Сварка металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Cварка металлов

Введение

Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления и упрочнения деталей, изготовления строительных конструкций, трубопроводов и судов, ремонта деталей и конструкций. Эффективно использование технологических приемов сварки и при резке металлов.

Исторически сварка известна человечеству со времен использования, меди, серебра, золота и, особенно, железа, при получении которого выполнялась проковка, т.е. сваривание криц (кусочков технически чистого железа) . Это и есть первый способ сварки -кузнечная сварка металла.

Наиболее распространена в производстве электродуговая сварка, являющаяся чисто российским изобретением. Впервые электрический дуговой разряд был выявлен петербургским профессором физики Петербургской медико-хирургической академии Петровым Василием Владимировичем в 1802 году, но только через 80 лет (1882 г.) российский инженер Бенардос Николай Николаевич, работая со свинцовыми аккумуляторными батареями, открыл способ сварки не плавящим угольным электродом. Он освоил технологию сварки свинцовых пластин. Далее он разработал способы сварки металла в среде защитного газа и электродуговой резки металла. Бенардос Н.Н. назвал свое изобретение «Электрогефест». По греческой мифологии Гефест -- бог, покровитель кузнецов, поэтому в этом названии представлено новое -электричество и старое ( Гефест), представляющее первый известный способ сварки (кузнечная сварка). Через 6 лет в 1888 году инженер Славянов Николай Гаврилович разработал способ сварки плавящим электродом.

Дальнейшую работу Славянов Н.Н. и Бенардос Н.Г. выполняли вместе. Внедрение сварки в производство проходило очень интенсивно, так в России с 1890 по 1892 года было по их технологии отремонтировано с высоким качеством 1631 изделие, общим весом свыше 17 тыс. пудов, это в основном чугунные и бронзовые детали. Они даже разработали проект ремонта российского памятника литейного производства «Царь-колокола», но работа не была разрешена, и мы сейчас можем любоваться на российские нетленные символы: колокол, который не звонил, и на пушку, которая не стреляла.

Известный мостостроитель академик Патон Евгений Оскарович, предвидя огромное будущее электросварки в мостостроении и в других отраслях хозяйства, резко сменил поле своей научной деятельности и в 1929 году организовал сначала лабораторию, а позднее первый в мире институт электросварки (г. Киев). Им было разработано и предложено много новых и эффективных технологических процессов электросварки. В годы войны в короткий срок под его руководством были разработаны технология и автоматические стенды для сварки под слоем флюса башен и корпусов танков. самоходных орудий, авиобомб.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В настоящее время широкое развитие получили такие новые способы сварки как: порошковыми материалами, плазменная, контактная и электрошлаковая, сварка под водой и в космосе и др., многие из которых были разработаны в Институте электросварки имени Е.О. Патона, который в последние годы возглавлял сын основателя института - академик Борис Евгеньевич Патон.

Кроме головного, в этой отрасли, института сварки имени Е.О. Патона, вопросами сварки успешно занимаются многие учебные институты (УПИ, ЧИМЭСХ, ЛГАУ и др.), институты объединения «Ремдеталь».

Преимущества использования сварки перед заклепочными и резьбовыми соединениями деталей при изготовлении строительных конструкций следующие:

-рациональность конструкций;

-экономия металла ( до 15…20 %);

-более высокая производительность (на 15...20 %).;

-более низкая себестоимость( снижение на 20...45 %);

-высокая надежность соединения.

1. Общие вопросы сварки

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения деталей местным сплавлением или пластической деформацией. Наплавка -- это разновидность сварки, заключающаяся в том, что на поверхность детали наносят слой металла, предназначенный для восстановления размеров изношенной детали или для повышения её износостойкости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При восстановлении деталей сваркой и наплавкой можно получать долговечность их сопоставимой или даже более высокой с долговечностью новых деталей, использовать механизацию и автоматизацию процессов.

Сварка происходит при молекулярном или атомном взаимодействии металлов (рис. 1), для чего необходимо расплавление или пластическая деформация деталей. Расплавление металла происходит при температурах выше Тпл . При сварке плавлением расплавленный металл образует сварочную ванну,, при кристаллизации которой происходит соединение поверхностей.

При пластическом деформировании как предварительно нагретых так и холодных металлов разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей и поэтому происходит прочное соединение деталей. Из рис. 1. видно, что при увеличении температуры нагрева металла требуется меньшие усилия для сварки давлением.

В настоящее время известны сотни и сотни различных способов сварки в зависимости от вида энергии, особенностей технологического процесса, защиты от воздуха и др. Самая приближенная классификация видов сварки представлена на рис Расплавление металла происходит за счет энергии дуги при электродуговой сварке и электрического тока, проходящего через расплавленный флюс при электрошлаковой сварке, бомбардировки в вакууме свариваемых поверхностей электронами, энергии от горения газов при газовой сварке, энергии от горения порошковой смеси при термитной сварке и расплавлением кромок деталей перегретым расплавленным присадочным металлом при литейной сварке.

Рис. 3. Виды сварных соединений ( h-толщина свариваемых деталей).

Виды сварных соединений различаются по взаимному положению деталей и по форме разделки сварного шва, а так же по положению сварного шва в пространстве (рис. 3).

2. Тепловые процессы при сварке

Энергия теплового источника (электрической .дуги, газового пламени и т.д.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (обмазки электрода ) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности теплоисточника, физических свойств металла ( теплоемкость, температура плавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис.4. показаны изотермы -- овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки,…) . Изотерма 1600 С это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 С указывает на зону перегрева металла, 800 С изотерма показывает зону закалочных явлений, а 500С- зону отпуска.

Отличия сварочной ванны от металлургической ванны :следующие:

- малый объем и кратковременность существования ванны, поэтому плохо перемешивается металл, возможны поры (не успевают выделиться газы ) и шлаковые включения в сварном шве;

-значительная поверхность контакта расплавленного металла с атмосферой., поэтому происходит выгорание « полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению её прочности, пластичности и коррозийной стойкости и сообщает стали красноломкость) и насыщение сварного шва азотом (увеличивается хрупкость ).

Сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла (рис. 5.). В зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу. В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происходят структурные изменения металла.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Следовательно, может быть прочный, пластичный сварочный шов, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом низкое (рис 6) .

Величина зоны термического влияния составляет при ручной электродуговой сварке для обычного .электрода. ..2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной обмазки -- 4...10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает (.до 20...25 мм).

В зоне термического влияния могут быть участки :

-старения ( 200... 300 С );

-отпуска ( 250...650 С );

-неполной перекристаллизации ( 700...870 С );

-нормализации ( 840...1000 С );

-перегрева ( 1000...1250 С );

-околошовный участок, примыкающий к линии сплавления (от 1250 С до 1600С). При сварке возможны два предельных случая :

-резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка;

-перегрев при медленном охлаждении и образование крупных зерен аустенита.

3. Свариваемость металлов

Свариваемость -- комплексная технологическая характеристика, отражающая реакцию свариваемых материалов на технологический процесс сварки, и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации.

Три группы факторов, определяющих свариваемость :

1.Химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления, предшествующие операции изготовления (ковка, прокатка, термообработка) деталей

Сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов.

3.Технологический фактор : вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Степень свариваемости это качественная или количественная характеристика ответа на вопросы: «Как изменяются свойства металла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».

Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке.

Трещины, образующиеся при температурах выше 800...900 С называются горячими, а при температурах ниже 200...300С -- холодными. Холодные трещины образуются под влиянием трех факторов :закалочных явлений, присутствия атомов водорода и остаточными растягивающими напряжениями.

Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали:

Сэкв = С + Mn / 6 + (Cr + V + Mo) / 5 + (Ni + Cu ) / 15.

 При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин., а при Сэкв > 0,45 -- стали склонны к образованию холодных трещин. В этом случае необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры:

Т= 350 (С общ -0,25) ?,

где Собщ -- общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:

С общ = Сэкв ( 1 + 0,005 h ) .

Пример: Определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Находим по содержанию химических элементов в этой стали Сэкв : Сэкв=0,4+1/5+1/15=0,67 0,45 .

Следовательно, необходимо нагревать детали перед сваркой. С учетом поправки на толщину детали получаем значение Собщ:

Собщ= 0.67( 1+0,005 5)=0,69.

Далее определяем температуру, до которой деталь нужно нагреть перед сваркой:

Т=350 (0,67-0,25) ^? =232 С.

Чувствительность сварного соединения HCS к образованию горячих трещин находится по формуле:

HCS = C ( S + P + Si/25 + Ni/100 ) 103 .

3Мп + Cr + Mo + V

При HCS < 4 горячие трещины не образуются.

Для высокопрочных сталей коэффициент HCS должен быть менее 1,6...

4. Деформации при сварке

Деформации деталей конструкции при сварке происходят вследствие образования внутренних напряжений, причинами которых являются ( рис.7.):

Температурные деформации из-за местного нагрева изделия ;

Фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении.

В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и к изгибам элементов конструкции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной появлений внутренних напряжений . Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением объема металла. Так, для сталей переход -железа в -железо вызывает изменение объема примерно на 1 %., это (третья причина) также приводит к образованию внутренних напряжений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Деформации изделия при сварке( рис. 8) могут быть уменьшены правильным выбором вида сварки и технологии её осуществления. Сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, например, электродуговая сварка, вызывает коробления меньше, чем сварка, при которой нагревается значительный участок детали, например, сварка газовым пламенем. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением. Некоторое уменьшение коробления изделия достигается отводом тепла со свариваемого участка подкладыванием медной пластинки с обратной стороны шва, прикладыванием около шва асбеста, смоченного водой и т.п.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. При этом способе места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рисунке 9.

Значительное уменьшение деформации достигается способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки деталей, подлежащие сварке, делят на части, которые сваривают в последовательности, показанной на рисунке 10. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, т.к. деформации коротких швов не в состоянии вызывать значительную деформацию всего изделия.

Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». Он заключается в том, что соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям ( рис. 11). В процессе сварки они принимают требуемую, или очень близкую к требуемой, форму.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи специального приспособления или путем прихватки, т.е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.

Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно за счет использования следующих конструкторских и технологических мероприятий:

-рациональной конструкции сварного узла;

-припуска на усадку шва по размерам и форме изделия;

-рациональной сборки и подготовки к сварке;

-выбора наиболее рационального способа сварки;

-предварительного, сопутствующего и последующего подогрева изделия;

-проковки зоны сварного шва (в горячем состоянии или после остывания);

-механической правки;

-термической правки;

-общей термообработки сварного изделия.

На 85 …90% остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций ( нагрев до 550… 680 С и охлаждение на воздухе). При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения ; после остывания ее остаточные напряжения останутся, но будут меньшие по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов конструкции, а после этого окончательная сборка конструкции.

Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали.

Наиболее эффективными являются конструкторские и технологические мероприятия до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательность сварки.

Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.

сварка наплавка металл электродуговой

5. Основы электродуговой сварки и наплавки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для возбуждения дуги используются чаще всего плавящие металлические и реже неплавящие (угольные и вольфрамовые) электроды (рис. 12 ). В первом случае сварной шов образуется за счет расплавления электрода, а во втором случае в дугу вводится присадочный металлический пруток, который плавится и заполняет сварной шов.

Сварка плавящими электродами выполняется как на переменном, так и на постоянном токе, а неплавящие электроды применяются только в специфических случаях ( на постоянном токе для угольных электродов и на постоянном и переменном токе для вольфрамовых электродов). Следует иметь ввиду, что сварка на переменном токе технологически проще выполнима и почти в два раза экономичнее сварки на постоянном токе., но при сварке на постоянном токе более стабильно горит дуга.

Для возникновения дугового разряда (рис 13.) электродом касаются детали, при этом происходит расплавление поверхности и при медленном отводе электрода жидкий металл растягивается, образуя металлический мостик, который далее разрывается и последующий разряд электричества происходит в ионизированной газообразной среде. Ионизация газа выполняется электронами, испускаемыми с поверхности электрода.

Сварка плавящими электродами выполняется как на переменном, так и на постоянном токе, а неплавящие электроды применяются только в специфических случаях ( на постоянном токе для угольных электродов и на постоянном и переменном токе для вольфрамовых электродов). Следует иметь ввиду, что сварка на переменном токе технологически проще выполнима и почти в два раза экономичнее сварки на постоянном токе., но при сварке на постоянном токе более стабильно горит дуга.

После короткого замыкания (а) происходит плавление электрода (а, б), вследствие чего растет капля расплавленного металла (в), которая далее касается ванночки и происходит короткое замыкание (г) при котором резко увеличивается ток, возникает большая разрывная сила, отрывающая каплю от электрода, т.е. происходит разрыв мостика расплавленного металла (д) и процесс вновь повторяется. Дальнейший перенос расплавленного металла выполняется как при коротком замыкании дугового промежутка так и без замыкания.

Частота замыканий зависит от плотности тока Jн / Fэ (удельной тепловой загрузки) на электроде. При больших плотностях тока происходит мелкокапельный перенос без коротких замыканий.

Стабильность горения дуги зависит от постоянства длины дуги (2… 4 мм), которое при сварке поддерживается постепенным опусканием электрода. Ориентировочно длина дуги должна быть равна диаметру электрода. Короткая дуга обеспечивает лучшее качество шва, т.к. расплавленный металл меньше подвержен воздействию окружающей среды (окислению и азотированию). При длинной дуге разбрызгивается металл и не обеспечивается достаточного проплавления основного металла. Устойчивость дуги также определяется величиной напряжения и силы тока, так для ручной сварки наилучшая устойчивость дуги будет при при напряжении 18… 20 В и при плотности тока 18…20 А/ мм Устойчивость процесса плавки возрастает при увеличении индуктивности сварочной цепи.

Производительность сварки определяется по формуле :

Qн = Kн Jн ,

где Qн -- количество наплавленного металла, г.;

Kн -- коэффициент наплавки, г/А час ( Kн = 7 …12 г/ А час для ручной электродуговой сварки, Kн = 15 …20 г/ А для наплавки под слоем флюса) ;

Jн -- сила тока наплавки, А;

-- время горения дуги, час.

Скорость наплавки тоже характеризует производительность наплавки и определяется по формуле :

Vн = Kн Jн / Fн ,

где Vн -- скорость наплавки, см/час;

Fн -- площадь поперечного сечения сварного шва, см²;

-- плотность металла шва, г/ см ³.

Объем наплавленного металла в единицу времени Fн Vн равняется объему расплавленного Fэ Vэ металла (рис.14):

Fн Vн= Fэ Vэ,

отсюда с учетом потерь металла на разбрызгивание площадь сечения сварного шва Fн зависит от скорости подачи Vэ и диаметра dэ электрода (сварочной проволоки) и от скорости наплавки Vн :

Fн = Fэ ( 1 - ) Vэ / Vн,

где Vэ -- скорость плавления (подачи) электрода ;

-коэффициент потерь металла в виде брызг и паров ( =0... 0,2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

На форму шва оказывают влияние напряжение дуги, скорость наплавки, диаметр и наклон электрода. Ширина сварного шва увеличивается с ростом напряжения дуги, с уменьшением скорости наплавки и увеличением диаметра электрода. Причем в последних двух случаях возрастает и общее сечение шва.

Металл при сварке плавится при высоких температурах, а под её воздействием в зоне сварки происходит частичный распад молекул кислорода, азота и водорода на атомы; химическая активность этих элементов повышается и происходит изменение состава металла. Из-за образования кислородом окислов выгорают углерод, марганец и другие элементы, снижается прочность и износостойкость детали. Азот приводит к образованию нитридов, которые увеличивают твердость, но уменьшают пластичность металла и способствуют ускоренному старению металла шва. Из-за присутствия водорода образуются газовые пузырьки в металле и трещины. Для устранения этих негативных явлений необходимо создавать защитную среду из газов и шлака.

В зависимости от рода защиты расплавленного металла от вредного воздействия воздуха различают следующие виды сварки и наплавки :

Электродом без покрытия или только со стабилизирующим покрытием.

Электродом со стабилизирующим и защитным покрытием.

Порошковыми электродами.

Под слоем флюса.

В среде защитных газов.

В среде охлаждающей жидкости.

В комбинированной среде.

Первые три вида используются в основном при ручной сварке и наплавке, а остальные -- при механизированной.

6. Ручная электродуговая сварка и наплавка

Этим способом изготовляется большая номенклатура деталей, особенно крупногабаритных (базисных), и строительных конструкций, а также устраняются у них эксплуатационные дефекты (трещины, обломы, износы) .

Качество наплавки во многом определяется материалом электрода и покрытия. Электроды разделяются на группы в зависимости от назначения и механических свойств наплавленного металла :

Электроды для сварки конструкционных сталей (УОНИ 13/55, ОМА-2,ОК-46.00, Вн-01-00, …).

Электроды для сварки высоколегированных сталей ( ОЗН-350, ОЗН-300,.).

Электроды для наплавки износостойких покрытий ( Т - 590, ЦН-5,…)

Электроды для сварки чугуна (МНЦ - 1, ОМИ - 1, ЦЧ - 4, ПАНЧ-11).

Электроды для сварки алюминевых сплавов (ОЗА - 1, А - 2, Ал - 2, …).

Электроды первых трех групп чаще всего изготовляются из малоуглеродистой сварочной проволоки Св -- 08, Св -- 10 (цифра показывает содержание углерода в сотых долях %.).

Покрытия электродов могут быть двух видов :

1 -- стабилизирующее, способствующее устойчивому горению дуги ;

2 -- защитное, предохраняющее расплавленный слой от кислорода и азота

воздуха и имеющее раскисляющие, легирующие и другие элементы.

Стабилизирующее покрытие состоит из веществ (калий, кальций и др.), атомы которых легко ионизируются и тем самым облегчается возбуждение и горение дуги. Сухой воздух не является проводником электрического тока, но если в нем имеются ионизированные атомы, то электрический ток проходит. Простейшую стабилизирующую обмазку электродов изготовляли из 80.. 85 частей мела и 15… 20 частей жидкого стекла. Однако это покрытие не защищает металл от воздействия воздуха ; сварка выполняется, но шов получается хрупким. Защитное покрытие является более сложным по составу и включает в себя различные вещества :

Связывающие (жидкое стекло, …);

Стабилизирующие горение дуги (сода, поташ,….);

Газообразующие (крахмал, пищевая мука, целлюлоза, уголь,…);

4. Шлакообразующие (полевой шпат, плавиковый шпат, кварц,.. .);

Раскисляющие и легирующие (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, феррохром,…)

Покрытие наносится на электрод слоем 0,5… 2,5 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электроды поставляются потребителям в упаковке, на которой наносится условное обозначение (рис. 15), включающее основные технологические сведения об электродах. Первые в мире сварочные электроды начали изготовлять в 1890 году на Пермских пушечных заводах, начальником которых был изобретатель плавящих электродов Славянов Н.Г. Высокого качества электроды ( приложение 1.) в настоящее время изготовляются на Тюменском заводе сварочных электродов.

Источниками питания электрической дуги являются :

1.Сварочные трансформаторы (рис. 16).

Напряжение первичной обмотки 220 В в однофазных трансформаторах или 380 В в двух и трехфазных трансформаторах понижается до более низкого напряжения (40…90 В холостого хода) . Во вторичной обмотке в несколько раз меньше витков, чем у первичной обмотки, а провод изготовляется значительно большего сечения, т.к. сварочные токи измеряются сотнями и тысячами ампер. Сила сварочного тока регулируется несколькими способами: переключением вторичных обмоток (изменение числа витков), изменением воздушного зазора между подвижным пакетом и неподвижным магнитопроводом, перемещением катушек вторичной обмотки и включением магнитного дросселя в сварочную цепь. Сварочные преобразователи, представляющие собой установку, в которой ротор сварочного генератора постоянного или переменного тока приводится во вращение электродвигателем. Сила тока регулируется с помощью обмоток возбуждения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.Сварочные выпрямители, состоящие из понижающего одно-, двух- или трехфазного трансформатора и блока выпрямителей ( диоды, селеновые, германиевые или кремниевые пластины ).

4.Сварочные агрегаты, состоящие из генератора постоянного или переменного тока, приводимого в действие карбюраторным или дизельным двигателем. На некоторых передвижных установках привод выполняется от вала отбора мощности трактора или трансмиссии автомобиля.

Для упрощения зажигания и улучшения устойчивости горения дуги в некоторых случаях, например, при аргонно-дуговой сварке, используются осцилляторы, которые преобразуют переменный ток в ток высокой частоты (150… 500 кГц ) и высокого напряжения (2… 6 кВ ), который накладывается на основной сварочный ток. Осциллятор включается параллельно сварочному трансформатору, высокие напряжения и частота способствуют улучшению пробоя газовой среды и её ионизации.

Сварка может выполнятся как на переменном, так и на постоянном токе. По возможности следует проводить сварку на переменном токе, т.к. она раза в два экономичнее сварки на постоянном токе. Следует иметь ввиду, что температура дуги выше на аноде, чем на катоде. Поэтому при необходимости глубокого проплавления металла применяют прямую полярность : плюс (анод) на деталь, а минус (катод) на электрод (рис. 17.) . Для уменьшения перегрева детали применяют обратную полярность : минус присоединяют к деталям, а плюс на электрод.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для повышения производительности ручной дуговой сварки применяют ряд способов :

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сварка с глубоким проплавлением (рис 18) . Используется электрод ОЗС с повышенной толщиной покрытия, у которого расплавление обмазки несколько отстает от расплавления электрода, поэтому дуга плавится как бы внутри чехла. Действие дуги концентрируется и меньше потерь тепла, поэтому глубина проплавления увеличивается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сварка лежачим электродом (рис. 19). Электрод с повышенной толщиной обмазки укладывается в разделку шва, возбуждают дугу, которая горит и по мере расплавления электрода перемещается по его длине .

3. Сварка пучком электродов. Берется несколько электродов, сваривают концы, при сварке получается дуга, плавающая по электродам.

4. Сварка ванным способом (рис. 20) . В месте соединения арматурных и других стержней делают ванночку из стальной или медной ленты, либо используют керамическую разъемную форму. Между стыками стержней оставляют зазор около 1,5 диаметра электрода с покрытием; при горении дуги в этом пространстве образуется ванна жидкого металла. Для того, чтобы ванна не успевала остыть, берут толстые электроды или пучок электродов, используют повышенный ток и без задержек меняют электроды.

Размещено на http://www.allbest.ru/

5. Сварка трехфазной дугой (рис. 21). Используется специальный электрод, состоящий из двух электрически изолированных между собой стержней и покрытых общей обмазкой. К каждому стержню подводится по фазе, а третья -- к детали.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

6. Сварка порошковой проволокой (рис. 22). Наружная оболочка является проводником электрического тока, защитным устройством для сердечника. Защитное покрытие находится внутри электрода. Очень эффективно использовать порошковую проволоку для сварки в среде углекислого газа. Это позволяет применять более высокие плотности тока, уменьшается разбрызгивание металла, улучшаются механические свойства. Сварка порошковой проволокой весьма удобна, т.к. упрощается конструкция сварочного оборудования.

Для сварки и наплавки конструкционных сталей применяются следующие типы электродов:

для низколегированных сталей -Э-34, Э-38,Э- 42,Э- 42А,Э- 46,Э- 46А;

для среднеуглеродистых и низколегированных сталей-Э-50,Э- 50А,Э- 55;

для легированных сталей повышенной прочности- Э-60,Э- 60А,Э- 70,Э- 85, Э-100,Э- 125,Э- 145,Э-150.

Цифра в обозначении типов электродов показывает значение предела прочности разрыву (в ) в кГс / мм², а индекс А в конце обозначения -повышенную пластичность материала сварного шва.

Каждому типу электродов может соответствовать несколько марок. Например, к типу Э-42А относится электроды марок УОНИ-13/45, ОЗС-2, СМ-11 и др., а к типу Э-46 -- электроды АНО-3, АНО-4 и др.

Расчет режимов ручной электродуговой сварки проводится в соответствии с алгоритмом (рис. 23).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сначала выбирается по таблице диаметр электрода dэ в зависимости от толщины h свариваемого металла.

h, мм	0,5	1…2	2…5	5…10	> 10
dэ, мм	1,5	2….2,5	2,5…4	4…6	4..8

Потом определяется сила сварочного тока по формуле:

Jн= (20 +6dэ )dэ,

а далее находится длина сварочной дуги:

Lд =0,5 (dэ +2 ), ММ

и по ней определяется напряжение дуги:

Uд= + Lд, В

Uд= + Lд, В.

7. Особенности сварки чугуна и алюминия

Из чугуна изготовляются многие базисные детали строительно-дорожных машин, тракторов, автомобилей и технологического оборудования. При эксплуатации этих машин у чугунных деталей появляются .трещины, изломы, износы, которые необходимо устранять.

Сварка чугуна затруднена вследствие следующих причин :

1-склонности чугуна к отбеливанию;

2-трещинообразования при сварке;

3-резкого перехода при нагреве из твердого состояния в жидкое.

Чугун называется отбеленным, если большая часть углерода в нем находится в химически связанном состоянии, т.е. в виде цементита Fe3C. Отбеливание происходит при быстром охлаждении расплавленного чугуна, Углерод не успевает выделится в виде графита, а выделяется в виде цементита, ледебурита и мартенсита; чугун становится твердым и не поддается механической обработке.

В сером чугуне углерод находится в виде графита. Графитизация чугуна происходит не только при переходе чугуна из жидкого состояния в твердое, но и при дальнейшем охлаждении, причем чем медленнее охлаждается деталь, тем полнее происходит графитизация. Холодная масса чугунной, чаще всего большой по массе детали, ускоренно отводит тепло сварки, поэтому происходит интенсивное отбеливание сварного шва, а вследствие различия коэффициентов расширения серого и белого чугунов возникают внутренние трещины.

Избежать этих затруднений при сварке чугуна можно двумя способами:

1. Выполнять горячую сварку металла с последующим медленным охлаждением после сварки;

Выполнять холодную сварку чугуна, но вводить в шов элементы, препятствующие образованию цементита, или использовать способы упрочнения .швов.

Горячая сварка чугуна проводится на предварительно нагретых до 600 …. 650 С деталях. После сварки происходит охлаждение всей массы нагретой детали, поэтому скорость охлаждения сварного шва будет ниже, чем при холодной сварке. В сварном шве успевает произойти графитизация, скорость усадки уменьшается и поэтому не образуется трещин в околошовной зоне.

При заварке трещин в конструктивно сложных деталях с целью устранения возможного трещинообразования проводится 2-х ступенчатый нагрев : сначала до температуры 200 …250 С нагревают с относительно не высокой скоростью до 600 / час, а далее -с большей скоростью до 1600 / час. Сварка выполняется электродами типа ОМЧ-1, состоящих из чугунных прутков со специальным покрытием, или при газовой сварке чугунными прутками без покрытия .

Горячая сварка позволяет получить наилучшие результаты, но процесс технологически сложный и очень трудоемкий, поэтому широкого распространения не получила.

Чаще применяется холодная сварка чугуна, выполняемая следующими способами :

1.Стальным малоуглеродистым электродом.

Специальными электродами ПАНЧ-11, МНЧ-1, МНЧ-2, ОЗЧ-1 и др.

3. Биметаллическим электродом или пучком электродов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для повышения надежности сварки стальными малоуглеродистыми электродами в разделанные кромки шва ставят резьбовые шпильки или используется способ отжигающих валиков (рис. 24). При наложении второго и последующего валиков первые сварные швы вновь нагреваются и уже остывают с меньшей скоростью, поэтому значительная часть цементита распадается, получается более мягкий сплав с меньшей степенью отбеливания. Структура различных зон сварки получается неодинаковой, однако в среднем она лучше, чем при обычной сварке. Эффективно использовать способ отжигающих валиков в комплексе со шпильками.

Для устранения продолжения трещины на ее оси сверлятся отверстия диаметром .3 мм, зубилом или шлифовальным кругом проводят V-образную разделку трещины и сверлят по ее длине отверстия, нарезают в них резьбы и заворачивают шпильки, которые сначала обваривают кругом, а затем наплавляют весь сплошной шов.

Однако эти способы холодной сварки малопроизводительны, поэтому, чаще всего, используются другие способы сварки чугунных деталей.

Если требуется хорошая обрабатываемость шва и допускается невысокая прочность, то используются электроды МНЧ-1, МНЧ- Никель, входящий в состав электродов, не образует соединений с углеродом, поэтому шов имеет невысокую твердость, но хорошо механически обрабатывается. Хорошие результаты при сварке чугуна дает использование сварочной проволоки ПАНЧ-11.

Электроды ОЗЧ-4, изготовляемые из медной проволоки с фтористо-кальциевой обмазкой, обеспечивают прочный, но труднообрабатываемый шов, представляющий собой медь, насыщенную железом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При отсутствии специальных электродов изготовляются биметаллические электроды (рис. 25 ) намоткой медной проволоки или надеванием медной трубки (меди до 70% от железа) на стальной стержень или малоуглеродистый стальной электрод. Сварной шов также представляет собой медь с вкраплениями железа, прочность его составляет до 60 ….70% от прочности основного металла.

Для сварки толстостенных чугунных деталей используют пучок электродов : стальной электрод диаметром 3 … 4 мм с обмазкой УОНИ-13/55, медный стержень диаметром 4… 5 мм и латунный пруток диаметром 1,5 … 3 мм. Электрическая дуга автоматически перемещается с одного электрода не другой, поэтому тепло распространяется на большую площадь, шов медленнее охлаждается и поэтому меньше отбеливается. Пучок может также состоять из одного медного и одного стального, или двух медных и одного стального электродов.

Газовую ацетилено-кислородную сварку чугуна ведут нейтральным пламенем или с небольшим избытком ацетилена. Присадочный материал -- чугунные прутки диаметром 6 …8 мм. При газовой сварке используются флюсы :

1 - бура;

2 - смесь 50 % буры, 47 % двууглекислого натрия и 3 % окиси кремния;

3 - смесь 56 % буры, 22 % углекислого натрия и 22 % углекислого калия.

Трудность сварки алюминия заключается в следующем :

На поверхности детали образуется тугоплавкая окись алюминия, высокая температура (2050…2060 С) плавления которой препятствует образованию сварочной ванны и соединению кромок свариваемого материала, который расплавляется при более низкой температуре( 650 …660 С).

Алюминий и его сплавы жидкотекучи, не меняют своего цвета, оставаясь серебристо-белыми. Это затрудняет сварку и визуальное определение момента сварки и заплавления шва.

Высокая теплопроводность алюминия и быстрый отвод тепла приводят к большим внутренним напряжениям, к короблению деталей и к появлению трещин.

Несмотря на эти затруднения можно получить качественные сварные швы одним из способов :

1-газовой сваркой как без флюса, так и с флюсом;

2-электродуговой сваркой плавящим электродам;

3-электродуговой сваркой неплавящим угольным электродом;

4-аргонно-дуговой сваркой.

Газовую сварку без флюса проводят восстановительным пламенем с небольшим избытком ацетилена. Внутренние полости детали набивают песком, на деталь, подогретую до 250 … 300 С, укладывают куски припоя (металл однородный с деталью) и пламенем горелки одновременно подогревают припой и деталь, а с помощью стального крючка удаляют окисную пленку и пододвигают расплавленные куски припоя к трещине, перемешивают крючком, добиваясь надежного сваривания.

При безфлюсовой сварке качество сварки хуже, чем при сварке с флюсом. Для разрушения окисной пленки чаще всего используется флюс АФ-4А, представляющий собой смесь хлористых и фтористых солей натрия, калия и лития. Флюс сильно разъедает металл, поэтому после сварки необходимо тщательно удалять остатки флюса и промывать деталь. Сварку детали ведут алюминиевым прутком, предварительно покрытым флюсом, или флюс насыпают на кромки трещин и водят по нему прутком, или пруток во время сварки обмакивают во флюс. Для улучшения структуры шва и снятия внутренних напряжений деталь при сварке желательно нагревать до 300 …350 С.

Электродуговую сварку алюминиевых деталей проводят на постоянном токе обратной полярности. Используются электроды типа ОЗА-1 и ОЗА-2, изготовляемые из алюминиевой проволоки с нанесенной обмазкой, аналогичной по составу флюсу АФ-4А.

Сварка алюминия угольным электродом применяется реже, чем другими способами. Процесс выполняется аналогично газовой сварке с флюсом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аргонно-дуговая сварка ( рис. 26 ) обеспечивает самое лучшее качество сварки, выполняется с помощью вольфрамового электрода и стационарных установок УДАР-300, УДАР-500, состоящих из сварочного трансформатора с дросселем насыщения и осциллятором или с помощью передвижных установок УДГ-301 и УДГ-501. Имеются установки для сварки алюминия различными токами: постоянным или импульсным ( УДГ-161) ; постоянным, импульсным или переменным (УДГ- 251, УДГ-351) .

В зону электрической дуги между деталью и вольфрамовым электродом через специальную горелку подается аргон, который предохраняет металл от окисления и вводится алюминиевый пруток. Разрушение окисной пленки происходит под действием дуги. Состав электродной проволоки выбирается близким по составу основному металлу.

8. Механизированная наплавка и сварка

При производстве труб и строительных конструкций, при ремонте изношенных шеек коленчатых валов, шпоночных канавок, шлицов и шеек валов редукторов и коробок перемены передач строительно-дорожных машин, деталей ходовой части гусеничных машин и других деталей широко применяется механизированная наплавка и сварка. Наиболее распространены следующие способы наплавки: под слоем флюса, в средах углекислого газа, аргона и смеси защитных газов, электрошлаковая, электроконтактная, плазменная, вибродуговая, порошковая, приварка ленты.

Наплавка под слоем флюса (рис. 27) хорошо защищает расплавленный металл от вредного воздействия воздуха, по сравнению с ручной электродуговой сваркой облегчаются условия и повышается производительность труда . Кроме того, Рис. 27. есть возможность улучшить качество наплавленного металла за счет легирования флюса.

Электрическая дуга горит под слоем гранулированного флюса в газовом пузыре, избыточное давление в котором надежно предохраняет металл от отрицательных воздействий воздуха (давление в газовом пузыре чуть выше атмосферного, за счет этого образуется свод расплавленного флюса и воздух не попадает к сварочной ванне). Кроме того, флюсовая оболочка не дает разбрызгиваться металлу электрода и позволяет лучше использовать тепло.

Процесс наплавки под слоем флюса очень производительный по двум причинам:

1. Сварочный ток (150 … 200 А/ мм2 на единицу площади проволоки ) из-за небольшого вылета электрода в 7 … 8 раз превышает значения тока при ручной электродуговой сварке .

Коэффициент наплавки в 1,5 … 2 раза выше чем при ручной электродуговой сварке, т. к. флюс и расплавленный шлак снижают потери тепла и металла на разбрызгивание и угар( не превышают 2% от массы расплавленной проволоки).

В качестве электрода используют голую сварочную проволоку диаметром от 1 до 6 мм . Подачу проволоки ( 100 …300 м/час ) регулируют с помощью специального устройства.

По способу приготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленые или керамические.

Плавленые флюсы получают сплавлением силикатов в печах и размельчением, они имеют стеклообразный вид. Эти флюсы сами не участвуют в формировании химического состава расплавленного металла, а только предохраняют его от воздуха. Наиболее распространен и дает хорошие результаты флюс АН - 348А. Однако, при использовании обычной сварочной проволоки типа Св-08, Св-10 получается малоуглеродистый слой наплавленного металла, имеющий низкую прочность и износостойкость. Введением в этот флюс (1 % )графита или феррохрома можно получить износостойкий слой.

Неплавленые флюсы (АНК - 18, АНК-40, ЖСН-5,…)это (аналогично обмазке электрода) механическая смесь легирующих, газо- и шлакообразующих, связывающих и раскисляющих компонентов, влияющих на протекание металлургического процесса.. Хотя эти флюсы дают очень высокое качество наплавки, но они относительно дорогие.

При наплавке под слоем флюса чаще всего используют обратную полярность : через медный мундштук плюс от источника тока подводится к проволоке, а минус через станину и токосъемник -- к детали. Для увеличения производительности наплавки применяют многоэлектродную наплавку или наплавку ленточным электродом. В первом случае подаются через специальный мундштук или двумя полуавтоматами две проволоки. Ленточным электродом можно наплавлять слой металла шириной до 100 мм.

В качестве защитных газов при сварке используются аргон, углекислый газ, смеси газов и водяной пар. Из-за высокой стоимости аргона наибольшее распространение на заводах сварных строительных и машиностроительных конструкций получила наплавка в среде углекислого газа ( рис. .28). Восстановление деталей сваркой и наплавкой в среде углекислого газа используется в основном для ремонта тонкостенных деталей кабин, кузовов и оперения.

Рис.28. . Схема наплавки в среде углекислого газа

Углекислый газ, подаваемый в зону сварки, оттесняет воздух и тем самым защищает сварной шов от азота и кислорода. Однако углекислый газ при высокой температуре электрической дуги ( до 6000 С) разлагается на окись углерода и кислород, поэтому выгорают углерод и легирующие элементы в наплавляемом металле . Негативные последствия этого устраняются применением специальной сварочной проволоки Св-08ГС, Св-10ГС и др. диаметром 0,8 …1,2 мм., содержащие легирующие добавки кремния, титана и марганца.

Достоинствами наплавки в среде углекислого газа являются :

1-плотный, ровный и красивый сварной шов, нет шлаковой корки и не требуется последующая механическая обработка, металл шва менее чувствителен к коррозии;

2-высокая производительность труда ( в 1,5…2,5 раза выше, чем при ручной электродуговой сварке); 3-хорошие условия для визуального наблюдения сварщиком за процессом сварки;

4-небольшое коробление детали из-за хорошего охлаждения ее газом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве недостатков можно назвать относительно большое разбрызгивание металла и сравнительно низкие механические свойства сварного шва.

Для сварки (рис. 29 ) пользуются углекислотой, поставляемой в баллонах объемом 40 литров. Этого количества газа достаточно на 15 … 20 часов работы. Чтобы влага, содержащаяся в углекислоте, не вызывала разбрызгивание металла при сварке предусмотрен осушитель газа (медный купорос). В качестве редуктора используется обыкновенный кислородный редуктор. Сварка производится током обратной полярности. Расход углекислого газа 400 … 500 л/мин. получается узкий и глубокий шов и малая зона термического влияния. В настоящее время для защиты сварочной дуги от вредного воздействия воздуха все шире начинают использовать защитные газовые смеси, состоящие из углекислого газа СО₂ и аргона Аr.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из-за снижения потерь металла до 70…80 % на разбрызгивание по сравнению с традиционной ( в защитной среде СО₂ ) производительность сварки (рис. 30 ) существенно ( до 2 раз) возрастает и на 10…15% уменьшаются расходы электроэнергии и материалов. Смеси поставляются (завод «Уралтехгаз», г. Екатеринбург) в 40-литровых баллонах .

Электрошлаковая наплавка. (рис. 31.) используется для ремонта деталей, имеющих большой износ (катки и гусеницы трактора,…), дает наибольшую из всех видов сварки плавлением производительность наплавки (Кн = 25 …30 г/А ч по сравнению с 7…12 г/А ч ручной электродуговой сварки)) и позволяет получить наплавленный металл высокого качества.

Сначала флюс расплавляется электрической дугой и далее является электрическим проводником, нагревающим при прохождении через него электрического тока, вследствие этого расплавляется металл электрода и детали, образуется металлическая ванна.



Рис. 31. Схема электрошлаковой наплавки.

При движении кристаллизатора кверху со скоростью соответствующей скорости расплавления электрода, которая в свою очередь определяется размером электрода и силой тока, происходит перемещение металлической ванны с флюсом кверху с остыванием нижних слоев металла. Флюс полностью предохраняет ванну от воздействия воздуха, позволяет вводить легирующие элементы, концентрирует тепло на расплавление металла.

Вибродуговая наплавка выполняется колеблющимся электродом с частотой 50 …100 гц и с амплитудой 1 …3 мм. Колебания электрода оказывают существенное влияние на протекание процесса наплавки, состоящего из чередования циклов горения дуги, холостого хода и короткого замыкания.

Важной особенностью процесса является то, что вследствие наличия индуктивности в цепи при сравнительно низком напряжении источника тока (12 … 20 В) дуговой разряд протекает при напряжении устойчивого горения дуги (30… 35 В). В период дугового разряда выделяется 80 … 90 % всего тепла (при коротком замыкании всего 10 … 20%).

Вибродуговую наплавку выполняют на постоянном токе обратной полярности в среде охлаждающей жидкости. В качестве её используется 4…5%-ый раствор кальцинированной соды или 10% -ый раствор технического глицерина в воде. Раствор подается на расстоянии 20 … 40 мм от электрода. Вода переходит в пар, её пары и продукты разложения (кислород и водород защищают металл от азота). Подача охлаждающей воды также, как и прерывистый характер процесса, способствует уменьшению термического влияния. При разложении соды кальций способствует стабилизации горения дуги, а глицерин способствует уменьшению трещин при наплавке высокоуглеродистой проволокой.

Несмотря на ряд преимуществ ( маленькая зона термического влияния, снижение выгорания легирующих элементов, возможность получения тонких и прочных покрытий) при вибродуговой наплавке имеет место существенный недостаток - снижение усталостной прочности деталей из-за неоднородности структуры и наличия пор. Поэтому этот способ в настоящее время используется редко, в частности, он не рекомендуется для наплавки деталей, работающих при знакопеременных нагрузках.

Сварка трением ( рис 32) используется при изготовлении деталей, имеющих форму тел вращения, и в крупносерийном ремонтом производстве. Этим способом восстанавливаются шаровые пальцы, тяги. Широко применяется сварка трением при изготовлении и ремонте режущего инструмента (сверл, метчиков, фрез, разверток) .Этим способом свариваются круглые стержни и трубы, выполняется их приварка к поверхностям деталей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При вращении, прижатые усилием Р, торцевые поверхности детали нагреваются до 900 …1300 С; вращение прекращается, а усилие прижима увеличивается в 2 … 3 раза и происходит сварка деталей давлением.

Сварка трением выполняется быстро, имеет высокий К.П.Д. и высокую производительность. Так для сравнения, электроконтактная сварка деталей поперечного сечения 750 мм² выполняется за 12 секунд при потребляемой мощности 110 кВт, а при сварке трением такой же детали время сварки почти такое же- 10 секунд, но достаточно всего 5,4 кВт мощности. Недостатками этого способа является ограниченная область применения ( только для тел вращения) и сравнительно небольшие размеры деталей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронно-лучевая сварка (рис. 33) из-за технологической сложности не получила широкого распространения, но является перспективной вследствие высокой производительности, малой зоны термического влияния и хорошего качества сварного шва.

Сварка проводится в вакуумной камере, где и помещается деталь перемещающаяся со скоростью сварки. Переменный ток низкого напряжения нагревает вольфрамовый катод, который испускает электроны, электрическим или магнитным полем фокусирующие в электронный луч. Для усиления эмиссии к детали и катоду подводится выпрямленный ток высокого напряжения. В результате получается узкий и глубокий шов и малая зона термического влияния.

9. Плазменная сварка и наплавка

Плазменная сварка и наплавка является наиболее прогрессивным способом восстановления изношенных деталей машин и нанесения износостойких покрытий (сплавов, порошков, полимеров,…) на рабочую поверхность при изготовлении деталей.

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при 2 …3 атмосферах, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока - до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках - плазмотронах. Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.