Практическое занятие №5. Вариант взять по списку

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения. Для получения сварного соединения соединяемые поверхности сближают на расстояния, в пределах которых действуют силы межатомного сцепления. По методу объединения заготовок различают сварку плавлением и сварку давлением. Расплавленный металл получают путем плавления кромок заготовок и электродного (или присадочного) металла электрической дугой (рисунок 1). После заполнения зазора между заготовками металл затвердевает, образуя прочный сварочный шов.

Рисунок 1 – Схемы сварки неплавящимся (а) и плавящимся (б) электродами
1 – электрод; 2 – дуга, 3 – свариваемое изделие; 4 – присадочный металл

Ручную электродуговую сварку применяют для соединения металлов толщиной от 1 до 60 мм при выполнении коротких швов в различных пространственных положениях (рисунок 2) и в труднодоступных местах.

Рисунок 2 – Возможные пространственные положения шва при ручной электродуговой сварке: а – нижнее; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное

Сварочная дуга – мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод на расстояние 3 – 6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание (рисунок 3а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рисунок 3б) с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда (рисунок 3в).

Рисунок 3 – Схема процесса зажигания дуги

Электрические свойства дуги выражаются статической вольтамперной характеристикой, которая представляет собой зависимость между напряжением на дуге и током дуги (рисунок 4а). Характеристика состоит из трех участков: I, II, Ш, каждому из которых присущи свои особенности. Объяснение им можно дать, если рассматривать дуговой промежуток как цилиндрический газовый проводник, проводимость которого зависит от количества находящихся в нем ионов и электронов. Так при увеличении тока до 100 А (участок I) соответственно возрастает количество ионов и электронов в дуговом промежутке, при этом его проводимость увеличивается, а, следовательно, напряжение на дуге уменьшается (падающая характеристика). При токе в 100 А наступает полная ионизация дугового промежутка. Если же продолжать увеличивать ток до 1000 А, то происходит увеличение площади поперечного сечения дуги (пропорционально увеличению тока) и поэтому напряжение на дуге практически постоянно (участок II, жесткая характеристика). При дальнейшем увеличении тока (участок III) площадь поперечного сечения дуги изменяется мало, дуговой промежуток ионизирован полностью и его проводимость остается постоянной, следовательно, напряжение на дуге увеличивается (возрастающая характеристика).

а б
Рисунок 4 – Вольтамперная характеристика дуги (а) и совмещенная вольтамперная характеристика дуги и источника тока (б)

Источники сварочного тока для дуговой электрической сварки должны иметь падающую (или пологую) внешнюю характеристику (рисунок 4б). Внешней характеристикой источника электрического тока называют зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока цепи при нагрузке. Режим горения сварочной дуги определяют точкой пересечения характеристики дуги (кривая 1) и источника тока (кривая 2).
На рисунке 4б точка А соответствует режиму холостого хода источника тока (величина сварочного тока I =0; напряжение холостого хода U_X.X = 60 – 80 B). Дуга отсутствует. Точка D соответствует режиму короткого замыкания (напряжение короткого замыкания U_К.З =0; I_{К.З .} = I_МАХ). Точка В соответствует моменту зажигания и неустойчивому горению дуги. Точка С соответствует рабочему сварочному режиму с устойчивым горением дуги и величиной сварочного тока I_СВ.
Нормальное горение дуги обеспечивает источник сварочного тока с крутопадающей характеристикой (рис.4б, кривая 2), которая необходима для облегчения зажигания дуги (за счет повышенного U_Х.Х); для ограничения тока короткого замыкания (I_K.З /I_CB <1,5); для сохранения стабильной проплавляющей способности дуги (изменения U_Д вследствие колебания длины дуги приводят к незначительному изменению I_CB).
Для питания сварочной дуги применяют источники переменного (сварочные трансформаторы) и постоянного тока (сварочные генераторы и выпрямители). Сварочные трансформаторы применяют чаще, так как они проще в эксплуатации и долговечнее.
При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, во втором – к положительному и служит анодом.
Рассмотрим принцип работы сварочного трансформатора с повышенным магнитным рассеянием (тип ТДМ). В трансформаторах данного типа (рисунок 5) на стальном сердечнике 3 установлены две пары обмоток: неподвижная первичная 1 и подвижная вторичная 2. Обе первичные обмотки, также как и вторичные электрически связаны между собой параллельно. Первичная обмотка подключается к сети с напряжением 220/380В, а вторичная к электрододержателю 5 и сварочному столу 6. Вращением винта 4 вторичная обмотка может быть приближена к неподвижной первичной обмотке или удалена от нее.

Рисунок 5 – Принцип работы сварочного трансформатора

Сварка небольших по размеру деталей выполняется на сварочном посте. Сварочный пост для ручной электродуговой сварки оборудуется сварочным трансформатором, рубильником (контактором), сварочным столом и приточно-вытяжной вентиляцией. Электрическая схема подключения сварочного поста (рис.6), содержит сеть переменного тока 1 напряжением 220-380 В, который подается через контактор 2 к сварочному трансформатору 3. От сварочного трансформатора по гибким проводникам 4, 5 ток подводится к электрододержателю и сварочному столу (изделию).

Рисунок 6 – Сварочный пост
Электрододержатель служит для установки и зажима металлического электрода и подведения к нему сварочного тока.
Электрод представляет собой металлический стержень с нанесенным на него специальным покрытием. Один конец электрода оголен – контактный конец. Диаметр электрода определяется диаметром электродного стержня. Электрод устанавливается в электрододержатель контактным концом.

3. Методика расчета режимов ручной электродуговой сварки.
3.1. Диаметр электрода d_Э выбирают, исходя из толщины свариваемого металла S (таблица1).

3.2. Сварочный ток I_св (А) выбирают в зависимости от диаметра электрода и типа свариваемого металла
I_св = (20 + 6d_э)· d_э. (1)
Для сварки легированных сталей, вычисленные по формуле (1) значения рабочего тока снижаются на 10–15%.
3.3. Длину дуги (Lд, мм) выбирают по диаметру электрода
Lд = 0,5·(d_э+2) (2)
Чем короче дуга, тем выше качество наплавленного металла.
3.4. Напряжение горения дуги (U_Д, В) пропорционально длине дуги
Uд = α + β·Lд,
где a, b – опытные коэффициенты. Для стальных электродов a=10В, b= 2 В/мм.
3.5. Напряжение зажигания дуги U_з.д. при постоянном токе – 50В, при переменном токе – 60В.
3.6. Ток зажигания дуги I_з.д. = 20А.

4. Выбор электродов для ручной электродуговой сварки.
Для этого необходимо определить:
- материал сварочной проволоки (марку материала проволоки выбирают в соответствии с химическим составом свариваемого металла);
- тип покрытия стержня электрода;
- тип и марку электрода в зависимости от марки свариваемой стали и требований к механическим свойствам (прочности, пластичности) наплавленного металла (таблица 2);
- длину электрода (таблица 3).
Электроды имеют следующие типы покрытий:

Р – руднокислое покрытие содержит в своем составе окислы железа и марганца, способные активно окислять металл. Электроды с таким покрытием не чувствительны к ржавчине, но чувствительны к сере и фосфору. Используют для сварки конструкционных углеродистых сталей при любых пространственных положениях. Позволяют выполнять сварку на переменном и постоянном токе (прямой и обратной полярности).

О – органическое покрытие состоит из газообразующих веществ, обеспечивающих надежную защиту металла сварочной ванны от окисления. Для защиты металла шва от насыщения водородом в состав покрытия вводят титановый концентрат и марганцевую руду. Применяют для заварки монтажных стыков и сварки тонкого металла.

Т – рутиловое покрытие содержит в своем составе значительное количество двуокиси титана в виде рутила (ТiО₂). Газовую защиту сварочной ванны достигают за счет декстрина и продуктов разложения магнезита МgСО₃=МgО+СО₂. Раскислитель – марганец. Покрытие обеспечивает стабильное горение сварочной дуги на постоянном и переменном токе и формирование шва в любых пространственных положениях.

Ф – фтористокальцевое покрытие. Основным компонентом покрытия является полевой шпат (СаF₂) и карбонаты кальция (мрамор, мел). Газовая защита осуществляется за счет газообразующих продуктов диссоциации карбонатов, например: СаСО₃= СаО+СО₂. В качестве раскислителей могут быть использованы кремний, марганец, титан, алюминий. Швы, выполненные электродами с данным покрытием, содержат минимальное количество водорода. Покрытие чувствительно к ржавчине, маслам, влаге. Сварка осуществляется на постоянном токе обратной полярности. Применяется при сварке ответственных конструкционных сталей перлитного, ферритного и аустенитного классов.

Согласно ГОСТ 9467-75 электроды для сварки мало-, среднеуглеродистых и низколегированных сталей (Ст3, сталь45, 30ХГСА и др.) подразделяют на типы Э34, Э42, Э42А, …, Э145. Цифры в обозначении типа электрода означают прочность наплавленного металла в МПа, буква А – повышенную пластичность металла сварного шва. Свойства наплавленного металла должны быть равны или несколько выше соответствующих свойств свариваемого металла.
Электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей (типа 12ХМ, 20ХМБФ и др.) подразделяют на типы Э-ХМ, Э-МХ, Э-ХМБФ и др. в зависимости от химического состава наплавленного металла. Буквы Х, М, Б, Ф означают легирование металла стержня соответственно хромом, молибденом, ванадием, ниобием, повышающим теплоустойчивость сварного шва.
Для сварки сталей ферритного класса (нержавеющих хромистых типа Х13, Х17, Х25, Х28) используют электроды типа ЭФ-Х13, ЭФ-Х17, ЭФ-Х25, ЭФ-Х28. Здесь цифры указывают содержание хрома в % в металле шва, буква Ф – класс свариваемой стали.
Для сварки сталей аустенитного класса (нержавеющих хромоникелевых типа 12Х18Н9, 17Х18Н9, 04Х18Н10Т, 12Х18Н10Т) выбор типа электрода зависит от условий работы сварной конструкции. Для работы в слабой, сильной агрессивной среде, при отрицательной температуре, высокой температуре к сварным швам предъявляются различные требования, которые могут быть выполнены только с помощью специальных электродов. Для этих целей существует 34 различных электродов. Для слабой агрессивной среды применяют тип электрода ЭА-1а, для сильной агрессивной среды – ЭА-1б. Здесь буква А указывает на аустенитный класс сталей.
Важной характеристикой электродов является марка (ЦЛ-18, УОНИ-13/45, АН-1 и др.), которая определяет состав покрытия, род и полярность тока, возможность сварки в различных пространственных положениях и т.д.
Рекомендуемые марки электродов для выбранных типов электродов приведены в

таблице 4.
Длину электрода выбирают в соответствии с его диаметром по таблице 3.

5. Изучить технологию ручной электродуговой сварки.
5.1. Установка рабочего тока сварки.
Установка рабочего тока сварки и его регулирование на сварочных трансформаторах ТДМ-300 осуществляется по шкале токов, расположенной на вертикальной панели.
5.2. Возбуждение сварочной дуги и поддержание ее горения.
Возбуждение сварочной дуги может производиться двумя способами: постукиванием или чирканьем. В первом случае сварщик частым легким постукиванием ударяет по свариваемому металлу до тех пор, пока не возбудится сварочная дуга, после чего электрод отводится на 2…4 мм вверх от металла. Во втором случае сварщик чиркает по металлу концом электрода и отводит его на небольшое расстояние (2…4), возбуждая дугу.
В дальнейшем для обеспечения стабильного горения сварочной дуги необходимо поддерживать постоянную длину дуги путем постепенного опускания электрода по мере его оплавления.
5.3. Положение и перемещение электрода при сварке.
В производственных условиях наложение швов при сварке металлоконструкций производят в различных пространственных положениях. Наиболее распространенным способом является сварка в нижнем положении, когда поверхность свариваемого изделия горизонтальна (рисунок 2а).
Наложение вертикальных и потолочных швов (рисунок 2б,г) производится сварщиком высокой квалификации с помощью короткой дугой на несколько пониженных токах электродами меньшего диаметра. Вертикальные швы сваривают в направлении снизу вверх.
При сварке изделий в нижнем положении сварщик располагает электрод наклонно к направлению сварки, зажигает дугу и по мере оплавления электрода опускает его вниз и перемещает вдоль шва. Изменяя угол наклона электрода к поверхности свариваемого изделия можно, в некоторых пределах, регулировать глубину провара металла Н.
Глубина проплавления металла под воздействием тепла сварочной дуги называется глубиной провара.
В зависимости от типа свариваемой конструкции наплавляют узкий (ниточный) или широкий (уширенный) валик. Узкий валик накладывают при сварке тонких листов толщиной 2…3 мм, горизонтальных, потолочных швов и при проваре корня шва.
При наплавке узких швов электрод равномерно перемещают вдоль шва, не делая никаких поперечных колебаний концом электрода, При изменении скорости перемещения электрода вдоль шва меняется ширина узкого шва. Для нормальной сварки необходимо подобрать такую скорость перемещения электрода, при которой ширина образующегося шва была на 2…3 мм больше диаметра электрода.
При наложении уширенных швов сварщик сообщает электроду поперечные колебания с постоянной частотой и амплитудой, совмещая их с поступательным движением электрода вдоль шва и опусканием электрода по мере его оплавления (рисунок 7).

Рисунок 7 – Движения электрода при нанесении уширенных швов

Поперечные колебательные движения могут быть различны и выбор их определяется навыком сварщика.

Деталь на сварочном столе следует располагать с небольшим наклоном, чтобы образующийся на поверхности жидкого металла шлак не затекал на участок перед дугой. При затекании шлака уменьшается глубина провара металла и возможно образование дефектных швов.

6. Подготовка элементов сварного соединения под сварку.
Перед сваркой кромки металла тщательно подготавливают: зачищают стальной щеткой, шкуркой, правильно располагают друг относительно друга, а при необходимости проводят разделку напильником или абразивным кругом.
Все сварные соединения делят на четыре типа: стыковые, тавровые, нахлесточные, угловые. Различные типы сварных соединений и этапы подготовки кромок в зависимости от толщины свариваемого металла приведены в таблице 5.
Стыковое соединение может быть выполнено со скосом и без скоса кромок. К наиболее простому способу относится сварка кромок без скоса, которая применяется для металла толщиной до 6 мм. В этом случае сварку выполняют как с одной, так и с двух сторон наложением уширенных швов.
В тех случаях, когда необходимо обеспечить провар металла на полную толщину, делают скос кромок. Он обязателен, если толщина металла свыше 8 мм.
Стыковое соединение может быть сварено одним швом (однослойная сварка) или несколькими швами (многослойная сварка). Сварка угловых и тавровых соединений может производиться однослойным и многослойными швами.
Однослойную сварку применяют для соединений с катетом шва до 8 мм.
При однослойной сварке вначале накладывают ниточный (узкий) шов, проваривая корень шва, а затем уширенные.