Сварка является одним из основных технологических процессов при изготовлении разнообразных металлических конструкций. Диапазон применения сварки очень велик. При помощи сварки сооружаются тысячекилометровые трубопроводы и железнодорожные пути, возводятся высотные здания и уникальные конструкции, изготовляются самые разнообразные машины и механизмы. Без сварки невозможно изготовить бытовую технику – холодильник, компьютер.
Сварка начинает свою историю с изобретения русского ученого Бенардоса, который в 1881 году предложил частично расплавлять и сваривать металл с помощью электрической дуги. Русский ученый Славянов в 1888 году предложил использовать вместо угольного электрода металлический. Также развивалась на равнее с этими способами и газовая сварка, которая использовала пламя. А в 1907 году шведский ученый Кельберг предложил применять для сварки покрытые металлические электроды.
Сварка наиболее прогрессивный способ соединения металлических конструкций.Хорошее качество и высокая производительность позволяет применять сварку в изготовлении разнообразных металлоконструкций.
Современная сварка она есть, такая как есть, обязана таким ученым и инженерам как академику Петрову, которыйвпервые в мире получил электрическую дугу. С 1940 года успешно используется и развивается автоматическая и полуавтоматическая сварка.
Современный технический прогресс в промышленности неразрывно связан с совершенствованием сварочного производства. Сварка как высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений находит широкое применение при изготовлении металлургического, химического и энергического оборудования, различных трубопроводов, в машиностроении, в производстве строительных и других конструкции.
Сварка — один из ведущих технологических процессов современной промышленности, от степени развития и совершенствования которого во многом зависит уровень технологии в машиностроении, строительстве и ряде других отраслей народного хозяйства. Современная сварочная наука и техника позволяют надежно соединять детали любых толщин и конфигураций — от деталей мельчайших электронных приборов до гигантских частей машин и сооружений.
Сварка-открыла возможность коренного улучшения технологии производства всевозможных машин, приборов, строительных конструкций
Современный уровень развития сварочной техники в нашей стране — прочная база для еще более широкого и эффективного использования сварки как мощного средства значительного повышения производительности труда, экономии металлов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте, повышения качества и удешевления продукции работ при их изготовлении.
1 МАТЕРИАЛЫДЛЯ СВАРКИ
рамныхКОНСТРУКЦИЙ
1.1 Электроды для сварки конструкционной стали
Сварка конструкций из этих сталей производится по двум технологическим вариантам:
1) с последующей после сварки термической обработкой сварных соединений,
разнородных сталей.
Таблица 1.1 Электроды для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности(с последующей термической обработкой)
| Электроды | Тип | Диаметр, мм | Положение сварки | Род сварочного тока |
| УОНИ-13/85 | Э85 | 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0 | Все, кроме вертикального сверху вниз | постоянный |
| НИАТ-3М | Э85 | 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0 | Все, кроме вертикального сверху вниз | постоянный |
| ОЗШ-1 | Э100 | 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0 | Все, кроме вертикального сверху вниз | постоянный |
Таблица 1.2Электроды для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности, обеспечивающие получение металла шва с аустенитной структурой (без последующей термической обработки)
| Электроды | Диаметр, мм | Положение сварки | Род сварочного тока | Механические свойства металла шва, не менее | ||
| sв, МПа | d5, % | ан, Дж/см2 | ||||
| НИАТ-5 | 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0 | Нижнее, вертикальное снизу вверх, ограниченно потолочное | постоянный | |||
| НИАТ-5/СЭ | 5,0 | вертикального сверху вниз | ||||
| ЭА-395/9 | 3,0; 4,0; 5,0 | Все, кроме вертикального сверху вниз | постоянный |
1.2 Сварочная проволока
Для сварочной проволоки самое главное – это химический состав, именно он является определяющим при выборе. Узнать его можно, прочитав маркировку на изделии.
Таблица1.4Химический составмарок сварочной проволоки
| Вид стали и марка проволоки | Содержание элементов, % | Примерное назначение | ||||||
| углерод | Кремний | Марганец | хром | никель | сера | фосфор | ||
| не более | ||||||||
| Низкоуглеродистая Св-08 | не более 0,10 | 0,35 0,6 | Не более 0,03 | Не боле 0,15 | Не более 0,3 | 0,04 | 0,040 | Алюминий не более 0,01 |
| Низкоуглеродистая Св-08А | То же | То же | То же | Не боле 0,12 | Не более 0,25 | 0,03 | 0,030 | То же |
| Низкоуглеродистая Св-08АА | То же | То же | То же | Не боле 0,1 | То же | Не боле 0,02 | Не боле 0,020 | То же |
| Низкоуглеродистая Св-08Гс | Не боле 0,1 | 0,6-0,85 | 1,4 | Не боле 0,2 | Не боле 2,5 | 0,025 | 0,030 | - |
| Низкоуглеродистая Св-12Гс | Не боле 0,14 | 0,6-0,85 | 0,8-1,1 | То же | Не боле 0,3 | То же | То же | То же |
| Легированная Св-08Г2С | 0,05 0,11 | 0,7-0,95 | 1,8 2,1 | То же | Не более 0,25 | То же | То же | - |
| Высоколегированная Св-06Х19Н9Т | ˃0,08 | 1,0-2,0 | 0,4-1,0 | 18-20 | 8-10 титана 0,5-1 | 0,015 | 0,03 | Для сварки хромоникелевой аустенитной стали |
Каждая партия проволоки сопровождается сертификатом (удостоверением), содержащим основные технические данные.
1.2 Углекислый газ
История открытия углекислого газа
Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под названием дикого газа алхимиком XVI в. Ван-Гельмонтом. Открытием углекислого газа было положено начало новой отрасли химии - пневматохимии химии газов. Уголь утверждал Ван-Гельмонт и вообще все горючие вещества освобождают необходимым образом при своем горении дикий газ
Углекислый газ(двуокись углерода, диоксид углерода, СО2) формируется при соединений двух элементов: углерода и кислорода. ОН образуется в процессе сжигания угля или углеводородных соединений, при ферментации жидкостей, а также как продукт дыхания людей и животных. В небольших количествах он содержится в атмосфере, откуда он ассимилируется растениями, которые, в свою очередь, производят кислород.
Углекислый газ бесцветен и тяжелее воздуха. Замерзает при температуре -78.5С с образованием снега, состоящего из двуокиси углерода. В виде водного раствора он образует угольную кислоту, однако она не обладает достаточной стабильностью для того, чтобы ее можно было легко изолировать. Они легко пропускают ультрафиолетовые лучи, которые обогревают нашу планету, и отражает инфракрасные, излучаемые с ее поверхности в космическое пространство. И если вдруг углекислый газ исчезнет из атмосферы, то в первую очередь скажется на климате. Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давление и газообразная. Ее получают из отбросанных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Газообразная двуокись углерода – газ без цвета и запаха при температуре 20С и давлением 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотность 1,839 кг/м3. Жидкая двуокись углерода просто бесцветная жидкость без запаха.
Углекислый газ нетоксичен и невзрывоопасен. При концентрациях более 5% (92 г/м3) двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека – она тяжелее воздуха и может накапливаться у пола. При этом снижается обьемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Получения двуокиси углерода. В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложений природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглащает углекислый газ, переходя в гидрокарбоната при нагревании разлается, высвобождая углекислоту.
Плотность при нормальных условиях 1,98 г/л. При атмосферномдавлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенномдавлении и обычных температурах углекислый газ переходит вжидкость, что используется для его хранения.
Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучивидимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца иобогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёйинфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобальногопотепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа ватмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.
По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным
оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения(например, с фенолом — реакция Кольбе) и нуклеофильногоприсоединения (например, с магнийорганическими соединениями).
Биологические
Диоксид углерода играет одну из главных ролей в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксидуглерода получается в результате множества окислительных реакцийу животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газатмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяютуглекислый газ, а растения только поглощают его. Растенияпоглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещенияони тоже его выделяют.
Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большаяконцентрация в воздухе вызывает удушье (см. Гиперкапния). Недостаток углекислого газа тоже опасен (см. Гипокапния)
Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическоезначение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса (см. Артериолы).
В промышленности получают из печных газов, из продуктовразложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газовпромывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленномпроизводстве закачивается в баллоны.В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов скислотами, например мрамора с соляной кислотой.В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке подкодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.
Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) — сжиженный углекислый газ, хранящийся под высокимдавлением (~ 65-70 Атм). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферучасть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.
Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада. Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород который всвою очередь и входит в заимодействие с жидким металом окисляя его. Углекислота в баллончикахприменяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.
Твёрдая углекислота — сухой лёд — используется в качестве хладагента в ледниках и морозильныхустановках.
1.4 Конструкционные стали
Конструкционные стали
К высококачественной конструкционной группе относятся практически все виды легированных сталей, которые отличаются повышенными прочностными характеристиками. Они используются в тяжелом и легком машиностроении, применяются для изготовления инструментов, различных строительных конструкций, востребованы при изготовлении всевозможных деталей для сельхозтехники.
Существующая классификация делит конструкционные стали на: машиностроительные;
арматурные (иначе их называют строительными), сварка коих отличается простотой и надежностью.
Кроме того, марки таких сплавов причисляются к одной из двух групп – стали специального или общего назначения.
В состав конструкционных сплавов входит множество химических элементов и примесей, включая и те, которые причисляют к категории вредных. Наиболее небезопасными из них признаются фосфор и сера, которые делают готовую продукцию ломкой (сварка таких составов вызывает серьезные трудности). В зависимости от содержания серы и фосфора все марки сплавов подразделяют на особовысоко- и высококачественные, качественные и обыкновенные.
В особовысококачественных сплавах (маркировка – литера "Ш") указанных вредных элементов должно быть не более 0,015 %, в высококачественных ("А") – не более 0,025 %, в качественных ("Сталь") – не более 0,035 %, в обыкновенных ("Ст") – не более 0,05 %.
Сплавы для машиностроительной отрасли делят с учетом их химсостава на две подгруппы:
средне- и низколегированные;
средне- и малоуглеродистые.
Машиностроительная сортовая продукция всегда имеет специальный набор механических характеристик. Они проверяются на соответствие требованиям по следующим показателям:
ударная вязкость:
пластичность;
прочность.
Большая часть средне- и низколегированных сплавов, изготавливаемых предприятиями для машиностроителей, причисляются к доэвтектоидным перлитным сталям (распространенные марки – 40ХН2СМА, 25Х2ГНТРА, ЗОХГСН2А, ЗОХ2ГСН2ВМ). В них вводится молибден и никель, которые увеличивают вязкость.
Предусматривается еще одна классификация рассматриваемых машиностроительных сталей, которая учитывает метод их упрочнения. В соответствии с ней сортовая сталь может быть:
с упрочнением верхнего слоя;
без обработки;
с упрочнением по всему объему.
Многие марки конструкционных машиностроительных металлов (например, Ст3, 15кп, 08кп и другие) применяются без термообработки, они производятся и отпускаются потребителям в листах. К такой продукции предъявляют одно основное требование – малое количество кремния и углерода. Незначительное содержание указанных элементов обеспечивает материалу отличную вытяжку (то есть сортовая сталь легко деформируется) в холодном виде. Также в этом случае отмечается качественная сварка изделий из машиностроительных сталей.
Отдельные марки машиностроительных конструкционных сплавов (08кп, 15кп, Ст3 и др.), из которых изготавливается преимущественно листовой металл, не подвергаются никакой термической обработке. Поскольку такой листовой металл используется для производства различных изделий методом деформирования в холодном состоянии, к его пластичности предъявляются повышенные требования. Такую пластичность обеспечивает минимальное количество кремния и углерода. Кроме способности хорошо деформироваться в холодном состоянии, стали данных марок характеризуются и отличной свариваемостью.
Конструкционные стальные сплавы, относящиеся к категории качественных, в обязательном порядке подвергаются термической обработке:
закалке поверхностного слоя, после которой может быть проведен отпуск металла;
закалке, выполняемой по стандартной технологии, после которой в обязательном порядке проводится процедура отпуска (сочетание данных типов термообработки металла дает хорошую свариваемость изделий из него);нормализации металла.
Машиностроительные стали специального назначения могут иметь никелевую или железоникелевую основу. Кроме того, их подразделяют на следующие категории:
используемые для производства изделий методом литья;
так называемые автоматные;
отличающиеся повышенной износостойкостью;
с повышенной коррозионной устойчивостью;
шарикоподшипниковые;
пружинные;
отличающиеся повышенной жаростойкостью;
криогенные, не теряющие своих качественных характеристик при воздействии низких температур;жаропрочные.
Жаростойкие стальные сплавы, в химическом составе которых содержится незначительное количество кремния, могут успешно эксплуатироваться при температурах, достигающих 5500 Цельсия. Такие углеродистые стали, кроме своей жаростойкости, отличаются целым рядом значимых характеристик: они успешно эксплуатируются в окислительных и науглероживающих средах, не подвергаются газовой коррозии. Есть у них и серьезный недостаток, проявляющийся в том, что под воздействием значительных нагрузок они начинают проявлять ползучесть.
К наиболее популярным маркам таких сталей относятся 12Х17, 15Х28, 15Х6СМ, 20Х20Н14С2 и др. Они используются преимущественно для производства:
емкостей, в которых выполняется цементация стальных деталей;
деталей двигателей поршневого типа;
трубных изделий различного назначения.
К группе криогенных сплавов, которые отличаются высокой вязкостью и пластичностью, могут относиться как низкоуглеродистые, так и высоколегированные стали. Что характерно, ползучесть таких сталей повышается не только при понижении температуры их эксплуатации, но и при выполнении термической обработки, которая заключается в нормализации и последующем отпуске. Маркировка конструкционных сплавов данного типа регламентируется требованиями соответствующего ГОСТа (5632).
Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории жаропрочных, обладают повышенной ползучестью. Их отличает и такое качество, как высокая сопротивляемость химической коррозии. Эти углеродистые стали оптимально подходят для производства труб, деталей газовых и паровых турбин, работающих при температурах в интервале 400–6500 Цельсия. Наиболее востребованными марками являются 15ХМ, 15Х5М, 12Х18Н9Т, ХН70Ю и другие.
Конструкционные углеродистые стали, относящиеся к категории коррозионностойких, отличаются тем, что в их составе содержится более 12,5% хрома. Именно данный элемент дает возможность успешно использовать их для производства изделий, которые испытывают воздействие агрессивных сред (трубы различного назначения, карбюраторные валы, лопатки паровых турбин и др.). Такие стали могут быть нескольких типов:
с мартенситной структурой (30Х13, 12Х13, 20Х17Н2, 95Х18);
с мартенситно-стареющей (09Х15Н8Ю, 10Х17Н13М3Т);
с аустенитной и ферритной (12Х18Н10Т, 15Х28 и др.).
Чтобы изделия из конструкционных углеродистых сталей всех указанных выше типов хорошо сваривались, их необходимо подвергнуть отпуску. Примечательно, что, несмотря на значительные различия в своих качественных характеристиках, жаропрочные, жаростойкие и криогенные стали принадлежат к коррозионностойким сплавам.
Конструкционные сплавы, относящиеся к категории износостойких, содержащие в своем составе значительное количество легирующих добавок, могут быть низко- и высокоуглеродистыми. Из таких сталей, отлично противостоящих не только механическому изнашиванию, но и кавитационной коррозии, производят элементы дробильного оборудования, траки, лопасти насосного оборудования и другие. Наиболее популярными марками этих сплавов являются ОХ14АГ12, ОХ14АГ12М, 12Х18Н9Т, Г13.
Углеродистые стали, которые относятся к категории автоматных (А40Г, АЦ40Г2, АЦ45Х и др.), включают различные элементы: 0,6–1,5% марганца, 0,05–0,16% фосфора, 0,05–0,3% серы. Углерода в таких сплавах содержится до 0,45%. Значительно улучшить их качественные характеристики позволяет добавление таких элементов, как селен, свинец и кальций. Из этих конструкционных углеродистых сталей, не отличающихся высокой прочностью, изготавливают детали для автопрома: болты, шпильки, шайбы и другие.
Пружинистые стали (50ХФА, 55С2, 60С2ХФА, 65ГЮ, 70С2ХА и другие.) в полном соответствии со своим названием отличаются хорошей вязкостью и пластичностью, также их характеризуют высокая прочность и упругость. Сюда относятся как низколегированные, так и среднеуглеродистые сплавы, в которых содержится 0,6–0,8% углерода. При их сваривании могут образовываться трещины. Такие стали используются для производства пружин и рессор различного назначения.
К категории улучшаемых относят конструкционные стали, внутреннюю структуру которых составляет мартенсит в форме мелких игл. В плотной структуре таких углеродистых сплавов отсутствуют неметаллические включения, а также карбидная ликвация и сетка. Главными достоинствами этих низколегированных и высокоуглеродистых сталей (содержание углерода – до 1,05%) являются повышенная твердость и износостойкость. Отличительной особенностью маркировки таких сплавов является то, что она всегда начинается с литеры «Ш» (ШХ4, ШХ15Ш, ШХ15СГ и другие.).
Конструкционные углеродистые стали, используемые в строительстве, отличаются небольшим объемом легирующих элементов (хрома, марганца и кремния), а также содержанием углерода в пределах 0,1–0,2%. Такие стали, кроме хорошей свариваемости, наделены следующими характеристиками, которые особенно полезны при изготовлении строительных конструкций:
хорошей ковкостью и жидкотекучестью;
высокой твердостью и ударной вязкостью;
оптимальными параметрами относительного удлинения и прочности.
Изготовление изделий, используемых в строительной сфере, не из углеродистых, а из низколегированных сталей позволяет значительно сэкономить на используемом сырье (до 30%). Легирование таких сталей не только улучшает их закаливаемость, но и повышает предел их текучести.
Наиболее популярными марками рассматриваемых сталей, которые поставляются в виде сортового проката, листов, полос и прутков, являются:
14Г2;
15ХСНД;
10Г2С1;
18Г2;
18Г2С;
25Г2С;
35ГС.
Стали конструкционные теплоустойчивые
К теплоустойчивым конструкционным относятся стали, используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов, а также в других отраслях промышленности для работы при повышенных температурах. Рабочие температуры теплоустойчивых сталей достигают 600—650 °C, причём детали из них должны работать без замены длительное время (до 10000-20000 ч.).
При давлениях 6 МПа и температурах до 400 °C используются углеродистые котельные стали (12К, 15К, 18К, 20К). Для деталей энергоблоков, работающих при давлении до 25.5 МПа и температурой до 585 °C применяются стали, легированные хромом, молибденом, ванадием. Содержание углерода 0.08-0.27 %. Термообработка этих сталей заключается в закалке или нормализации с обязательным высоким отпуском.