Способы сварки плавлением

Все способы сварки плавлением относятся к термическому классу. Наиболее распространенными видами сварки плавлением являются дуговая и газовая.

При дуговой сварки источником нагрева является дуга, которая горит между свариваемым изделием и одним или двумя электродами. Электроды могут быть плавящимися и неплавящимися (вольфрамовыми, угольными). Сварочная дуга представляет собой электрический разряд в ионизированной газовой среде, сопровождаемый выделением значительного количества тепла и световой энергии. Температура в столбе дуги составляет около 7000^оС, а в конце электрода и в месте сварки – 2400-2600°С.

Дуговая сварка может выполняться как на переменном так и на постоянном токе. Для сварки на переменном токе используются сварочные трансформаторы (рис. 3,а,б) в которых трансформатор 1 снижает напряжение сети до напряжения холостого хода (60-80В), а дроссель 2 служит для регулирования тока и получения падающей вольтамперной характеристики.

Для сварки на постоянном токе применяются сварочные генераторы и выпрямители. Наибольшее распространение получили генераторы с самовозбуждением (рис. 3, в). Магнитные потоки Ф_п и Ф_р создаваемые обмотками 1 и 2, взаимодействуя друг с другом обеспечивают получение падающей характеристики. Регулирование силы тока производится сдвигом щеток 3,4 на поверхности якоря 5, либо путем секционирования 6 обмотки 2 (грубое регулирование). Плавное (точное) регулирование производится реостатом 7.

Для сварки наиболее распространены селеновые и кремневые выпрямители. По сравнению с генераторами они имеют высокие динамические характеристики (время восстановления U_хх после К.З.) просты и надежны в эксплуатации. Однако мощность их ограничена из-за нагрева полупроводников. Дуговая сварка подразделяется на ручную, автоматическую, газоэлектрическую и др.

При ручной дуговой сварке подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок производится вручную. Наибольшее применение имеет ручная дуговая сварка плавящимся электродом. Плавящиеся электроды представляют собой проволочные стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень электрода изготавливают из специальной сварочной проволоки (ГОСТ 2246-70). В состав покрытия электродов входят стабилизирующие (Ca, Na, K и др.), шлакообразующие (марганцовистая руда, полевой шпат, рутил, мрамор), раскисляющие (ферромарганец, ферросилиций); легирующие (феррохром, ферромолибден) и связующие (жидкое стекло) составляющие. Основное назначение покрытия стабилизировать горение дуги, обеспечить надежную защиту металла от окисления, дополнительно раскислять и легировать шов.

Рис 4.2 Схемы сварочных трансформаторов (а, б) и генератора (в).

При ручной сварки дугу возбуждают обычно прикосновением торца электрода к свариваемому изделию с последующим отводом его на расстояние 3-6мм. Схема процесса сварки показана на рис 4.3. После зажигания дуги между концом стержня электрода 7 и заготовкой 1 и отвода электрода на требуемое расстояние начинается устойчивое горение дуги. При этом расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 4. В месте со стержнем плавится покрытие электрода 8, образуя газовую защитную атмосферу 6 вокруг дуги и шлаковую ванну 5 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги происходит кристаллизации сварочной ванны и образование сварочного шва 2. Жидкий шлак на поверхности шва после затвердевания образует шлаковую корочку 3.

Рис 4.3 Схема процесса ручной дуговой сварки.

Расчет параметров режима ручной дуговой сварки необходимо начинать с выбора электрода, определения силы сварочного тока, напряжения и длинны дуги.

Электроды для ручной сварки следует выбирать прежде всего в зависимости от марки свариваемых сталей и от требуемых механических свойств получаемого соединения. При выборе типа и марки электродов необходимо пользоваться ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 9467-75. При этом тип электродов не следует смешивать с маркой (промышленным обозначением). Марка электрода присваивается обычно в зависимости от состава покрытия, причем одному типу по ГОСТ могут соответствовать несколько марок электродов. Например типу Э42 соответствует марки электродов ОММ-5,ЦМ-7 и др.

Электроды этого типа обеспечивают временное сопротивление разрыву (σ_в) шва не менее 420 МПа (42 кг/мм²).

Диаметр электрода d_э выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, положения шва в пространстве и размеров изделия. Практические рекомендации по выбору диаметра электрода d_э при сварке швов стыковых соединений следующие:

Величина сварочного тока I_св определяется в зависимости от диаметра электрода. В общем случае для определения I_св можно пользоваться зависимостью I_св = к∙d_э,

где: к - коэффициент пропорциональности. Для электродов из мало-углеродистой и низколегированной сталей к = 40…50; для высоколегированных электродов к = 35...4О.

Длина дуги l_д оказывает существенное влияние на качество шва. При выборе l_д следует учитывать, что чем короче дуга, тем выше качество шва, т.к.в этом случае больше глубина проплавления, менее окисляется сварочная ванна, меньше потерь на разбрызгивание и т.д. Однако чрезмерное уменьшение длины дуги ухудшает качество формирования шва и может привести к короткому замыканию. Для определения нормальной длины дуги при сварке нижних и горизонтальных швов необходимо пользоваться формулой:

l_д = 0,5d_э + 1, мм

Сварку вертикальных и потолочных швов следует вести укороченной дугой на 50% и более. Напряжение горения дуги U_д при величине тока более 40-50А зависит только от длины дуги и обычно составляет 18-20В. Определяется во формуле:

U_д = α + β l_д,

где α и β – опытные коэффициенты, зависящие от рода металла и других факторов (для стальных электродов α = 10В, β = 2В).

Ручная дуговая сварка применяется для получения разнообразных сварных конструкций для сварки криволинейных труднодоступных швов, при проведении монтажных и ремонтных работ. Сваривают обычно металл толщиной от 1,5 до 30мм, Основными видами сварных соединений являются стыковые нахлёсточные, тавровые, угловые, торцевые, (рис. 4.4, а-г). Швы можно получать с различным расположением в пространстве: горизонтальные, нижние, вертикальные, потолочные (рис. 4.4, д). Наиболее удобными при сварке являются горизонтальные и нижние швы. При выполнении вертикальных и потолочных швов трудоёмкость увеличивается соответственно на 20-25% и 40-60%. Для выбора видов сварных соединений и размеров подготавливаемых кромок следует пользоваться ГОСТ 5624-60 и ГОСТ 11534-75.

Рис. 4.4 Виды сварочных соединений и швов.

Между кромками свариваемых элементов обычно для улучшения проварки оставляют зазор от 0 до 4.0 мм и притупляют угол раскрытия кромок на величину 2-15 мм для предупреждения прожога листов. Сварка деталей толщиной до 10 мм обычно производится за один проход, и полученный шов называют однослойным (рис. 4.4, е). При сварке изделий для получения шва заданных размеров электрод подаётся вверх или вниз по мере плавления, перемещается вдоль оси шва и перемещается в поперечном направлении (рис. 4.4, ж).

При автоматической дуговой сварке под флюсом (рис.4.5) дуга 1 возникает между свариваемым изделием 2 и голой электродной проволокой 3. Процесс горения дуги происходит под флюсом 4, который подается из бункера 5. При горении дуги часть флюса плавится, образуя жидкий шлак 6, который прикрывает жидкий металл 7. Кристаллизующийся металл образует шов 8, покрытый шлаковой корочкой 9. Подача электродной проволоки в дугу осуществляется механизмом подачи 10. Подвод тока к проволоке и ориентация ее конца по отношению к свариваемым кромкам достигается при помощи мундштука 11.

Рис. 4.5 Схема автоматической дуговой сварки под слоем флюса

В процессе сварки сила сварочного тока достигает 2000 А и более. Для сварки применяется гранулированные флюсы, в состав которых обычно входят ферросилиций, марганцовистая руда, известняк, плавиковый шпат, глинозем и др. Размер (диаметр) гранул флюса составляет 1-3 мм. По назначению флюсы подразделяются для сварки углеродистых, легированных сталей и цветных металлов.

Дуговая сварка под флюсом производится автоматическими сварочными головками или самоходными тракторами. Основным назначением их является подача электродной проволоки в дугу и вдоль шва, а также поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса.

Автоматическая сварка под флюсом применяется в серийном и массовом производстве для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов толщиной от 2 до 100 мм. Автоматическая сварка широко применяется в котлостроении, судостроении и других отраслях машиностроения и строительства.

Основными преимуществами автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой являются:

- лучшее качество шва, так как слой флюса, шлак и образующийся газ надежно защищает дугу и расплавленный металл от взаимодействия с воздухом;

- улучшение структуры шва и уменьшение его хрупкости;

- постоянство размеров и свойств шва;

- уменьшение потерь электродного материала;

- большая глубина проплавления шва;

- возможность сварки изделий толщиной до 20мм за один проход без подготовки кромок;

- повышение производительности в 10-25 раз (до 100 м/ч и более).

При газоэлектрической сварке (рис. 4.6) дуга 1 и сварочная ванна жидкого металла 2, образующаяся при плавлении основного 3 и электродного 4 или присадочного материалов, защищается струёй защитного газа 6, который подают в горелку 7 с соплом 8. Подвод тока к электроду производится через мундштук 9. Подача электродного и присадочного материалов может осуществляться роликовым механизмом 10. В качестве защитных применяют инертные (Ar, He) и активные (CO₂) газы.

Наибольшее применение получили аргонно-дуговая сварка и сварка в среде углекислого газа. Аргон для сварки поставляется в стальных баллонах под давлением 15 МПа, а углекислый газ в сжиженном состоянии под давлением 7 МПа. Рабочее давление газов регулируется с помощью редукторов и составляет 0,02…0,05 МПа.

Аргонно-дуговую сварку (АДС) осуществляют неплавящимися и плавящимися электродами. Сварка неплавящимся электродом (W) производится на переменном или постоянном токе (рис. 4.6, а). Для сварки конструкционных сталей, жаропрочных сплавов применяют дугу постоянного тока с прямой полярностью. Для сварки Al, Mg и их сплавов следует применять постоянный ток обратной полярности, при этом в результате катодного распыления на поверхности металла разрушаются оксидные и нитридные плёнки.

АДС плавящимся электродом (Ø 0,6…3 мм) обычно проводят постоянным током обратной полярности, при этом достигается высокая плотность шва и уменьшение разбрызгивания металла. В целом АДС применяют для сварки ответственных конструкций из различных металлов и сплавов, в том числе тонкостенных изделий (до 0,1 мм).

Сварка в среде углекислого газа (CO₂) обычно осуществляется на постоянном токе с обратной полярностью (рис. 4.6 б). В процессе сварки, подаваемый через горелку CO₂ диссоциирует с образованием атомов кислорода и оксида углерода. Сварка в CO₂ является наиболее экономичным способом при сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей. Сварку в CO₂ широко используют при изготовлении резервуаров, газопроводов большого диаметра, различной химической аппаратуры и других изделий толщиной 0,1…100 мм.

Электрошлаковая сварка (ЭШС) происходит за счет теплоты, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный флюс (шлак). При такой сварке заготовки 1 (рис.4.7) располагают, вертикально, в зазор между ними, перекрытый медными водоохлаждаемыми ползунами 2, подают с помощью мундштука 3 одну или несколько электродных проволок. Процесс ЭШС начинается с возбуждения дуги между электродом и опорной пластиной 4. В результате горения дуги плавится флюс и над расплавленным металлом 5 образуется жидкий шлак 6, который перекрывает дугу (шунтирует) и она гаснет. Однако за счет омической теплоты продолжается процесс расплавления флюса, электродов и кромок основного металла, т.е. дуговой процесс переходит в электрошлаковый переплав.

В процессе сварки медные ползуны 2 вместе с механизмами подачи электродной проволоки и флюса перемещаются снизу вверх со скоростью равной скорости подъема уровня жидкого металла сварочной ванны с образованием сварного шва 8. Скорость движения регулируется автоматически.

Рис. 4.6 Схема процессов газоэлектрической сварки: а – в среде защитного газа (Ar) неплавящимся электродом; б – в среде CO₂ плавящимся электродом.

В качестве источников питания дуги используют сварочные трансформаторы, сварочный ток составляет 750-2000 А на каждый электрод. Электроды применяются в виде проволоки, пластин, лент, трубок.

Для образования жидкого металла при ЭШС углеродистых сталей используют флюсы АН-8, ФЦ-7, ОСЦ-45, АН-348. При сварке легированных сталей применяют флюсы на основе фтористого кальция.

Основными преимуществами ЭШС является: повышение производительности, возможностью сварки металла большой толщины (50-2000 мм) за один проход, повышения качества шва.

ЭШС широко применяют в тяжелом машиностроении при изготовления деталей мощных прессов, коленчатых валов судовьх двигателей, валов и роторов гидротурбин, котлов высокого давления и др.

При газовой сварке (рис. 4.8, а) основной 1 и присадочный 2 материалы нагреваются высокотемпературным газовым пламенем 3, горелки 4. При этом в месте сварки образуется ванна жидкого металла 5, при кристаллизации которого формируется шов. В качестве горючих газов чаще всего используется ацетилен, который при горении в струе технического кислорода дает высокую температуру пламени - 3150 °С. Ацетилен для сварки поступает из генераторов или из металлических баллонов. В баллоне ацетилен находится в смеси с ацетоном под давлением 1,5 ... 3,6 МПа. Для безопасности баллон с ацетиленом заполняют древесным углём, воздающим систему капиллярных сосудов. Технический кислород поставляется к сварочным постам по трубопроводам под давлением 0,5...1,6 МПа или в баллонах под давлением 15 МПа.

Рис. 4.7 Схема процесса электрошлаковой сварки

В зависимости от отношения кислорода к ацетилену (к = О₂/С₂Н₂) газосварочное пламя может быть: нейтральным (к = 1), используется для сварки большинства металлов; науглероживающим (к < 1) - для сварки чугунов и высокоуглеродистых сталей: окислительным (к > 1), - для сварки цинка и латуни.

Схема одного из газосварочных постов покачана на рис.(4.8, б). Для понижения давления кислорода, поступающего из баллона 1, служит редуктор 2. Кислород под давлением 0,1.. 0,4 МПа и ацетилен от генератора 3 (р = 0,01...0,07 МПа) по шлангам 4 подаются в газовую горелку 5, на выходе из которой образуется газосварочное пламя. Наибольшее распространение получили инжекторные горелки, которые имеют семь сменных номеров (диаметров) наконечников, что позволяет регулировать мощность газового пламени, которая оценивается расходом горючего газа.

Ориентировочно расход горючего газа можно определить из выражения А = а S, где S - толщина свариваемого материала; а - коэффициент пропорциональности, который для углеродистой стали и чугуна, меди, алюминия равен, соответственно 100, 150, 160 л/(ч мм). Рекомендации по выбору номера наконечника сварочной горелки в зависимости от расхода горючего газа и толщины свариваемого изделия представлены в табл.4.2.

Таблица 4.2

В качестве присадочного материала для газовой сварки применяют сварочную проволоку (ГОСТ 2246-70), чугунные стержни, прутки цветных металлов и сплавов. Диаметр присадочной проволоки 4 выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла. При S < 10 мм, d= 0,5 • S + 1; при S > 10 мм, d=5 мм.

При сварке цветных металлов и сплавов, а также чугуна и высоко-углеродистых сталей применят флюсы в виде порошков и паст на основе буры, борной кислоты, хлористых и фтористых солей калия, натрия, лития, кальция и др. За счет этого достигается растворение оксидных плёнок раскисление металла и улучшение качества шва. Кроме того качество сварки определяется углом наклона мундштука горелки и присадочного прутка, способом сварки и разделкой кромок свариваемых заготовок.

Газовая сварка широко применяется в строительстве, при ремонтных и монтажных работах, при изготовлении тонкостенных изделий (S = 0,5...3 мм) из стали и цветных металлов и сплавов, а также при заварке дефектов литья, наплавке твердых сплавов и т.д. Газокислородное пламя находит применение и для резки металла. При этом нагретый газокислородным пламенем металл прожигается струей кислорода. Давление кислорода режущей струи зависит от толщины разрезаемого металла и равно от 0,3 до 1,2МПа.

Рис. 4.8 Схема процесса (а) и сварочного поста газовой сварки (б)