Сварка

К третьей группе относятся стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонны к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

 

Сварка углеродистой стали:

На свариваемость сталей решающим образом влияют их химический состав, физические свойства и термическая обработка перед сваркой.

Углерод сильно влияет на качество сварного шва. Повышенное содержание углерода сказывается на прочности, твердости и вязкости шва. С увеличением содержания углерода в стали сверх 0,3% повышает само-закаливаемость переходной зоны основного металла, и сталь становится более хрупкой. При газовой сварке влияние углерода проявляется значительно меньше, чем при дуговой.

Углеродистые конструкционные стали хорошо свариваются любым способом при содержании до 0,25 % С и удовлетворительно при содержании до 0,55% С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Процессы, протекающие при сварке

Сварка плавлением представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих в условиях высокой температуры, значительной концентрации тепла в небольшом объеме, быстрого нагрева и охлаждения расплавленного металла при наличии близлежащего холодного металла.

В результате сосредоточенного воздействия тепла сварочной дуги плавится электродный и основной металл. Совместно с металлом плавится электродное покрытие (при ручной дуговой сварке) или флюс (при сварке под флюсом). Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в основном в виде капель величиной от тысячных долей миллиметра до 5-6мм. Размер капель и их количество зависит от силы тока, химического состава стержня и покрытия (при ручной дуговой сварке), от электромагнитных явлений в дуге.

Расплавление электродного металла сопровождается обильным выделением газов, в основном от окисления углерода. На интенсивность газовыделения, а следовательно, и на характер металлургических процессов при сварке существенное влияние оказывает величина поверхности капель.

При совместном переходе капель расплавленного электродного металла и шлака через дуговой промежуток протекают химические реакции между металлом, шлаком и газами среды, окружающей дугу.

Реакции между газами и металлом успевают в основном пройти в дуговом промежутке, несмотря на малое время существования капель.

За счет энергии дугового разряда при сварке образуется участок расплавленного металла, называемый сварочной ванной.

Сварочная ванна перемещается вдоль шва с определенной скоростью, равной скорости сварки. Время, в течение которого сварочная ванна переместится вдоль шва на расстояние, соответствующее длине ванны, называют временем существования ванны. Размеры сварочной ванны и время ее существования зависят в основном от способа сварки, режима и физических свойств свариваемого материала.

В сварочной ванне на определенных этапах ее существования проходят следующие процессы :

перемешивание шлака с расплавленным основным и электродным металлом;

газовая и шлаковая защита ванны;

окисление, раскисление и легированные металла ванны;

растворение газов в металле ванны;

образование пор и шлаковых включений;

кристаллизация металла и формирование шва.

Металл шва представляет собой сплав основного и электродного металла (или присадочной проволоки). Соотношение между основным и электродным металлом в шве зависит от скорости плавления электрода, глубины ванны, объема наплавленного металла и ряда других факторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Электрическая сварочная дуга

Сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металлов и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и других средств. Она характеризуется высокой температурой газов и большим током в зоне разряда. Расстояние между электродом и свариваемым металлом называют областью дугового разряда или длиной дуги.

В обычных условиях при нормальных температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газы возможно только при наличии в них электронов и ионов. Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются заряженные частицы (ионы и электроны), называется ионизацией.

Зажигание дуги при сварке плавящимся электродом начинается с короткого замыкания (соприкосновения) электрода со свариваемым металлом. Ток короткого замыкания практически мгновенно расплавляет металл в месте контакта, в результате чего образуется жидкая перемычка. При отводе электрода от изделия жидкая перемычка, образовавшая между электродами, растягивается, металл перегревается и его температура достигает температуры кипения; пары металла и газы под действием термо- и автоэлектронной эмиссии ионизируются - возбуждается дуга.

Источником сварочной дуги может быть постоянный или переменный электрический ток. Горение дуги постоянного тока более устойчиво. Сварка может проводится на прямой (электрод подключен к отрицательному полюсу) и обратной полярности.

Общее напряжение дуги равно сумме падений напряжений в ее отдельных областях определяется по формуле: U _д =U_K+U_C+U_A = f(I _д), где U_д- напряжение дуги, В;

Uk - падение напряжения на катоде, В;

U_c - падение напряжения в столбе дуги, В;

U_a - падение напряжения на аноде, В; 1_Д - сила тока дуги, А.

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называют статической (вольтамперной) характеристикой  дуги.

При ручной сварке напряжение на дуге не зависит от силы тока. В этом случае с достаточной  точностью статическая характеристика может быть выражена уравнением:

l_Д = 0,5 • (d + 2) = 0,5 • (4 + 2) = 3 мм; U_д = а +B*l_Д, где l_Д - длина дуги, мм;

U_д = 35 + 2,5 • 3 = 42.5 В; а, β - постоянные коэффициенты, зависящие от материала электродов,

давления и  свойств газовой среды.

Из этого уравнения следует, что напряжение на дуге, при всех прочих равных условиях, будет зависеть от длины столба дуги.

Сварочная дуга переменного тока, вследствие того, что мгновенные значения переменного тока 100 раз в секунду переходят через нуль, получается менее стабильной и менее устойчивой. В каждый полупериод дуга угасает и вновь зажигается через некоторый промежуток времени. Время восстановления дуги снижается при повышении напряжения холостого хода и при использовании повышенных частот.

Напряжение  зажигания электрической дуги U₃ и напряжение горения дуги U_д зависят также от

способа защиты дуги от окружающей среды. Так для  сварки открытой дугой напряжение

зажигания и  напряжение горения дуги имеют следующую  зависимость :

U₃ = (1,3 ÷2,5) *U_д = 2 • 42.5 =85 В; При сварке на больших силах тока под флюсом напряжение

зажигания почти  равно напряжению горения дуги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Требования к источникам питания сварочной дуги.

Свойства источника питания определяются его внешней характеристикой, которая представляет собой зависимость изменения напряжения источника от силы тока нагрузки.

Источники питания сварочной дуги должны обеспечивать возможность настройки различных режимов сварки, которая заключается в установлении оптимальной величины силы тока при заданном напряжении дуги. Для этой цели источник питания должен иметь регулирующее устройство, обеспечивающее получение в определенном диапазоне регулирования несколько внешних характеристик, которые должны обеспечивать устойчивое горение дуги при заданном напряжении и силе тока.

Режим работы характеризуется  отношением длительности сварки к сумме  длительности сварки и холостого  хода, выраженной в процентах.

 где tСВ - время сварки; tП- время пауз .

За номинальный режим работы однопостовых сварочных генераторов, трансформаторов и выпрямителей принят режим при ПР = 65% или 60% и многопостовых источников питания - при ПР = 100%.

 

 

6. Выбор материалов и режимов сварки.

Толщина металла - 10мм., Углеродистая сталь - Ст. 3

Выбрать: Марку электрода, диаметр электрода, силу сварочного тока, присадочную проволоку. Рассчитать: Режимы ручной электродуговой и автоматической сварки под слоем флюса для стыкового, углового и таврового соединения.

Область применения государственных стандартов на основные типы швов и сварных 
соединений, конструктивные элементы: таблица 1 - область применения видов сварки.

 
Таблица 1            

ГОСТ	Наименование	Область применения
5264-80	Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.	На соединения из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах. Стандарт не распространяется на сварные соединения стальных трубопроводов по ГОСТ 16037-80
8713-79	Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.	На соединения из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах. Стандарт не распространяется на сварные соединения стальных трубопроводов по ГОСТ 16037-80

 

Подберем электрод с покрытием рутилового типа марки  АНО-4А предназначенный для ручной дуговой сварки по ГОСТ 1050-74 (всех степеней раскисления). Шлакообразующим служат рутил, а также полевой шпат, магнезит и другие. В качестве раскислителя и легирующего компонента применяют ферромарганец. Тип электрода Э-42, ток может быть как постоянным, так и переменным.

Коэффициент наплавки 7-8 (г/А*ч), который характеризует производительность процесса сварки и наплавки. Режим прокалки t=200-220° С, время 60мин. Материал для присадочной проволоки электродов для сварки углеродистых сталей выберем СВ-08. Способ сварки - ручная и автоматическая сварка под слоем флюса. Толщина металла 10мм. Необходимый электрод - 4мм.

Силу сварочного тока выберем в зависимости от диаметра электрода, толщины металла, вида соединения. При учете всех факторов работать необходимо при максимально возможной силе тока. Величину сварочного тока можно определить по формуле:

I_CB= d_Э²/4*j

J – допускаемая плотность тока (А/мм²),при которой температура нагрева электродного стержня к концу плавления не превышает 600-650^о и выбираем по таблице:

 

 

 

Вид покрытия	Допускаемая плотность  тока в электроде (А/мм2/ при dэ(мм)
	3	4	5	6
Рудно-кислое, рутиловое	14-20	11,5-16	10-13,5	9,5-12,5
Фтористо-кальциевые	13-18,5	10-14,5	8-12,5	8,5-12

 

I_CB=4²/4*16=64 А/мм²/ - получили величину сварочного тока.

 

 

7. Определение количества наплавленного металла для различных видов сварочных соединений со скосом кромок

 

Меньшая величина угла раскрытия кромок не обеспечивает нормального формирования корневого шва и вызывает появление дефектов сварного шва в виде непровара и шлаковых включений. Большая величина угла разделки вызывает повышенный расход электродов. Величина зазора влияет на глубину провара в зависимости от его толщины и измеряется с помощью специальных щупов. Малая величина зазора может вызвать непровар основного металла, большая - прожег. Величина притупления для V и Х-образных соединений устанавливается в зависимости от толщины свариваемого металла, измеряется с помощью стандартных измерительных средств. Малая величина притупления может вызвать прожег корневого шва, большая - непровар корня шва.

Смещение кромок влияет на потерю прочности сварного шва, регулируется с помощью специальных  приспособлений, измеряется специальным шаблоном.

 

Стыковое соединение с V-образной подготовкой кромок, т.к. толщина металла S = 10мм, причем угол раскрытия кромок 25°, зазор С = 2мм, притупление q = 1,5 мм, провар h = 5м (h = S - С), е = 14мм,

b = 2мм. Сварной шов односторонний.

Рис. 1. Стыковое соединение со скосом кромок.

 

 

1. Определим площадь поперечного сечения наплавленного металла по формуле:

 

 

 

2) Масса наплавленного металла определяется по заданным на чертеже размерам шва. Для этого, 
после того, как была определена площадь поперечного сечения шва, устанавливаем объем 
наплавленного металла:

 

V_H= F_Ш*L

 

V_H =41•100 = 4157,875 мм³

где L-длина шва = 100мм

 

3) Масса наплавляемого металла: Q_М = 4157,875 • 0,0075 = 31,184 ≈ 31 г