Методы ручной электродуговой сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Вступление

1.1 История развития сварки

Начало ХХ в. можно назвать периодом перехода к новой технологии соединения металлов - сварке. Сварка в руках специалистов уже охватывала почти весь диапазон толщин и типов соединений изделий из черных металлов, а также медных, бронзовых и других материалов. Однако в промышленности сварка использовалась преимущественно для ремонта неответственных деталей. Основной причиной этого было низкое качество металла шва. Клепка, несмотря на технические трудности, давала более прочные и плотные соединения. И все же преимущества сварки были очевидны, и преодоление ее недостатков сулило серьезные выгоды. Именно ХХ в. стал временем расцвета и триумфа сварочной науки, техники и технологии. За последние сто лет были разработаны и нашли практическое применение большинство видов сварки, она вышла за пределы Земли и опустилась под воду.

1.1.1 Дуговые виды сварки металлов

В конце XIX в. - начале ХХ в. дуговую сварку по способам Бенардоса и Славянова продолжали применять в России и за рубежом главным образом на железных дорогах, на крупных машиностроительных и металлургических предприятиях. Усовершенствование технологии сварки позволило применять ее не только для ремонта простых изделий, но и для более ответственных работ. С помощью сварки ремонтировали паровозные цилиндры, вагонные колеса, заваривали трещины в бронзовых золотниках и наплавляли шейки паровозных и вагонных осей.

По способу Славянова успешно сваривали чугун и бронзу, стальные детали значительных сечений. Качество сварочных работ находилось на высоком уровне. К началу ХХ в. установки для дуговой сварки действовали на Коломенском и Невском машиностроительных заводах, на заводе общества пароходства и торговли в Севастополе, на Луганском, Златоустовском, Сормовском и Ижевском заводах, в Одесских и Кронштадских портовых мастерских, в мастерских при различных железных дорогах. Особо следует отметить Одесскую электросварочную мастерскую Юго-Западной железной дороги. За большие успехи в применении дуговой сварки и совершенствовании технологического процесса на Всероссийской промышленной выставке в 1910 г.

Одесские железнодорожные мастерские были удостоены высшей награды - золотой медали с надписью «За умелое применение электросварки». В период Первой мировой войны сварка плавящимся и угольным электродом стала применяться и в английской промышленности при производстве корпусов бомб, мин и торпед, а в 1920 г. электрическая дуга вспыхнула и на судостроительных верфях. Но, как уже отмечалось, несмотря на отдельные успехи, дуговая сварка по способам Бенардоса, Славянова, Коффина и Церенера имела серьезные недостатки: плавление стали в дуговом разряде сопровождалось выгоранием углерода, марганца, кремния. При этом сварной шов мог насыщаться кислородом, азотом и водородом.

Для создания конкурентоспособного процесса необходимо было решить ряд проблем, прежде всего технологического характера. Особенно это было важно для сварки плавящимся электродом. Дуга на металлическом электроде имеет небольшую длину, поэтому сварщик должен поддерживать дуговой промежуток с большой точностью в пределах 1-3 мм при скорости плавления электрода более 200 мм в минуту. В связи с этим стоит электроду оплавиться на несколько миллиметров, как процесс становится неустойчивым, капли металла разлетаются в разные стороны, дуга гаснет. Поэтому необходимо было не только найти способы защиты зоны сварки и легирования ванны для улучшения качества металла шва, но и попытаться облегчить процессы возбуждения и поддержания горения дуги. Удачно найденные решения внедрялись в практику, развивались, служили очередной ступенькой для дальнейшего совершенствования.

1.1.2 Дуговая сварка покрытыми электродами

Новый путь развития дуговой сварки открыл Оскар Кьельберг. В 1904 г. О. Кьельберг основывает фирму «ЭСАБ» по производству главным образом электротехнического оборудования для судостроения, которая в настоящее время известна сварщикам всего мира высококачественным сварочным оборудованием, материалами и технологиями. Начинаются его исследования по сварке, в результате которых в 1907 г. был создан плавящийся электрод в виде отрезка проволоки, покрытого с помощью клея порошком силикатов.

Так изобретатель хотел предотвратить стекание электродного металла при сварке швов в потолочном положении, но дополнительно обнаружил, что улучшается и защита зоны сварки. Поэтому в патенте сказано, что цель покрытия - «защитить расплавленный металл от кислорода и азота воздуха и обеспечить надлежащие физические и химические свойства шва, а также сделать возможной сварку во всех пространственных положениях».

Непокрытым оставался только один конец, который вставлялся в электрододержатель и торец электрода на другом конце, которым зажигали дугу. Однако «защита» была очень слабая. Расплавленные силикаты обволакивали конец электрода, но поверхность капель металла не полностью покрывалась шлаком. Компоненты воздуха - азот и кислород - могли контактировать и взаимодействовать с металлом. Несмотря на это, качество металла удалось улучшить. Существенно улучшил электродное покрытие англичанин А. Строменгер в 1911 г.

Он предложил обматывать металлический стержень асбестовым шнуром, пропитанным силикатом натрия (жидким стеклом). Тонкая алюминиевая проволока наматывалась поверх покрытия. Шлака от такого покрытия образовывалось столько, что обеспечивалась достаточно надежная защита и образующихся капель металла и сварочной ванны. Алюминий выступал в роли раскислителя и обеспечивал удаление кислорода. Под названием «Квази-арк» эти электроды распространились по Европе и Америке. В 1917 г. английский инженер С. Джонс получил патент, по которому на оплетку из асбеста или другого непроводящего материала наносилась специальная паста, состоящая из шлака и связующего (жидкого стекла). Разработчики обратили внимание и на материал электродного стержня. В 1917 г. в Америке выпускали 8 типов специализированных электродов, отличающиеся друг от друга маркой стали, из которой изготовлен электрод. В этом же году американские ученые О. Андрус и Д. Стреса изобрели новый тип электрода.

Стальной стержень был обернут полосой бумаги, приклеенной силикатом натрия. Бумага при горении электрода давала дым, который оттеснял воздух из зоны сварки. Обнаружилось еще одно интересное свойство покрытия - дуга зажигалась сразу, с первого касания, и не гасла при удлинении. В 1925 г. англичанин А.О. Смит несколько изменил конструкцию штучного электрода: на бумагу с помощью жидкого стекла наносились порошкообразные компоненты, улучшающие защиту и легирующие металл шва. По мере добавления различных компонентов покрытие становилось толще, а качество наплавленного металла - лучше. В этом же году французские изобретатели О. Саразен и О. Монейрон разработали покрытие, которое толстым слоем наносилось на металлический стержень. Компонентами в рецепте покрытия стали соединения щелочных и щелочноземельных металлов: полевой шпат, мел, мрамор, сода. Элементы (калий, натрий и кальций) обладают низким потенциалом ионизации, что обеспечивает легкое возбуждение дуги и поддержание ее горения.

В октябре 1914 г. С. Джонсу был выдан британский патент на метод получения электрода, покрытие которого наносилось методом опрессовки. Металлический стержень проталкивался через фильеру одновременно с шихтой, ложившейся на стержень. Таким образом, за первую четверть ХХ в. были разработаны конструкции плавящихся электродов для ручной дуговой сварки, методы их изготовления, обоснован состав покрытия. К концу 20-х годов прошлого века электроды с обмазкой содержали специальные компоненты: - газообразующие - оттесняющие воздух из зоны сварки; - легирующие - улучшающие состав и структуру металла шва; - шлакообразующие - защищающие расплавленный и кристаллизующийся металл от взаимодействия с газовой фазой; - стабилизирующие - вещества с низким потенциалом ионизации. Изменяя состав компонентов покрытия, можно было получать электроды со специальными свойствами. Судьба дуговой сварки зависела также от решения проблемы источника питания.

Первый специализированный источник питания для сварки был разработан Н.Н. Бенардосом. Его сварочный аккумулятор нашел применение во многих странах мира, проработав на отдельных предприятиях до 30-х годов ХХ в. Однако эксплуатация аккумуляторов представляла серьезные трудности, вызванные вредными условиями труда, необходимостью систематической зарядки, невозможностью транспортировки. Сварочный генератор Н.Г. Славянова упростил уход за источником питания. Однако для обеспечения стабильности горения дуги пришлось оставить в цепи буферную аккумуляторную батарею, сглаживающую пики токов. Развитие сварки и электротехники привело к тому, что в первом десятилетии ХХ в. в Германии и США начали выпускать специальные сварочные генераторы.

В 1907 г. первый генератор с регулируемым напряжением был выпущен на заводе «Линкольн электрик». В том же году другая американская фирма «Си-Си электрик» наладила производство мотор-генераторов. В 1909 г. генератор постоянного тока создал американский промышленник и изобретатель Дж. Вестингауз, а фирма «Дженерал электрик» стала выпускать моторгенераторы. Между тем электротехника в развитых странах мира уже осваивала переменный ток. Его применение сулило большие выгоды, в первую очередь за счет упрощения конструкции источников питания.

Однако природа переменного электрического тока вроде бы была несовместима с природой дуги, которая мгновенно исчезает при нулевом значении тока. Одним из первых, кто предложил решение этой проблемы, был известный российский электротехник академик В.Ф. Миткевич. В 1905 г. в работе «О вольтовой дуге» он обосновал возможность применения для сварки переменного тока, в том числе и трехфазного. При питании сварочной дуги переменным током новый потенциал между электродами должен подаваться раньше, чем распадется плазма. В связи с этим скорость нарастания напряжения источника питания должна быть больше, чем скорость деионизации дугового промежутка. Предложенные им схемы легли в основу сварки на переменном токе.

И вот в середине 20-х годов ХХ в. в качестве источников питания наряду со сварочными преобразователями стали использовать специальные сварочные трансформаторы, а еще через десять лет - сварочные выпрямители. В нашей стране в эти же годы работы по обеспечению развития дуговой сварки были поставлены на промышленную основу. В 1928 г. на заводе им. Г.И.Петровского (г. Днепропетровск) серийно стали выпускать покрытые электроды для сварки. К концу тридцатых годов были сформулированы принципы регулирования тока в сварочных трансформаторах, которые были воплощены в различных конструкциях источников питания:

с несколькими выводами;

с магнитным шунтом;

Размещено на http://www.allbest.ru/

с регулируемым воздушным зазором.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Е.О. Патон (1870-1953)

Выпуск этого оборудования стал производиться серийно на заводе «Электрик», история которого началась в 1896 г. Именно в это время в г. Санкт-Петербурге на Аптекарском острове Петроградской стороны акционерным обществом «Дюфлонн Константинович» был построен «Завод электромеханических сооружений». В ноябре 1922 г. завод получил современное название. Ручная дуговая сварка все шире внедрялась в производство металлических конструкций: котлы и корабли, каркасы зданий и детали мостов, автомобили и вагоны. Казалось, ничто не может прервать наступление сварки.

Но чем шире внедрялась дуговая сварка, тем чаще возникали отрицательные эффекты, которые настораживали производственников и эксплуатационников, вызывая с их стороны запрет на применение нового технологического процесса. Трещины в швах и околошовной зоне, напряжения и деформации целых конструкций, изменяющееся труднопредсказуемое качество при изменении сварочных материалов, ограниченность материалов, их толщин и типов соединений, которые можно сваривать - вот неполный перечень проблем, которые требовали научных решений. Но сварочная наука тогда еще не сформировалась, а рекомендации и выводы отдельных ученых не всегда принимались во внимание.

В большинстве исследовательских и заводских лабораторий изучали преимущественно механические свойства сварных соединений из низкоуглеродистых сталей, которые характеризовались удовлетворительными значениями предела прочности - 320-400 МПа. Пластические свойства металла шва в сварных соединениях были невысокими: углы загиба при разрушении не превышали 30-35 ⁰, а ударная вязкость металла сварных швов при низких и высоких температурах - 100 кДж/м². По результатам ряда экспериментов было установлено отрицательное влияние на механические свойства сварных соединений проведения сварки при отрицательных температурах. Периодически мир наполняли слухи о ненадежности сварных конструкций, которые, к сожалению, базировались на реальных событиях. В 1936-40 гг. в Западной Европе рухнуло несколько сварных мостов. Катастрофы происходили неожиданно.

Чаще всего этому предшествовало резкое понижение температуры воздуха. Во время аварии мосты не подвергались никакой нагрузке. В этот же период тысячи железнодорожных вагонов в СССР и других странах были сняты с эксплуатации из-за трещин в сварных рамах и тележках. Стало очевидным, что дальнейшее развитие сварки и полная победа новой технологии зависят от науки. В СССР и за рубежом стали создаваться сварочные научные центры, в которых начались всесторонние исследования по влиянию различных параметров сварочного процесса на состав и свойства металла шва и околошовной зоны, позволившие найти способы управлять качеством сварного соединения. Первой по времени возникновения в нашей стране сложилась научная школа В.П. Вологдина.

Диапазон интересов одного из основоположников сварочной науки был необычайно широк. В лаборатории сварки Дальневосточного университета В.П. Вологдиным и его учениками были разработаны вопросы, относящиеся к технологии дуговой сварки, деформациям и напряжениям металла при сварке, среди которых можно отметить:

определение коэффициентов прочности сварных соединений;

изучение влияния пространственного положения деталей при сварке на прочность шва; Размещено на http://www.allbest.ru/

разработку системы обозначений сварных швов на чертежах;

разработку методов Размещено на http://www.allbest.ru/

расчета сварочных деформаций и напряжений;

введение важнейших объективных показателей видов сварки плавлением - «коэффициента наплавки» и «коэффициента расплавления».

Размещено на http://www.allbest.ru/

В 1929 г. исследования сварных соединений и конструкций были развернуты под руководством Г.А. Николаева в Москве и Е.О. Патона в Киеве. Этот год можно считать знаменательным в становлении сварочной науки в нашей стране. В Москве организуется автогенно-сварочный техникум, который вскоре был преобразован в учебный комбинат, положивший начало сварочным кафедрам в МВТУ им. Н.Э. Баумана. В Киеве при Академии наук создается электросварочная лаборатория. Ее организатором и руководителем был крупный инженер и ученый в области мостостроения академик Е.О. Патон. В 1934 г. электросварочная лаборатория была преобразована в первый в мире научно-исследовательский институт, который занимался только вопросами сварки - Институт электросварки АН УССР. В 1929 г. Е.О.Патон начинает заниматься вопросами электросварки. Всю оставшуюся жизнь он посвятил разработке научных основ сварки, внедрению ее в промышленность.

Первые исследовательские работы касались вопросов прочности сварных соединений и конструкций. Е.О. Патону и его сотрудникам удалось установить условия применения электросварки при изготовлении конструкций, испытывающих не только статические, но и динамические нагрузки. Значительный интерес представляли исследования статической и вибрационной прочности сварных конструкций.

Одними из первых ученые института изучили процессы плавления основного и электродного металлов, тепловой баланс при сварке открытой дугой, а также основные вопросы металлургии сварки и свариваемости низколегированных сталей. В начале тридцатых годов были опубликованы работы Г.А. Николаева о влиянии сварочных напряжений и деформаций на работоспособность ответственных сварных конструкций. Георгий Александрович Николаев родился в 1903 г. В 1925 г. он окончил Московский институт инженеров транспорта, а в 1928 г. - механико-математический факультет Московского государственного университета.

Начало его научной и педагогической деятельности совпало с новым историческим периодом в развитии СССР - индустриализацией и внедрением сварки в промышленное производство. Уже применялись в небольших объемах некоторые способы дуговой, контактной, газовой и термитной сварки, однако проблема создания надежных сварных изделий как конечной цели сварочного производства еще не была успешно решена. Именно Г.А. Николаев является одним из основателей науки о прочности сварных конструкций.

Его глубокие исследования собственных напряжений и деформаций сварных конструкций явились основой для ряда новых направлений в науке о сварке и послужили теоретической и практической базой для широкого внедрения сварки в различные отрасли хозяйства. При его участии были созданы первые сварные железнодорожные мосты. В период Великой Отечественной войны Г.А. Николаев внес большой вклад в применение сварки при производстве вооружения. С именем Г.А. Николаева связан ряд успешных работ по сварке в вакууме, ультразвуковой сварке и резке неметаллических материалов. Г.А. Николаев является выдающимся ученым, обогатившим науку фундаментальными теоретическими и экспериментальными исследованиями.

В эти же годы начала формироваться уральская школа сварщиков, у истоков создания которой стоял Г.П. Михайлов. Григорий Петрович Михайлов родился 1 января 1899 г. в г. Елабуге. Первоначальное образование он получил в реальном училище, а в 1924 г. окончил Московский институт инженеров путей сообщения. В 1927-28 гг. Г.П. Михайлов руководит строительством нового мартеновского цеха Пермского пушечного завода, применяя сварку при изготовлении металлоконструкций. В их изготовлении электродуговая сварка тогда почти не применялась. Не было методов расчета на прочность, технологий изготовления.

В середине 1928 г. он был переведен на строительство Уралмашзавода, где возглавил отдел по проектированию, производству металлических конструкций и возведению металлических сооружений. Опыт, полученный им на заводе, где Н.Г. Славянов создавал электродуговую сварку, пригодился и здесь. В 1930 г. были спроектированы и изготовлены первые сварные межэтажные перекрытия. Они представляли собой смесь элементов, которые в настоящее время считаются традиционными для подобного типа конструкций (пояса, раскосы, косынки и т.д.), и большого числа дополнительных крепежных элементов.

По мере изготовления и эксплуатации ферм число дополнительного крепежа уменьшалось, что оптимизировало и внешний вид, и технологию изготовления. Вскоре для строящегося завода были изготовлены мачты для прожекторов высотой 24 м, дымовые трубы высотой до 40 м, подкрановые балки для кранов грузоподъемностью 50 т длиной пролета 10 м, смонтирован сварной газопровод протяженностью 3 км. Исследования, выполненные В.П. Вологдиным, Е.О. Патоном, Г.А. Николаевым и другими специалистами по применению сварки при изготовлении металлических конструкций, дали положительные результаты.

Внедрение электросварки в производство металлических конструкций происходило на основе разработанных рекомендаций по итогам исследований. Впервые веское слово сказала сварочная наука. В дальнейшем будут изучены свойства сварочного дугового разряда, его электроэнергетические особенности и процессы превращения электрической энергии в тепловую. Получат объяснение процессы распространения теплоты в металле от концентрированного дугового источника, возникновения напряжений и деформаций в сварных конструкциях. Станут понятными закономерности при плавлении, взаимодействии и затвердевании фаз при сварке.

Появится специальный раздел металловедения, изучающий структурные превращения металла шва и околошовной зоны.

Все это станет не только фундаментом разработки приемов улучшения качества сварных соединений, полученных ручной дуговой сваркой, но и предпосылками создания новых способов.

Одним из первых, в результате систематических работ в Институте электросварки по изучению металлургических и электрических процессов дуговой сварки, был разработан способ сварки под флюсом.

1.2 Перспективы развития сварки

сварка сталь патрубок электродуговая

Во второй половине ХХ в. произошел переход от машинно-технической революции к научно-технической, которая характеризуется широким использованием наукоемких технологий. В начале третьего тысячелетия сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации.

Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения ресурсосберегающих заготовок, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции. Непрерывный рост наукоемкости сварочного производства способствует повышению качества продукции, ее эффективности и конкурентоспособности.

Сегодня сварка применяется для неразъемного соединения широчайшей гаммы металлических, неметаллических и композиционных конструкционных материалов в условиях земной атмосферы, Мирового океана и космоса. Несмотря на непрерывно увеличивающееся применение в сварных конструкциях и изделиях легких сплавов, полимерных материалов и композитов, основным конструкционным материалом остается сталь. Именно поэтому мировой рынок сварочной техники и услуг возрастает пропорционально росту мирового потребления стали. К началу ХХI в. он оценивается примерно в 40 млрд. долларов, из которых около 70 % приходится на сварочные материалы и около 30 % - на сварочное оборудование.

Отмеченные особенности определяют общую положительную тенденцию роста мирового производства сварных конструкций, динамичного развития мирового и регионального рынков сварочной техники и материалов, а также объемов научных исследований и разработок по совершенствованию сварки и родственных технологий. Основываясь на анализе, проведенном академиком Б.Е. Патоном, выделим основные направления развития сварки и родственных технологий в ХХI в. Сначала несколько слов об общих тенденциях применительно к нашей стране.

Дуговая и контактная сварка останутся по-прежнему доминирующими способами соединения металлов. Предполагается, что доля ручной дуговой сварки покрытыми электродами к 2010 г. составит 20 - 25 % от общего объема сварки.

Доля механизированных и автоматических способов сварки в защитных газах, заменяющих ручную дуговую, составит в будущем 50 - 55 % общего ее объема.

Развитие сварки под флюсом, доля которой к 2010 г. составит ~ 17 % в общем ее объеме, связано с созданием более совершенного оборудования. Учитывая мировые тенденции расширения области применения прогрессивных ресурсосберегающих технологий можно предположить, что доля лазерной технологии в сварочном производстве в предстоящее десятилетие существенно увеличится и достигнет 6 - 8 % общего объема сварочных работ.

Такие способы сварки, как электронно-лучевая, диффузионная и высокочастотная, занимают важное место в общих технологических процессах обработки металлов и будут развиваться в зависимости от нужд и запросов промышленности.

2. Основная часть

2.1 Техническая характеристика изделия

Конструкция - Патрубок;

Изображение детали выполнено у масштабе - 1:2;

К конструкции входят детали:

- Основа ? = 18

- Цилиндр Ш 90/ Ш 60

- Ребро ? = 10

- Планка ? = 14

Детали изготовлено из стали Ст5Гсп

Сварные швы за ГОСТом 5264-80

Условные обозначения:

Сварное соединение Т1- 5 - тавровое, односторонние без скоса кромок катет шва 5 мм, выполняется по замкнутому контуру ;

Сварное соединение С5 - стыковое, односторонние со скосом одной кромки, усиление шва снять

Сварное соединение Т3- 5 - тавровое, двухсторонние без скоса кромок, катет шва 5 мм.

2.2 ГОСТ 5264-80

ГОСТ 5264-80 Настоящий стандарт устанавливает основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах, выполняемых ручной дуговой сваркой.

2.3 Ручная электродуговая сварка

2.3.1 Принципы процесса, характеристики дуги

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток. Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл как показано на Рис. 1.

Рис.1 Схема ручной электродуговой сварки

Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность. Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т. п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8--15 мм, длина 10--30 мм. Доля участия основного металла в формировании металла шва обычно составляет 15--35%.

Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покрытие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным металлом. В газовой атмосфере присутствуют также пары основного и электродного металлов и легирующих элементов. Шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленного металла сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургических взаимодействиях с расплавленным металлом.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию сварочного кратера (углублению в шве, по форме напоминающему наружную поверхность сварочной ванны).

Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку. Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, пространственного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т. п. Нормальная длина дуги считается в пределах Lд = (0,5 -- 1,1) dэл (dэл -- диаметр электрода). Увеличение длины дуги снижает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивного окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основного металла. Также ухудшается внешний вид шва.

Для возбуждения дугового разряда при сварке для получения начальной ионизации обычно сводят два электрода до соприкосновения (электрод и деталь), а затем быстро их разводят. При достаточно большом токе при соприкосновении электродов в промежутке между концами электродов выделяется большое количество тепла. Ток между электродами проходит через мелкие неровности на торцах и разогревает их до расплавления. При быстром разведении электродов расплавленные мостики растягиваются и сужаются, вследствие чего плотность тока доходит в них в момент разрыва до такой величины, что обращает их в пар. При высокой температуре паров металла ионизация промежутка получается настолько значительной, что при сравнительно небольшой разности потенциалов между концами электродов возникает дуговой разряд. Разряд поддерживается далее как устойчивая стационарная дуга в том случае, если сохраняются факторы, поддерживающие ионизацию дугового промежутка.

В момент зажигания дуги промежуток еще недостаточно нагрет и для его ионизации необходима увеличенная кинетическая энергия, которая может быть получена усилением электрического поля, т. е. некоторым повышением напряжения между электродами сравнительно с тем напряжением, которое требуется для поддержания дуги в установившемся состоянии.

Периоду поджига сварочной дуги и выхода её на режим стабильного горения соответствует Участок I на статической ВАХ сварочной дуги - участок опережающего роста электропроводности плазмообразующего газа в столбе сварочной дуги.

2.3.2 Распределение и влияние температуры

При ручной дуговой сварке существенным является распределение температур по длине сварочного электрода и распределение температур в основном металле (изделии). Распределение температур в изделии может быть рассчитано, как правило, по схеме Рыкалина - подвижный точечный источник нагрева.

Характеризуется термическими циклами, температурными кривыми, изотермами.

В участке основного металла, прилегающем к шву, температура близка к температуре плавления. При удалении от шва температура интенсивно снижается, приближаясь к средней температуре свариваемого изделия. Таким образом, в околошовной зоне металл подвергается своеобразной термообработке. Отсюда эта зона называется зоной термического влияния. Структура металла в зоне термического влияния изменяется в соответствии с термическим циклом нагрева и охлаждения, зависит от химического состава металла, предшествующей термической и механической обработки. Рассмотрим, какие структурные превращения происходят в зоне термического влияния при сварке малоуглеродистых сталей (рис.2).

Рис.2 Структурные превращения происходят в зоне термического влияния при сварке малоуглеродистых сталей

В пределах шва металл был нагрет до расплавления, и поэтому после затвердения имеет в основном дендритную (литую) структуру. Непосредственно к сварному шву прилегает участок неполного расплавления. На участке I (участок перегрева ) металл был нагрет от 1370 до 1770° К (от 1100 до 1500° С), и поэтому имеет крупнозернистую структуру с игольчатыми включениями феррита. Это участок перегрева, а структуру металла в нем называется видманштедтовой.

Участок II (участок нормализации) характерен тем, что металл был нагрет до интервала от критической точки Ас3 до 1370° К (1100° С). В связи с тем, что охлаждение происходило на воздухе, металл в этом участке претерпел нормализацию и значит, отличается мелкозернистой структурой.

В участке III (участок неполной перекристаллизации) металл нагревается до интервала температур от критической точки Ac1, до Ас3 Нагрев до таких температур приводит к неполной перекристаллизации, а поэтому в пределах этого участка есть мелкие зерна перлита некрупные зерна феррита, т. е. структура характерна геометрической неоднородностью.

В пределах участка IV (участок рекристаллизации) металл нагревается до температур от 770° К (550° С) до критической точки Ас1 что приводит к рекристаллизации. В результате этого вытянутые зерна основного металла, если это был стальной прокат, приобретают глобулярную форму, а размеры зерен увеличиваются.

Участок V (участок синеломкости) - видимых изменений в структуре металла сварного шва не происходит. Отличается цветами побежалости.
Из рассмотренных участков особое внимание должно уделяться участку с видманштедтовой структурой. Он вследствие перегрева имеет крупное зерно и обладает понижен ной прочностью. Сварку следует выполнять так, чтобы участок перегрева был минимальный. Наиболее высокие механические свойства на участке нормализации, в пределах которого металл имеет однородную мелкозернистую структуру.

Если выполняется сварка среднеуглеродистых и некоторых низколегированных сталей (45, 40Х, ЗОХГСА и др.), в околошовной зоне возможно образование закалочных структур. Это называется подкалкой и приводит к повышению твердости, возникновению внутренних напряжений, а иногда к образованию трещин. В таких случаях сварку целесообразно выполнять с термическим циклом, характерным медленным нагревом и охлаждением металла.

При сварке аустенитных хромоникелевых сталей в околошовной зоне из твердого раствора могут выпадать комплексные карбиды хрома и железа. Это явление нежелательное, так как приводит к обеднению аустенита (твердого раствора) хромом и тем самым повышает склонность к межкристаллитной коррозии; поэтому сварка таких сталей выполняется на ре жимах, при которых обеспечивается минимальная длительность пребывания металла околошовной зоны в интервале высоких температур. Нагрев электрода определяется двумя составляющими: нагрев проходящим током и нагрев сварочной дугой.

Влияние нагрева электрода теплом сварочной дуги имеет решающее значение с точки зрения обеспечения плавления электрода, но сточки зрения нагрева нерасплавившейся части, проявляется на расстоянии до 15 мм от торца электрода (что очень важно с точки зрения транспорта компонентов электродного покрытия в сварочную дугу)

Нагрев стержня электрода проходящим током тем больше, чем дольше протекание по стержню сварочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода температура повышается до 500--600° С (при содержании в покрытии органических веществ - не выше 250° С). Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количество расплавленного электродного металла) в начале и конце различна. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это - один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

2.3.3 Сварочное оборудование

Основным оборудованием сварочного поста являются источники питания. Наиболее распространены источники питания переменного тока - сварочные трансформаторы. Обычно применяют трансформаторы типа ТД и ТДМ. Для ответственных и сложных сварочных работ посты укомплектовываются источниками постоянного тока - преобразователями ПД-502, или ПСО, а также однопостовыми выпрямителями ВД-401, ВД-501 и др.

В условиях цеха или на крупных металлоемких объектах может быть использован многопостовой источник питания - преобразователь ПСМ-1001, выпрямитель ВДМ-1001 и др. В этом случае пост оборудуют балластным реостатом РБ-300 или РБ-500, подсоединяемым к сварочной шине (или проводу), идущей от многопостового источника. Для включения постового источника питания в силовую электрическую сеть применяют пусковую и защитную электроаппаратуру на напряжение до 1000 В. К ней относятся рубильники закрытого типа и плавкие предохранители или автоматические выключатели. Кроме того, используют контакторы - аппараты дистанционного управления сварочным током - и кнопки управления, необходимые для включения и выключения контакторов.

Основным рабочим инструментом электросварщика является электрододержатель, служащий для удержания электрода, подвода к нему сварочного тока и манипулирования электродом в процессе сварки. Согласно действующему ГОСТ 14651, электрододержатели должны обеспечивать смену электрода в течение не более 4 с. Кроме того, закрепление электрода в электрододержателе должно быть не менее чем в двух положениях: перпендикулярном и под углом. В процессе работы сварщик пользуется инструментами для зачистки кромок от ржав чины и других загрязнений, а также для вырубки дефектов и зачистки швов от шлака. Для этого применяют металлическую проволочную щетку, зубило, молоток, комбинированное зубило с рукояткой, имеющее один заостренный конец, а другой конец в виде обычного зубила. Такая форма зубила удобна для очистки от шлака отдельных слоев многослойного шва. Иногда применяют комбинированное зубилощетку, но оно менее удобно, так как не имеет заостренного конца. У сварщика может быть личное клеймо для клеймения выполненных швов. Для измерения разделки кромок, зазора между стыками и сварных швов используют набор шаблонов. Шаблоны позволяют контролировать угол скоса кромок, размер притупления, качество сборки под сварку, размер депланации (превышение одной кромки над другой) стыковых швов и величину зазора в стыковых и тавровых соединениях. В готовых сварных швах могут быть проверены высота выпуклости стыкового и углового шва, ширина шва, величина катета углового шва. Применение шаблонов помогает улучшению качества подготовки, сборки и сварки сварных соединений. Сечение сварочного кабеля, присоединяющего источник питания к электрододержателю, подбирают в зависимости от наибольшей величины сварочного тока: при токе до 240 А - 25 мм²; до 300 А - 35 мм², до 400 А - 50 мм², до 500 А - 70 мм². Гибкий (медный) кабель используют на напряжение до 220 В. В случае использования негибкого кабеля конец его, подсоединяемый к электрододержателю, длиной не менее 1,5 - 3 м должен быть обязательно гибким. Общая длина сварочного кабеля должна быть не более 30 - 40 м, так как при более длинном кабеле ухудшается процесс сварки из-за падения напряжения в сварочной цепи. Сварку деталей производят на рабочем столе высотой 0,5 - 0,7 м. Крышку стола изготовляют из чугуна толщиной 20 - 25 мм. В ряде случаев на столе устанавливают различные приспособления для сборки и сварки изделий. Если выполняются однотипные работы, то стол заменяется манипулятором, на котором изделие собирается и сваривается в удобном для сварщика положении. Сварочный пост оснащен генератором, выпрямителем или сварочным трансформатором.

При проведении сварочных работ в особо опасных условиях (внутри металлических емкостей, на открытом воздухе и др.) для повышения электробезопасности сварщика при смене электрода трансформатор для ручной дуговой сварки должен быть снабжен устройством снижения напряжения холостого хода (УСНТ). УСНТ является вспомогательным средством защиты от поражения током.

Согласно ГОСТ 12.2.007.8-75 УСНТ должно снижать действующее напряжение холостого хода на выходных зажимах сварочной цепи до значения, не превышающего 12В, не позже чем через 1 с после размыкания сварочной цепи.

К УСНТ предъявляются также дополнительные требования, обеспечивающие нормальную работу сварщика. Свариваемый металл может иметь различную степень загрязненности (ржавчина, окалина и т. п.).

Поэтому УСНТ должно обладать определенной чувствительностью срабатывания, которая определяется максимальным сопротивлением сварочной цепи примерно 200 Ом. С другой стороны, для защиты человека при случайном его прикосновении к зажимам сварочной цепи УСНТ не должно срабатывать при сопротивлении сварочной цепи выше 500 Ом. Быстродействие срабатывания УСНТ должно составить 0,02 -0,05 с. Как правило, УСНТ, предназначенные для комплектации трансформаторов с механическим регулированием, выполняются отдельным блоком. В тиристорных трансформаторах функцию ограничения напряжения холостого хода выполняет схема управления, воздействующая на тиристорный фазорегулятор (ФР).

2.3.4 Диапазон применения

По толщине свариваемого металла:

- однопроходная сварка -1...4 мм

- двухстороння в два прохода - до 6 мм

- многопроходная - по ГОСТ 5264-80 - до 120 мм, по правилам и нормам принятым в атом ной энергетике ПН АЭ Г-7-009-89 - до 200 мм

По положениям: - во всех пространственных положениях.

По свариваемым материалам:

- сварка конструкционных и теплоустойчивых сталей (электроды по ГОСТ 9467-75);

- сварка высоколегированных сталей с особыми свойствами (электроды по ГОСТ 10052-75);

- сварка чугуна;

- сварка алюминия;

- сварка меди.

2.3.5 Типы электродов (тип покрытия, функции покрытия, реакции шлак металл, газ-металл)

Покрытие электрода предназначено для повышения устойчивости горения дуги, образования комбинированной газошлаковой защиты, легирования и рафинирования металла. Для изготовления покрытий применяют различные материалы (компоненты).

1. Газообразующие компоненты - органические вещества: крахмал, пищевая мука, декстрин либо неорганические вещества, обычно карбонаты (мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃ и ДР-).

2. Легирующие элементы и элементы-раскислители: кремний, марганец, титан и др., используемые в виде сплавов этих элементов с железом, так называемых ферросплавов. Алюминий в покрытие вводят в виде порошка-пудры.

3. Ионизирующие или стабилизирующие компоненты, содержащие элементы с низким потенциалом ионизации, а также различные соединения, в состав которых входят калий, натрий, кальций, мел, полевой шпат, гранит и др.

4. Шлакообразующие компоненты, составляющие основу покрытия, - обычно это руды (марганцовая, титановая), минералы (ильменитовый и рутиловый концентраты, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, плавиковый шпат и др.).

5. Связующие - водные растворы силикатов натрия Na₂OSiO; и калия K₂OSiO₂, называемые натриевым или калиевым жидким стеклом, а также натриево-калиевым жидким стеклом.

6. Формовочные добавки -- вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства, - бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

Для повышения производительности сварки, увеличения количества дополнительного металла, вводимого в шов, в покрытии электродов может содержаться железный порошок до 60% массы покрытия. Многие материалы, входящие в состав покрытия, одновременно выполняют несколько функций, обеспечивая и газовую защиту в виде газа СО₂, и шлаковую защиту в виде СаО и т. д.

Газовая защита образуется в результате диссоциации органических веществ при температурах выше 200 °С:

Cn (H₂O)n.i - (п - 1)СО + (п - 1)Н₂ + С;

диссоциации карбонатов при температуре ~900 °С (при парциальном давлении в газовой фазе РCO₂ = 1 (кгс/см²) СаСО_з -» СаО + СО₂; МgСО_з -> МgО+СО₂, а также последующей диссоциации СО₂:

2СО₂ -+ 2СО + О_2.

Состав шлакообразующих может быть различным; это окислы СаО, MgO, MnO, FeO, AI₂O₃, SiO₂, TiO₂, Na₂O, галогены CaF₂ и др.

2.3.6 Виды (типы) электродных покрытий

Кислое покрытие (А) отличается тем, что в его состав входят образующие шлаковую защиту различные руды и материалы, содержащие большое количество кислорода, напри мер гематит содержит 92% Fe₂O₃, гранит - 66 - 71% SiO₂, 15 - 21% AI₂O₃ и т. п. Для удаления кислорода и восстановления железа из оксидов применяют ферросплавы, для газовой за щиты вводят органические примеси - крахмал, декстрин. Сварка электродами с этим покрытием возможна на постоянном и переменном токе во всех положениях. В сварочной ванне происходит активное раскисление железа, она кипит, что способствует дегазации металла. Допускается сварка при небольшой окалине и ржавчине, однако при этом происходит повышенное разбрызгивание, и вследствие применения ферромарганца выделяется, значительное количество токсичных марганцевых соединений, что ограничивает применение таких покрытий. Кроме того, металл шва склонен к образованию кристаллизационных трещин.

При плавлении кислых покрытий (А) большая часть введенных в них ферросплавов окисляется рудами; легирование металла кремнием и марганцем идет по схеме кремнемар-ганцевосстановительного процесса; оно не позволяет легировать металл элементами с большим сродством к кислороду. Образующиеся шлаки, обычно кислые, не содержат СаО и не очищают металл от фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода и неметаллических включений.

В результате швы обладают пониженной стойкостью против горячих трещин, ударная вязкость металла шва обычно не превышает 12 кгс-м/см². В связи с высоким содержанием в покрытии ферромарганца и окислов железа они более токсичны, так как аэрозоли в зоне сварки и зоне дыхания сварщика содержат Большое количество вредных соединений марганца.

Основное покрытие (Б) содержит: фтористокальциевое соединение - плавиковый шпат, в котором CaF₂ более 75%; карбонаты кальция - мрамор, мел с содержанием более 92% СаСО₃ и ферросплавы. При расплавлении это покрытие кроме шлака выделяет большое количество защитного углекислого газа, образующегося вследствие диссоциации карбонатов. Сварка электродами с основным покрытием возможна постоянным током с обрат ной полярностью и во всех положениях. Для сварки переменным током в покрытие добавляют более активные стабилизаторы - калиевое жидкое стекло, поташ и др. Металл, наплавленный электродами с основным покрытием, обладает высокими механическими показателями, особенно ударной вязкостью при положительных и низких температурах; не склонен к образованию кристаллизационных трещин и старению; содержит минимальное количество кислорода и азота. Эти электроды применяют для сварки наиболее ответственных деталей и конструкций. Следует иметь в виду, что сварка электродами с основным покрытием должна вестись короткой дугой и при хорошей очистке свариваемых кромок от ржавчины, окалины, жира и влаги во избежание образования пористости в швах. Эти покрытия слабо окислительные, поэтому позволяют легировать металл шва элементами с большим сродством к кислороду. Наличие большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор и выводящих их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла, его повышенные пластические свойства, а легирование марганцем и кремнием обеспечивает высокую прочность. Швы, выполненные такими электродами, обладают высокой стойкостью против образования горячих трещин и наиболее высокой (по сравнению с любыми другими покрытиями) ударной вязкостью, которая составляет не менее 13 кгс-м/см² и может достигать 25 кгс-м/см².

При использовании этих электродов металл шва склонен к образованию пор при загрязнении кромок маслом и ржавчиной, а также при увеличении толщины покрытия и длины дуги. На базе покрытий основного типа (Б) обычно составляют композиции покрытий электродов для сварки ответственных конструкций из низколегированных и углеродистых сталей, среднелегированных сталей и всех электродов для сварки высоколегированных сталей.

Целлюлозное покрытие (Ц) содержит в основном оксицеллюлозу или аналогичные ей органические вещества, а также рутил и ферросплавы. Это покрытие при расплавлении выделяет главным образом много защитного газа и небольшое количество шлака для процесса раскисления. Электроды с этим покрытием пригодны для сварки во всех положениях на постоянном и переменном токе и употребляются в основном для сварки первого слоя стыков труб.

Рутиловое покрытие (Р) содержит 50% рутилового концентрата, в котором 50% ТЮ2, карбонаты кальция - мрамор, тальк, мусковит, магнезит, ферросплавы, целлюлозу. Газовая защита обеспечивается за счет диссоциации материалов и органической составляющей. Раскисление и легирование - ферросплавами.

Электроды с рутиловым покрытием пригодны для сварки постоянным и переменным токами во всех положениях. Они обеспечивают высокое качество наплавленного металла, обладают хорошими технологическими свойствами и применяются для сварки низкоуглеродистой стали. В международной практике приняты следующие условные обозначения видов (типов) электродных покрытий (в скобках приведено обозначение электродных покрытий по ГОСТ 9466-75):

А (А) - электроды с покрытием кислого типа;

В (Б) - электроды с покрытием основного типа;

R (Р) - электроды с покрытием рутилового типа;

С (Ц) - электроды с целлюлозным покрытием;

RA - электроды с покрытием кисло-рутилового типа;

RB - электроды с покрытием рутил-основного типа;

RC - электроды с покрытием рутил-целлюлозного типа;

S (П) - электроды с покрытиями прочих видов, в том числе специальными.

К физическим свойствам шлака, образующегося при плавлении электродного покрытия, относятся:

- теплофизические характеристики - температура плавления, температурный интервал затвердевания, теплоемкость, теплосодержание и т. п.;

- вязкость; способность растворять окислы, сульфиды и т. неопределенная плотность; определенная газопроницаемость; достаточное различие в коэффициентах линейного и объемного расширения по сравнению с металлом, что необходимо для легкой очистки металла шва.

К химическим свойствам относится способность шлака раскислять металл шва; связывать окислы в легкоплавкие соединения; легировать металл шва.

Наилучшие качества при сварке имеют шлаки, если температура их плавления составляет 1100--1200 °С. Температурный интервал затвердевания должен быть небольшим или, как говорят, шлак должен быть «коротким». Шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоянию растянут на значительный температурный интервал (так называемые длинные шлаки), при прочих равных условиях хуже обеспечивают формирование шва.

Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая активность, тем быстрее в нем протекают химические реакции и физические процессы растворения окислов, сульфидов и т. п. Однако для надежного закрытия металла шва шлак не должен быть чрезмерно жидким, это особенно важно при сварке на вертикальной плоскости и в потолочном положении. Для таких шлаков важно, чтобы переход из жидкого в твердое состояние совершался как можно быстрее.