Лекция 10.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫСВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
Ручная дуговая сварка покрытым электродом
При этом способе сварки используется металлический плавящийся электрод, на поверхность которого наносится специальное покрытие (обмазка), предназначенная для решения указанных выше (лекция 9) технических пробем (рис. 10.1).
Химический состав электродной проволоки соответствует составу свариваемых заготовок. Под действием электирческой дуги плавятся края свариваемых заготовок и металлический электрод, в результате чего образуется ванна жидкого металла. Вместе со стержнем электрода плавится покрытие, образуя жидкую защитную шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла, и защитную газовую атмосферу вокруг дуги.
В состав покрытия электродов входят следующие составляющие:
– стабилизирующие, обеспечивающие устойчивое горение дуги;
– газообразующие и шлакообразующие, защищающие расплавленный металл от воздействия воздуха;
– раскисляющие, способствующие удалению окислов из сварного шва;
– легирующие, компенсирующие угар полезных примесей и повышающие механические свойства сварного шва;
– связующие, обеспечивающие необходимую прочность покрытия при сушке (обычно – на основе жидкого стекла).
По типу химических реакций в зоне сварки покрытия подразделяются на 4 вида: кислые, основные, рутиловые и целлюлозные.
Диаметр электродной проволоки для покрытых электродов – от 1,6 до 12 мм, длина электрода – 150–450 мм. Сварочная проволока для сварки стали по химсоставу подразделяется на три группы (низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная) и обозначается следующим образом: Св-08А, Св-08ХМФА, Св-06Х19Н10МЗТ и др., где Св – обозначает сварочную проволоку, а последующие цифры и буквы – ее химический состав. Перед сваркой покрытие электрода прокаливают в печи для удаления влаги (до 400° С, до 2–3 часов).
Для сварки ответственных конструкций применяют электроды, изготовленные из порошковой проволоки (рис. 10.2), которая представляет металлическую трубку, заполненную шлако- и газообразующими веществами, раскислителями, легирующими веществами, соответствующими металлическими порошками. Порошковые проволоки улучшают защиту расплавленного металла от окисления, уменьшают разбрызгивание металла. обеспечивают более гладкую поверхность сварного шва. Порошковой проволокой варят стали, чугун, а также цветные металлы и сплавы.
При ручной дуговой сварке сила сварного тока находится в пределах 80–500 А, а напряжение –15–30 в.
Более подробно технологические параметры и возможности ручной дуговой сварки будут рассмотрены на лабораторной работе.
Достоинства процесса: универсальность (возможность сварки в любом пространственном положении – нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном, любых свариваемых материалов, достаточно толстостенных заготовок – до 30…50 мм); простота (удобна при выполнении коротких и криволинейных швов, при монтажных работах); относительно низкая стоимость процесса.
Недостатки: низкая производительность (ограниченная сила тока из-за возможности разогрева стержня электрода, отслаивания покрытия, сильного разбрызгивания металла и интенсивного угара полезных примесей; реальная толщина сварного шва за один проход порядка 5 мм); образование шлаковой корки; высокая дефектность сварного шва (шлаковые включения, газовые пары); возможен непровар корня шва; необходимость в рабочих выской квалификации.
Способ широко применяется в индивидуальном и серийном производстве, при ремонтных и наплавочных работах.
Автоматическая дуговая сварка под флюсом
При этом способе (рис. 10.3) для решения технических проблем сварки (см. лекция 9) используется порошкообразный защитный материал – флюс.
В качестве электрода используется сварочная проволока (обычно диаметром до 5 мм) без покрытия. Флюс засыпается в желоб, образованный кромками заготовок и выступает под плоскостью заготовок на 30–50 мм. Дуга горит между сварочной проволокой и основным металлом под флюсом, что практически исключает ручную сварку и возможность визуального контроля. Под действием дуги часть флюса расплавляется, образуя на поверхности расплавленного металла защитную шлаковую ванну, а в зоне горения дуги – защитную газовую полость. Благодаря небольшому выходу сварочной проволоки за токоподвод возможно увеличить силу сварочного тока (до 2000А), что резко повышает производительность процесса. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла (прямая полярность). Благодаря значительному объему расплавленного металла и достаточно медленному затвердеванию сварного шва (замедленный отвод тепла кверху, через флюс), создаются условия для полного всплывания шлака и газовых включений. В итоге качество сварного шва резко повышается.
Сварочную проволоку подают в зону сварки с помощью механизма подачи. Для автоматизации процесса создано несколько типов размеров сварочного трактера. Все технологические операции при этом выполняются в автоматическом режиме: засыпка флюса, подача и движение электродной проволоки вдоль сварного шва, возврат неиспользованного флюса в бункер. Имеются также автоматы подвесного типа.
Состав флюса примерно соответствует составу покрытий для сварочных электродов (кроме связки). Различные составы флюсов предназначены для сварки низкоуглеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных сталей.
При выполнении односторонних швов для предупреждения прожогов используют подкладки со стороны корня шва: стальные (остающиеся), медные (съемные), флюсовые. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производстве для получения протяженных прямолинейных швов. Есть вариант сварки кольцевых швов. (трубы большого диаметра, спирально-шовные трубы). При этом сварочный трактор стоит неподвижно, а вращается свариваемая заготовка. Толщина свариваемых заготовок – от 2 до 100 мм (сварка – за один проход).
Примеры изделий: котлы, резервуары, корпуса судов, мостовые балки, вагоны, трубы, диски автомобильных колес.
Достоинства способа: высокая производительность (в 20 раз выше по сравнению с ручной дуговой за счет больших токов сврки); возможность сварки заготовок толщиной до 20 мм без разделки кромок; возможность сварки толстостенных заготовок (до 100 мм) за одни проход; высокое качество сврного шва; отсутствие разбрызгивания металла; высокий тепловой КПД (до 95%) и коэффициент наплавки.
Недостатки: образование шлаковой корки; невозможность визуального контроля; сварка возможна только в нижнем положении; сильное коробление толстостенных конструкций.
Электрошлаковая сварка
Способ предназначен для сварки особо толстостенных (до 2000 мм) массивных заготовок массой до 100 т. При этом основной и электродный металл расплавляют за счет тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через электропроводную (с большим электросопротивлением) шлаковую ванну (рис. 10.4). Сварка заготовок производится только в вертикальном положении (иногда под небольшим наклоном) без разделки кромок. Перед сваркой заготовки раздвигают на расстояние 20–50 мм, а боковые торцы закрывают водоохлаждаемыми медными плитами – кристаллизаторами. По мере затвердевания ванны жидкого металла кристаллизаторы двигаются кверху и получили второе название – ползуны. Процесс сврки начинают снизу, вне свариваемых заготовок – в зоне вводных технологических планок. В зазор между заготовками и ползунами засыпают порошкообразный электрошлак. Затем сверху или сбоку с помощью механизма подачи вводят одну или несколько (до 8) сварочных проволок. К вводным планкам и сварочной проволоке подключают электрический ток. (постоянный или переменный). Сила тока – 2000 А.С помощью механизма подачи сварочная проволока автоматически подается в зазор между заготовками, пронизывает электрошлак и касается нижней части вводных планок. В месте контакта возбуждается элетрическая дуга, под действием которой плавится электродная проволока и порошкообразный электрошлак. Образуется ванна жидкого металла, а поверх него – ванна жидкого электропроводного электрошлака.
После накопления определенного количества жидкий шлак касается электродной проволоки, дуга шунтируется и гаснет, а дальше расплавление электродной проволоки и торцев заготовок продолжается за счет выделения тепла в электрошлаке. Температура шлака – до 2000° С. Сварочная проволока подается в зону расплавленного электрошлака автоматически. Для выравнивания температуры и химсостава по всему сечению сварного шва электродная проволока перемещается (возвратно-поступательное движение) параллельно свариваемым торцам заготовок, либо используется (при сварке особо толстых заготовок) много электродных проволок (до 8 шт). Для повышения производительности в качестве электродного материала применяют стальную ленту, либо специальные электродные пластины, либо плавящийся мундштук.
По мере накопления металла в зазоре и его затвердевания ползуны перемещаются кверху. Процесс сварки заготовок производится за один проход. Сварка заканчивается выше верхних торцев свариваемых заготовок – в зоне выходных технологических планок. Входные технологические планки необходимы для исключения непровара в начале сварного шва, выходные технологические планки – для избежания образования усадочной раковины и шлака в врхней части сварного шва. После сварки и охлаждения сварной конструкции вводные и выходные технологические планки удаляют ацетилено-кислородной резкой или механическим способом. Естественно, что планки усложняют и удорожают технологический процесс сварки, но их применение – неизбежно.
Для электрошлаковой сварки используется сварочные аппараты трех типов: рельсовые (перемещаются по вертикальным направляющим вдоль шва), безрельсовые (перемещаются по свариваемому изделию непосредственно), а также шагающие магнитные (перемещаются с помощью электромагнитов). Диаметр сварочной проволоки – 2–3 мм. Свариваемые материалы – сталь углеродистая и легированная, а также сплавы на основе алюминия, магния, титана.
Примеры изделий: сварно-литые и сварно-кованые в тяжелом машиностроении (станины и детали прессов и станков), коленчатые валы судовых двигателей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления, цилиндр шагающего экскаватора, станина прокатного стана, баба бесшаботного молота).
Технологический процесс применяется также при наплавочных работах.
Достоинства процесса: возможность сварки особо толстостенных (до 2000 мм) массивынх заготовок; нет необходимости в разделе кромок; высокая производительность (благодаря высоким сварочным токам и применения нескольких электродных проволок); высокое качество сварного шва (направленная кристаллизация сварного шва, непрерывность процесса сварки); неограниченная высота сварного шва.
Недостатки: сварка возможна только в вертикальном положении; необходиомсть в вводных и выходных технологических планках; необходимость в термообработке (отжиг, нормализация) сварных изделий из-за перегрева прилегающих зон (рост зерна, снижение прочности и пластичности).