більшої величини. Знижуючи за допомогою трансформатора напругу, у стільки ж разів збільшують струм у вторинному колі, який у 3-6 разів більший первинного. Котушки первинної обмотки вмикають у мережу змінного струму, а від котушок вторинної обмотки зварювальний струм подається на електрод і виріб. У момент підключення первинної обмотки до електромережі (вторинна обмотка розімкнена) встановлюється режим холостого (неробочого) ходу трансформатора. Напруга вторинної обмотки при холостому ході максимальна; її називають 44 напругою холостого ходу. Відношення напруга первинної обмотки до напруги вторинної при холостому ході називають коефіцієнтом трансформації. Він дорівнює відношенню кількості витків первинної обмотки до кількості витків вторинної. Таким чином у трансформаторах знижується напруга з 220 В або 380 до 60-90 В і їх називають знижувальними. Коли під час запалювання дуги коло вторинної обмотки замикається, то встановлюється режим навантаження. Зварювальний струм регулюють зміною напруги холостого ходу й опором трансформатора.

Для ручного дугового зварювання використовують трансформатори типу ТД, ТДП, ТСП із рухомими котушками; СТШ, ТДМ -- із рухомими магнітними шунтами, а також ТСМ -- із намоткою кабелю безпосередньо на кожух трансформатора для регулювання струму. Трансформатори деяких типів оснащують пристроями для зниження напруги холостого ходу із збудником-стабілізатором ВСД і конденсаторами для підвищення коефіцієнта потужності. Для механізованого зварювання використовують трансформатори типу ТДФ, ТДФЖ із тиристорним регулюванням. Для електрошлакового зварювання застосовують трансформатори типу ТСШ, ТРМ.

Зварювальні випрямлячі призначені для перетворення змінного струму в постійний і живлення ним зварювальної дуги. Випрямлячі класифікуються: --за числом обслуговуваних постів -- одно та багато постові; -- за числом фаз живлення -- однофазні й трифазні; --за типом вентилів -- діодні, тиристорні, інверторні; --за способом регулювання струмом або напругою -- із механічним регулюванням рухомими обмотками (типу ВД для ручного зварювання), які регулюються зміною коефіцієнта трансформації силового трансформатора (типу ВС для механізованого зварювання у вуглекислому газі), з регулюванням методом магнітної комутації (типу ВСЖ), які регулюються за допомогою дроселя насичення (типу ВДГ); із регулюванням тиристорами (універсальні випрямлячі); --за схемою випрямлення -- одно напівперіодні, трифазні, шестифазні; -- за призначенням -- для ручного дугового зварювання (зі спадаючими зовнішніми характеристиками), для механізованого зварювання під флюсом (зі спадаючими зовнішніми характеристиками), для механізованого зварювання у вуглекислому газі (з похило спадаючими зовнішніми характеристиками), універсальні (для всіх видів зварювання з круто та похило спадаючими характеристиками). Основними елементами випрямляча є: трансформатор, регулюючий пристрій і напівпровідникові вентилі (селенові, кремнієві або германієві), які проводять струм тільки в одному напрямку.

Для ручного дугового зварювання використовуються випрямлячі типів ВД-102, ВД-201, ВД-306 Д (БУСП-ТИГ) (ТИГ-ДС), ВД-506 Д (ММА-ДС) та інші, де: БУСП -- блок керування зварювальним процесом; ДС -- постійний струм; ТИ Г -- режим аргонодугового зварювання неплавким електродом; ММА -- режим дугового зварювання покритим електродом; МИГ/МАГ -- режим напівавтоматичного зварювання плавким електродом у середовищі захисних газів. Для механізованого зварювання використовують випрямлячі типу ВС-300, ВДГИ-301, ВСЖ-303, ВДГ-401 та ін. До джерел живлення універсального призначення відносяться випрямлячі типу ВДУ-504, ВДУ-506С (МИГ/МАГ), ВДУ-601, ВДУ-1250 та ін., а також інверторні -- "Пирс-160", ВДУ2-301УХЛ4, Pico-140.

Зварювальний перетворювач -- це машина, що призначена для! перетворення змінного струму в постійний зварювальний струм. ' Для ручного зварювання використовуються перетворювачі типу ПСО-300-2, ПСО-315М, ПД-502 з колекторними генераторами та ПД-305 із вентильним генератором. Для механізованого зварювання плавким електродом у вуглекислому газі використовують перетворювач типу ПСГ-500. Усі перетворювачі оснащені привідними асинхронними двигунами з короткозамкненим ротором.

Джерелами живлення для зварювання постійним струмом є зварювальні агрегати. Вони перетворюють механічну енергію двигунів в електричну з напругою й діапазоном струмів, необхідних для зварювання. Зварювальні агрегати використовуються в польових умовах та у випадках сильного коливання напруги електромережі. Електромашинні джерела живлення, основними вузлами яких є генератори постійного струму й привідні двигуни, класифікують: --за типом приводу з бензиновим, дизельним або електричним Двигуном; --за конструктивним виконанням генератора: колекторні, вентильні та асинхронні; --за способом встановлення: стаціонарні й пересувні.

6. Зварювальні матеріали

Електрод -- це металевий або неметалевий стрижень, призначений для підведення струму до зварювальної дуги. При ручному дуговому зварюванні використовують покриті електроди. Це покриті спеціальною обмазкою стрижні круглого перерізу різного діаметра. Для напівавтоматичного та автоматичного зварювання використовують зварювальні порошкові й самозахисні дроти різних марок і діаметра. Електроди можуть бути плавкі й неплавкі. Плавкі електроди виготовляють із сталі, чавуну, міді, алюмінію, їх сплавів тощо; неплавкі -- із вольфраму та його сплавів, вугілля та графіту. Плавкі електроди одночасно є й присаджувальним матеріалом. Неплавкі електроди тільки підводять зварювальний струм до дуги, а присаджувальний метал при необхідності подають окремо.

Використана література

Гельман А.С. “Основы сварки давленим”. М., “Машиносроение”, 1970. - 312 с.

Евсеев Г.Б., Глизмененко Д.А. “Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов”. М., “Машгиз” , 1974 г. - 312с.

Ольшанский Н.А. , Николаев Г.А. “Специальные методы сварки”. М. , “Машиностроение ” , 1975. - 232 с.

Справочник по сварке. Т. I-IV. М. “Машгиз”. 1961-1970. 416 стр.

Теоретические основы сварки. М., “Высшая школа”, 1970. - 592стр.

Размещено на Allbest.ru