Технология сварочных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ВАХ и ее влияние на условия горения дуги. Влияние рода, полярности тока на дугу, состав газов, материалов электродных покрытий и флюсов

флюс сплав вольтамперный электродный

Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 1) имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую. В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а, следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100…1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока. В области 3 (более 1000А) увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга области 1 горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области 2 горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит от рода тока (постоянный или переменный), дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2…4 мм, находятся в пределах 40…70 В. Напряжение для установившейся сварочной дуги может быть определено по формуле Uд= а + blд, где а - коэффициент, по своей физической сущности составляющий сумму падений напряжений в зонах катода и анода, В; b - коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм; lд - длина дуги, мм.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика дуги

Длиной дуги (рис. 2) называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длиной 2…4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4…6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.

Рис. 2. Длина сварочной дуги

Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво; металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется, увеличивается угар и разбрызгивание металла.

2. Технология изготовления электродов. Виды покрытий

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой стержни длиной до 450 мм, изготовленные из сварочной проволоки, на поверхность которых наносится слой покрытия различной толщины и состава. Один из концов электрода на длине 20…30 мм освобождён от покрытия для зажатия его в электрододержателе с целью обеспечения электрического контакта. Торец другого конца очищают от покрытия для возможности возбуждения дуги контактным методом. Допускается нанесение специального ионизирующего состава (слой графита) для облегчения первоначального поджига дуги.

Электроды, применяемые для сварки и наплавки, классифицируются по назначению (для сварки стали, чугуна, цветных металлов и для наплавочных работ), технологическим особенностям (для сварки в различных пространственных положениях, для сварки с глубоким проплавлением и для ванной сварки), типу покрытия (кислое, целлюлозное, рутиловое, основное, смешанное и прочее), химическому составу стержня и покрытия, характеру шлака, механическим свойствам металла шва и способу нанесения покрытия (опрессовкой или окунанием).

Электроды для дуговой сварки сталей и наплавки по ГОСТ 9466-75 подразделяются на следующие классы:

- для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей;

- для сварки легированных теплоустойчивых сталей;

- для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами;

- для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (кроме электродов для наплавки цветных сплавов).

Электроды для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей, а также электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей классифицируются по ГОСТ 9467-75. Этим стандартом предусмотрено 9 типов электродов для сварки низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55 и Э60), 5 типов электродов для легированных сталей повышенной прочности (Э70, Э85, Э100, Э125, Э150). Кроме того, предусмотрены 9 типов электродов для сварки теплоустойчивых сталей.

Электроды для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей обозначают по марке и типу электрода, диаметру стержня, по типу покрытия и ГОСТу.

Каждому типу электрода соответствует несколько марок электродов. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОМА-2, АНО-6, МЭЗ-04 и др. Марка электрода - это его промышленное обозначение, как правило, характеризующее стержень и покрытие. Электроды для сварки теплоустойчивых сталей классифицируются по механическим свойствам металла шва и по химическому составу наплавленного металла в процентах. Буквы, стоящие после буквы Э, указывают на наличие легирующих элементов в наплавленном металле, а цифры - их содержание в процентах (если оно превышает 1%). При содержании легирующего элемента менее 1% ставится только соответствующая буква. Например, при использовании электродов типа Э-Х2МФБ в наплавленном металле шва гарантируется содержание более 2% хрома, до 1% молибдена, ванадия и ниобия. Электроды для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами классифицируются ГОСТ 10052-75 по химическому составу наплавленного металла, содержанию ферритной фазы, стойкости сварного соединения против межкристаллитной коррозии и механическим свойствам наплавленного металла, испытанного при температуре 20°С. Буква А, стоящая после буквы Э, обозначает аустенитные, а буква Ф - ферритные электроды. Буквы, стоящие после тире, обозначают название элементов, по которым гарантировано содержание этих элементов в наплавленном металле шва.

Электроды для дуговой наплавки регламентируются ГОСТ 10051-75 (25 типов электродов, которые характеризуются химическим составом наплавленного металла и его твердостью). Покрытия (обмазки) электродов. Электродные покрытия (обмазки) состоят из ионизирующих, шлакообразующих, газообразующих, раскисляющих, легирующих и связующих компонентов.

1. Ионизирующие вещества предназначены для снижения эффективного потенциала ионизации, что обеспечивает стабильное горение дуги. В качестве ионизирующих компонентов в покрытия вводят такие вещества, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат и др.

2. Газообразующие вещества, которые при сварке разлагаются или сгорают, выделяя большое количество газов, создающих в зоне дуги газовую оболочку. Благодаря этой оболочке металл шва предохраняется от воздействия атмосферного кислорода и азота. Такими газообразующими веществами являются крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.

3. Раскисляющие вещества, которые обладают большим сродством с кислородом и поэтому восстанавливают металл шва. Раскислителями служат ферросплавы, алюминий, графит и др.

4. Шлакообразующие вещества создают шлаковую защиту расплавленного металла шва, а также капель электродного металла, проходящих через дуговой промежуток. Кроме того, шлаки активно участвуют в металлургических процессах при сварке и способствуют получению качественного шва. В качестве шлакообразующих веществ применяют полевой шпат (K2O?Al2O3?6SiO2), кварц (SiO2), мрамор, рутил, марганцевую руду и др.

5. Легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических качеств. Хорошими легирующими веществами являются ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан. Реже применяют различные оксиды металлов (меди, хрома и др.).

6. Связующие вещества предназначены для замеса всех компонентов покрытия в виде пасты, а также для связывания пасты на сердечнике электрода и придания определенной прочности после высыхания покрытия. Таким веществом является жидкое стекло. Реже применяется декстрин.

По видам покрытия электроды подразделяют:

* с кислым покрытием - условное обозначение А;

* с рутиловым - Р;

* с целлюлозным - Ц;

* с основным - Б;

* с покрытием смешанного типа - соответствующее двойное обозначение (например, АЦ,);

* с прочими видами покрытий - П.

Кислые покрытия (АНО-1, СМ-5) содержат руды в виде окислов железа и марганца; при плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов. Однако наплавленный металл имеет относительно малую вязкость и пластичность, и пониженное содержание легирующих примесей. Отсутствие в составе этого покрытия оксидов железа и марганца позволяет широко легировать наплавляемый металл. При сварке можно получить металл шва заранее заданного химического состава с хорошими механическими свойствами. В качестве раскислителей покрытие содержит ферротитан, ферромарганец и ферросилиций.

Физические свойства образующихся шлаков оказывают значительное влияние на процесс сварки и формирование сварного шва. Во всех электродных покрытиях при их плавлении плотность шлака должна быть ниже плотности металла сварочной ванны, что обеспечит его всплывание из сварочной ванны. Температурный интервал затвердения шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны, иначе слой шлака не будет пропускать выделяющиеся из сварочной ванны газы. Шлак должен покрывать сварной шов по всей поверхности ровным слоем.

Электроды характеризуют по свойствам наплавленного ими металла, к которым относятся: прочность, пластичность, удлинение, ударная вязкость, твердость, коррозионная стойкость, стойкость против старения, - а при наплавочных работах и износостойкость. Наряду с качеством металла шва, полученного при сварке данным электродом, важное значение имеют и его технологические свойства. К основным технологическим свойствам электрода относят его производительность, пригодность для сварки в различных пространственных положениях, стабильность горения дуги при постоянном и переменном токе, допустимую максимальную и минимальную длину дуги, форму шва, коэффициенты наплавки, расплавления и потерь.

В промышленности широкое применение получили следующие электроды. Электроды УОНИ-13 дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов из конструкционных сталей. Такие электроды выпускаются нескольких марок: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65 и УОНИ-13/85. Цифры после черты обозначают получаемый предел прочности металла шва (кгс/мм2). Сварку можно производить при любом положении шва, но только на постоянном токе обратной полярности. Эти электроды применяют в заводских и монтажных условиях. Электрод СМ-11 (тип Э42А) получил широкое распространение в строительстве, применяется при сварке ответственных конструкций во всех пространственных положениях.

Важным положительным качеством электрода СМ-11 является устойчивость сварки в условиях монтажа, когда необходимо поддерживать постоянство длины сварочной дуги. Таким же качеством обладают электроды марки МР-3, имеющие коэффициент наплавки 9 г/(А/ч). Они предназначены для сварки постоянным и переменным током. Большое применение получили электрод марки ОЗС-4 (тип Э46) (коэффициент наплавки 8,5 г/(А/ч) для сварки ответственных металлоконструкций из низкоуглеродистой стали и электрод ОЗС-5 (коэффициент наплавки 11 г./(А/ч), содержащий в покрытии железный порошок. Сварка выполняется переменным и постоянным током любой полярности во всех пространственных положениях.

Для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей переменным или постоянным током во всех пространственных положениях хорошие результаты дают электроды марки АНО-5 (тип Э42), имеющие коэффициент наплавки 11 г./(А/ч), и марки АНО-6 (коэффициентом наплавки 8,5 г/(А/ч). Для сварки деталей из низкоуглеродистой стали, работающих при динамических нагрузках, применяют электроды марок АНО-3 и АНО-4 (тип Э46) (коэффициент наплавки 8 г/(А/ч). Электроды типа АНО характеризуются устойчивым горением дуги, незначительным разбрызгиванием металла, стойкостью против образования кристаллизационных трещин и легкостью отделения шлаковой корки. Особо следует отметить их низкую токсичность.

Для сварки конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей малых толщин (0,8…3,0 мм) во всех пространственных положениях применяют электроды марки ОМА-2 (тип Э42), стержень из проволоки Св-08 диаметром до 3 мм, ток в пределах 35…65 А.

В настоящее время достаточно большой объём применяемых электродов составляет продукция зарубежных фирм. Данные электроды отличает высокое качество изготовления и стабильность свойств различных партий материалов. Все свойства покрытых электродов регламентируются стандартами: EN 499 - классификация электродов; ISO 2560 - электроды для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей; DIN 8555 - электроды для сварки углеродистых и низко-легированных конструкционных сталей; ISO 3581 - электроды для сварки высоколегированных сталей; AWS A5.1 - электроды для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей; ISO 3580 - электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей; DIN 1913 - электроды для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

3. Параметры режима сварки под флюсом

Сварка под флюсом является крупнейшим достижением современной сварочной техники. Впервые этот способ предложил и осуществил в конце 19 века Н.Г. Славянов. В качестве флюса он применял дроблёное оконное стекло.

Способ автоматической сварки под флюсом предложил Д.А. Дульчевский в 1929 году. Создание промышленного способа автосварки под флюсом и его внедрение связано с именем академика Е.О. Патона, который внес большой вклад в разработку его технологии, оборудования и материалов. Сварка под флюсом - это дуговая сварка с использованием плавящегося электрода и введением в зону дуги гранулированного (зернистого) флюса, слой которого полностью закрывает дугу и, частично расплавляясь, создаёт вокруг неё подвижную защитную оболочку, перемещающуюся вместе с дугой. Сварочная ванна полностью защищена от действия кислорода и азота воздуха. Сварочный ток в 3-5 раз больше, чем при ручной сварке электродами. Производительность сварочных работ возрастает в 6-10 раз.

Автоматическая сварка выполняется при помощи специальных аппаратов, которые осуществляют подачу сварочной проволоки в сварочную ванну и перемещение проволоки вдоль сварочного стыка. Эти аппараты имеют устройство для подачи и уборки флюса, называемые флюсоаппарат. Бункер для подачи флюса находится на механизме (тележке) перемещения вдоль шва и расположен впереди электродной проволоки. Эти механизмы (тележки) называются сварочными автоматами, сварочными тракторами или сварочными головками - когда они подвесные - на направляющем рельсе.

В процессе сварки расплавленная и затвердевшая часть флюса(шлак) образуют на шве толстую шлаковую корку. Флюс насыпается слоем толщиной 50-60 мм, дуга утоплена в массе флюса и горит в жидкой среде расплавленного флюса, в газовом пузыре, образуемом газами и парами от дуги. Флюс позволяет устранит нежелательные механические воздействия дуги на ванну жидкого металла, разбрызгивание его и нарушение формирования шва даже при очень больших токах, так как флюсом создаётся статическое давление на жидкий металл до 8 г/см², что даёт возможность увеличить сварочный ток в три раза по сравнению со сваркой открытой дугой, а это повышает производительность и качество.

Зона термического влияния и величина погонной энергии при автоматической сварке под флюсом примерно в два раза меньше, чем при ручной сварке, в результате значительно возрастает качество сварочных соединений.

Заключение дуги в сварочный пузырь со стенками из жидкого флюса практически сводит к нулю потери металла на угар и разбрызгивание, которые составляют 1-2% от веса расплавленного электродного металла. Сварочные швы получаются равномерными и очень высокого качества.

Недостатки сварки под флюсом следующие:

1) невидимость места сварки, требующая точность сборки;

2) возможность сварки только в нижнем положении;

3) отсутствие мобильности для сварки швов малой протяженности, неприменимость вне цеховых условий;

4) большой расход и относительно высокая стоимость флюса;

5) неэффективность при сварке коротких швов (менее 400 мм).

Автоматическая сварка под флюсом применяется для изготовления металлоконструкций ответственного назначения, с большой протяженностью сварных швов, прямолинейных и криволинейных и с большей точностью сборки под сварку. Она успешно применяется при сварке железнодорожных цистерн, при производстве труб диаметром более 300 мм, при изготовлении пропановых баллонов, где стенка толщиной 3 мм, а также в конструкциях с большой толщиной металла.

4. Сварка титана и его сплавов

Среди новых конструкционных металлов весьма перспективны титан и сплавы на его основе, которые имеют два основных преимущества по сравнению с другими материалами: высокую удельную прочность (т.е. прочность, отнесенную к плотности) вплоть до температур 450-500° С и отличную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах. Непрерывно расширяются области применения титана и титановых сплавов в химическом машиностроении, авиапромышленности и других отраслях производства.

Весьма чистый титан (названный по способу его получения йодидным) находит ограниченное применение, например, в радиоэлектронике. Технический титан содержит примеси внедрения, в том числе газы - кислород, азот и водород, которые в разной степени повышают прочность и снижают пластичность и вязкость металла. В сварных швах они вызывают образование холодных трещин. Поэтому свариваемый технический титан должен содержать ограниченное количество примесей - газов. За последние годы металлургическая промышленность освоила изготовление из технического титана листового проката различной толщины, поковок, проволоки, труб и других полуфабрикатов.

Легирование титана позволяет получать свариваемые сплавы, обладающие повышенной прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Легирующие элементы по-разному оказывают влияние на фазовый состав сплавов на основе титана. Такие элементы как алюминий, олово, цирконий и другие не изменяют кристаллического строения технического титана, для которого при нормальной

температуре характерна а-фаза. Поэтому они называются «-стабилизаторами. Большая группа элементов - марганец, молибден, ванадий, хром и другие - при добавлении в титан может сохранить при нормальной температуре высоко - температурную Р-фазу. Изменяя количество таких стабилизаторов, можно получить двухфазный (а + Р) сплав или даже однофазный р-сплав. Сплав последнего типа получается при высоком содержании элементов Р-стабилизаторов. Технический титан и однофазные (а-фаза) сплавы титана не упрочняются в результате термообработки. Двухфазные и однофазные метастабильные р-сплавы титана воспринимают упрочняющую термообработку, состоящую из закалки с последующим отпуском (старением). Прочность таких сплавов, подвергнутых термообработке, может быть доведена до 140 кгс/мм² и более при удовлетворительной пластичности и вязкости.

Дополнительные затруднения при сварке создает большая склонность титана к росту зерен при нагреве до высоких температур, особенно в области р-фазы (выше 880° С). Низкая теплопроводность титана способствует увеличению времени пребывания шва и околошовной зоны при высоких температурах. Например, время пребывания околошовной зоны на титане выше температуры, а -> р превращения превосходит аналогичный параметр для стали в 2,5-3 раза. Чтобы преодолеть указанное затруднение, сварку выполняют при минимально возможной погонной энергии.

На качество сварных соединений титана оказывает влияние состояние поверхности кромок и присадочного металла. Окисно-нитридная пленка, которая образуется после горячей обработки полуфабрикатов (ковки, штамповки, прокатки на воздухе и др.), удаляется механической обработкой или путем пескоструйной обработки и последующего травления металла в смеси солей с кислотами или щелочами. Находит применение травление в течение 5-10 мин при температуре 60° С в растворе следующего состава: 350 см³ технической соляной кислоты, 50 г. фтористого натрия, 650 см³ воды.

При неполном удалении пленки окислов на поверхности титана может сохраниться альфированный слой. Такое название этот слой получил вследствие повышенной концентрации в нем газов (азота, кислорода), стабилизирующих а-фазу, и способности сохранять непревращённую а-фазу при закалке от температур несколько выше температуры фазового превращения. Наиболее частыми дефектами сварных швов являются поры и холодные трещины. В сварных титановых швах механизм образования пор, располагающихся по оси шва и у границ сплавления, практически такой же, как и для стали.

Характерно применение специальных приспособлений, позволяющих защитить зону сварки, остывающие участки шва и околошовную зону, а также корень шва. К ним относятся удлиненные насадки с отверстиями, защитные козырьки, ползушки и другие приспособления, обеспечивающие защиту металла шва и участков основного металла, подвергнутых нагреву.

В производственных условиях достаточно надежно удается защитить короткие прямолинейные швы. Качественная сварка изделий сложной конфигурации со швами, расположенными в разных плоскостях с местной защитой шва, на воздухе весьма затруднена. Поэтому для сварки находят применение герметичные камеры с контролируемой атмосферой инертного газа.

Размещено на Allbest.ru