Глава 1. Электрическая дуговая сварка

Глава 1. Электрическая дуговая сварка

Электродуговая сварка осуществляется за счет тепла электрической дуги, которая горит между электродом и свариваемым изделием. Электрическая дуга - это мощный электрический разряд, который образуется в той или иной ионизированной среде.

Виды дуговой сварки

В зависимости от способа включения в сварочную цепь основного и присадочного металла и характера воздействия на них сварочной дуги различают следующие основные виды дуговой сварки:

I. Неплавящимся электродом (по способу Бенардоса) (рис. 7.1).

Дуга постоянного тока 2 горит между неплавящимся угольным или графитовым электродом (1) и свариваемым изделием (3). В этом случае применяется присадочный металл (4).

Используется при исправлении дефектов в чугунных и бронзовых отливках, при сварке алюминиевых, титановых сплавов.

Рис. 7.1. Дуговая сварка по методу Бенардоса

Различают дугу постоянного тока прямой полярности (на электроде - минус, на изделии - плюс). И обратной полярности (на электроде - плюс, на изделии - минус).

II. Плавящимся электродом (по способу Славянова) (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Электродуговая сварка по методу Славянова

Дуга постоянного или переменного тока (2) (при прямой или обратной полярности) горит между плавящимся электродом (1) и свариваемым изделием (3). Электрод плавится, и капли металла (4) пополняют сварочную ванну. Применяется при ручной, полуавтоматической и автоматической сварке и для наплавки черных и цветных металлов.

III. Сварка трехфазной дугой (рис. 7.3).

Имеются два изолированных друг от друга электрода (1) и свариваемое изделие (2). Одновременно горят три дуги (3): одна между изолированными плавящимися электродами и две - между каждым из электродов и свариваемым изделием. Используется для автоматической сварки металлов большой толщины.

Рис. 7.3. Сварка трёхфазной дугой

С физической точки зрения дуга - это сложный ионный и электронный процесс переноса электрических зарядов через ионизированный воздушный промежуток. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. После отвода электрода с его разогретого конца начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Столкновение быстро движущихся от катода к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда в столбе дуги.

Рис. 7.4. Статическая вольтамперная характеристика дуги (2) и падающая внешняя характеристика источника тока (1)

Чтобы зажечь дугу, необходима энергия, так называемый потенциал ионизации, который зависит от типа электрода и вида сварного изделия.

Электрические свойства дуги определяются статической вольтамперной характеристикой, которая представляет собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии спокойного её горения (кривая 2, рис. 7.4).

Источники тока

Для дуговой сварки применяют постоянный и переменный ток. Источниками постоянного тока являются сварочные генераторы и сварочные выпрямители - селеновые, германиевые и кремниевые. Генераторы постоянного тока изготавливают стационарными и передвижными. При сварке переменным током используют сварочные трансформаторы, они просты в изготовлении и эксплуатации, имеют большой к.п.д.

Источник тока для питания сварочной дуги должен иметь специальную внешнюю характеристику, которая представляет зависимость между напряжением на зажимах источника тока и током (кривая 1, рис. 7.4).

Напряжение, необходимое для зажигания дуги, называется напряжением холостого хода и должна быть не ниже 30…35 В для источников постоянного тока и не менее 50…55 В для источников переменного тока и не должно превышать 80 В из соображений безопасности. Для устойчивого горения открытой дуги в большинстве случаев достаточно напряжения 18…30 В.

Устойчивый режим горения дуги определяется точкой С - пересечения статической вольтамперной характеристики дуги (кривая 2) и падающей внешней характеристики источника тока (кривая 1) (рис. 7.4). Точка А соответствует режиму холостого хода в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Точка В определяет режим неустойчивого горения дуги. Точка D соответствует режиму короткого замыкания. Ток короткого замыкания не должен превышать рабочий ток больше, чем в два раза. Это отношение называется коэффициентом добротности Д:

Д = I_k3/I_p ≤ 2, (7.1)

где: I_k3 – ток короткого замыкания; I_p – рабочий (сварочный) ток.

Источники тока должны обеспечивать:

- лёгкое зажигания дуги и её устойчивое горение;

- удобство регулирования тока;

- при ручной дуговой сварке круто падающую внешнюю характеристику источника тока (кривая 1, рис. 7.4) для ограничения тока короткого замыкания;

- возможность выдерживать источником тока длительное короткое замыкание.

Для регулирования сварочного переменного тока и обеспечения стойкого горения дуги в электрическую цепь последовательно включают индуктивное сопротивление, которое называется регулятором, реактивной катушкой или дросселем. Главное назначение регулятора - обеспечить падающую внешнюю характеристику сварочного аппарата и возможность регулирования силы сварочного тока.

Ручная дуговая сварка

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые перемещают вручную вдоль свариваемых изделий.

Электроды имеют двойное назначение. Они являются: 1) проводником сварочного тока; 2) присадочным металлом и принимают участие в формировании сварного шва. Электроды разделяются на две группы: плавящиеся и неплавящиеся. Неплавящиеся электроды являются только проводниками сварочного тока, поэтому в этом случае необходимо использование присадочного металла. Главным образом это - угольные и вольфрамовые электроды.

Для изготовления плавящихся электродов используют холоднотянутую проволоку, ленту из стали, меди, медных или алюминиевых сплавов. В соответствии с ГОСТ 2246-70/80 имеется 75 марок стальной сварочной проволоки диаметром от 0, 2 до 12 мм.

По химическому составу стальная сварочная проволока разделяется на 3 группы:

· низкоуглеродистая и низколегированная проволока (Св-08, Св-08А, Св-08ХГМ и др.) для сварки малоуглеродистой стали;

· легированная проволока (Св-18ХМА, Св-10Х5М и др.) для сварки легированных сталей;

· высоколегированная проволока (Св-06Х19Н9Т, Св- 06Х19Н10М3Т и др.), которая используется для сварки нержавеющих сталей и других высоколегированных сталей.

В марке проволоки “Св” обозначает “сварочная”, буквы и цифры - ее химический состав. Например, проволока марки Св 08ГС содержит: 0, 08 % С; 1 % Mn; 1 % Si.

При изготовлении электродов для ручной дуговой сварки на проволоку наносятся покрытия с целью облегчения условий зажигания дуги, обеспечения её стабильного горения и защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха. В состав покрытия электродов входят раскисляющие, шлакообразующие, газообразующие, легирующие, связующие и стабилизирующие компоненты.

Электроды для ручной дуговой сварки классифицируются по двум признакам: по назначению и виду покрытия. По назначению электроды делятся на типы:

- для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с ϭ _в до 600 МПа. Это электроды: Э38, Э42 и др. (цифра после буквы “Э” обозначает временное сопротивление металла шва в 101 МПа); например, электрод типа Э42: ϭ _в = 420 МПа;

- для сварки легированных конструкционных сталей с ϭ _в > 600 МПа: Э64 и др.;

- для сварки легированных теплостойких, жаропрочных сталей Э-09М, Э-09МХ. В марке находит отражение химический состав наплавленного металла; например, электрод типа Э-09М содержит: 0, 09 % С, не более 1 % Мо;

- для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами: Э-12Х13, Э-10Х17Т и др;

- для наплавки слоев с особыми свойствами: для наплавки деталей, которые работают в условиях ударных нагрузок (Э-30Г2ХМ, Э-10Г2), штампов горячей штамповки (Э-90Х4М4ВФ), металлорежущего инструмента (Э-105В6Х5М3Ф3).

По виду покрытия электроды делятся на электроды с кислым, рутиловым, основным и целлюлозным покрытиями.

Технологические параметры электродуговой сварки следующие:

1. тип электрода назначают в зависимости от состава и свойств свариваемого металла;

2. зная толщину свариваемого металла (табл. 7.1), слой (первый или последующий) и положение шва в пространстве, выбирают диаметр электрода;

3. силу сварочного тока (I) выбирают в зависимости от диаметра электрода (d_э) по формуле: I = K-d₃ (7.2) где: К – коэффициент, который зависит от материала электрода (для низкоуглеродистых сталей К = 40…60 A/мм, для высоколегированных сталей К= 35-40 А/мм);

4. длину дуги в мм рассчитывают по формуле: L_д = (0, 5 d_э + 1) (7.3).

Сварочные горелки

Сварочные горелки предназначены для смешивания в нужных пропорциях горючего газа и кислорода при образовании сварочного пламени необходимой мощности, размеров и формы. В промышленности используют преимущественно инжекторные горелки, пригодные для использования ацетилена низкого и среднего давления (рис. 7.9).

Принцип работы этой горелки основан на подсосе ацетилена струей кислорода (инжекции). Кислород под давлением 0, 2…0, 4 МПа подается через ниппель (5), трубку (7) и регулировочный вентиль (4) в инжектор (3), который имеет узкое центральное отверстие (сопло) и продольные пазы. Выходя из отверстия сопла с большой скоростью, кислород создает в камере смешивания (2) сильное разрежение.

Рис. 7.9. Схема инжекторной горелки ГС-53

Вследствие этого ацетилен, имеющий более низкое давление, засасывается через ниппель (6), регулировочный винт (8) и продольные пазы инжектора в камеру смешивания. Здесь кислород и ацетилен образуют горючую смесь, которая по трубке поступает в мундштук (9). Па выходе из последнего при зажигании этой смеси образуется сварочное пламя (10). Необходимое соотношение газов в горелке регулируется кислородным и ацетиленовым вентилями.

Горелка инжекторного типа имеет семь сменных наконечников, дающих возможность сваривать металл толщиной 0, 5…30 мм.

Термическая резка металлов

Газокислородная резка заключается в сжигании (окислении) металла в струе кислорода. При резке металл нагревается в начальной точке реза. Для газокислородной резки используют резак, подающий газовую смесь для подогрева металла, и кислород - для его горения. Сначала резаком работают как сварочной горелкой и только после нагрева металла подают кислород, который окисляет металл и выдувает окислы, появляющиеся в процессе резания. Горение (окисление) металла начинается при достижении определённой температуры (для углеродистых сталей 1000…1200 °С) и сопровождается выделением значительного количества теплоты, которая определяет высокую скорость разделения металла.

По характеру и направленности кислородной струи различают следующие способы резки:

4. разделительная резка - режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину;

5. поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым углом к поверхности металла и обеспечивает его грубую строжку или обдирку.

Термическая резка может быть ручной и машинной. Для ручной резки характерна невысокая точность поверхности резания.

Машинная резка используется при серийном изготовлении деталей и обеспечивает высокое качество поверхности.

Для сплавов, у которых на поверхности образуются тугоплавкие пленки окислов, нельзя использовать кислородную резку. Для таких сплавов применяют кислородно-флюсовую резку.

Суть кислородно-флюсовой резки заключается в том, что в зону реза вместе с режущим кислородом подается порошковый флюс, который состоит из железа, кварцевого песка и других добавок. Порошок железа сгорает в струе кислорода и выделяется дополнительное тепло, благодаря которому расплавляются тугоплавкие окислы.

Контрольные вопросы

1. В чем суть газовой сварки?

2. Как и где получают ацетилен?

3. Для чего предназначена сварочная горелка?

4. Каков принцип работы сварочной горелки?

5. Перечислите основные виды ацетиленокислородного пламени.

6. Из каких зон состоит ацетиленокислородное пламя?

7. Какие Вы знаете способы проведения газовой сварки?

8. В чем заключается газокислородная резка металла?

9. Что представляет собой газовый резак?

10. Какие Вам известны способы резки?

11. Для каких сплавов используется кислородно-флюсовая резка?

12. В чем суть кислородно-флюсовой резки?

Глава 4. Контактная сварка

Контактная сварка - сварное соединение образуется нагревом свариваемых изделий и дополнительным приложением механических усилий сжатия. Суть контактной сварки заключается в том, что через детали, которые свариваются, пропускают ток большой силы. За счет Джоулевого тепла (Q = 0, 24 I² R t), которое выделяется при прохождении тока, металл в месте контакта свариваемых изделий нагревается до пластического или жидкого состояния, что при приложении давления облегчает соединение изделий.

Различают следующие виды контактной сварки: стыковую, точечную, шовную.

Стыковая сварка

Стыковая сварка - это вид контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема стыковой сварки

Стыковая сварка с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называется сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления - сваркой оплавлением.

При стыковой сварке свариваемые детали (2) закрепляют в медных зажимах машины. Зажим (3) установлен на неподвижной плите (1), зажим (4) - на подвижной плите (5), которая перемещается по направляющим станины. Вторичный виток трансформатора соединён с плитами. Трансформатор предназначен для регулирования сварочного тока. Сжатие свариваемых деталей осуществляется перемещением подвижной плиты (5).

При сварке сопротивлением тщательно обработанные торцы деталей доводят до соприкосновения и включают электрический ток. После нагрева металла в месте контакта до пластического состояния сила давления увеличивается. Сварку сопротивлением применяют для соединения изделий небольшого сечения из малоуглеродистых сталей и цветных металлов.

При сварке оплавлением после подачи тока изделия доводят до соприкосновения, затем их разводят и оставляют зазор, в результате чего на торцах возникают дуговые разряды, которые оплавляют металл. После этого производится сдавливание изделий. Этот вид сварки применяют для рельсов, трубопроводов, режущего инструмента, материалов с различным химическим составом (например, углеродистой и быстрорежущей сталей).

Точечная сварка

Точечная сварка заключается в том, что заготовки соединяют в отдельных точках, причем одновременно могут свариваться одна, две или несколько точек (рис. 7.12). Точечная сварка бывает двусторонняя (рис. 7.12, а) и односторонняя двухточечная (рис. 7.12, б). Для получения сварной точки двусторонней сваркой листы (2) и (3) размещают между электродами (1) и (4) и сжимают давлением. Затем подают ток, в результате чего металл в месте контакта расплавляется. После образования сварной точки подача тока прекращается и давление снимается. При односторонней сварке электроды располагают с одной стороны свариваемых листов (1) и (2), а с другой стороны подкладывают токопроводящие шины (5).

Рис. 7.12. Принципиальная схема точечной сварки

На рис. 7.14 показана циклограмма точечной сварки. Цикл состоит из таких стадий: сжатие свариваемых заготовок между электродами; включение тока и разогрев в месте контакта до температуры плавления; выключение тока; для улучшения структуры сварной точки увеличение сжатия; снятие сжатия.

Шов при точечной сварке негерметичный. Точечная сварка широко применяется в автомобилестроении для сварки кузовов.

Точечную сварку применяют для изделий из низкоуглеродистых, углеродистых, низколегированных, высоколегированных сталей, алюминиевых сплавов. В автомобильной промышленности применяют для точечной сварки, как правило, машины, производительность которых очень высока.

В грузовом автомобиле насчитывается 7-8 тысяч сварных точек, а в легковом - до 15-18 тысяч.

Шовная сварка

Шовная (роликовая) сварка также бывает двусторонняя (рис. 7.14, а) и односторонняя (рис. 7.14, б).

Рис. 7.12. Принципиальная схема шовной сварки

При односторонней шовной сварке (рис. 7.14, б) ролики (2) (электроды) располагаются по одну сторону свариваемых листов (1), токопроводящие шины (3) - с другой.

При двухсторонней шовной сварке между вращающимися роликами (2) пропускают заготовки (1), подлежащие сварке (рис. 7.14, а). При этом образуются сварные точки, которые перекрывают друг друга, в результате чего получают сплошной и герметичный шов.

Существует три способа выполнения шовной сварки: непрерывная, прерывистая и шаговая.

Непрерывная шовная сварка осуществляется при непрерывном движении деталей и непрерывном протекании сварочного тока. Толщина свариваемых листов, как правило, не превышает 1 мм. Применяется редко из-за перегрева сварочных роликов и свариваемых деталей, невысокого качества сварки и относительно низкой стойкости электродов. Используется для сварки неответственных изделий из малоуглеродистых сталей.

Прерывистая шовная сварка осуществляется при непрерывном движении деталей и прерывистом включении сварочного тока. Герметичность швов, обеспечиваемая перекрытием сварных точек, достигается сбалансированным соотношением скорости вращения роликов и частоты импульсов тока. Толщина свариваемых листов — до 3 мм. Способ прерывистой шовной сварки получил наибольшее распространение благодаря меньшему перегреву роликов и заготовок.

Шаговая шовная сварка осуществляется в ходе прерывистого движения деталей (на шаг), с помощью больших величин сварочного тока, включаемого в момент остановки роликов. Характеризуется наименьшим перегревом роликов и заготовок. Толщина свариваемых листов — до 3 мм. Применяется для сварки алюминиевых сплавов и плакированных металлов.

Желательный диаметр электродов 150…200 мм, так как при меньшем диаметре увеличивается их износ. При сварке металлов толщиной менее 0, 5 мм применяют электроды диаметром 40…50 мм. Для изготовления электродов для точечной и роликовой сварки используется медь марки M l, кадмиевая, хромистая, бериллиевая бронзы и другие сплавы.

Шовную сварку применяют в массовом производстве для соединения листов толщиной 0, 3…3 мм, при изготовлении различных емкостей, где требуются герметичные швы — бензобаки, трубы, бочки, сильфоны и др.

Контрольные вопросы

1. В чем суть контактной сварки?

2. Какие Вам известны виды стыковой сварки?

3. В чем заключается точечная сварка?

4. Какая последовательность операций точечной сварки?

5. Какие существуют виды точечной сварки?

6. Какие существуют виды шовной сварки?