книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением
..pdfПри сварке с глубоким проваром (другие названия: опиранием электрода, погруженной дугой и т.д.) повышение произво дительности сварки достигается за счет более глубокого про плавления основного металла. Сварку выполняют специальными электродами, дающими при их расплавлении козырек повышен ных размеров, на который и опирают электрод. Сварщик, удер живая электрод под углом 70-85° к поверхности изделия, пере мещает его вдоль свариваемых кромок без поперечных колеба ний. Используется максимально допустимый ток. Выделяющиеся при расплавлении электрода газы, оттесняя расплавленный ме талл сварочной ванны из-под дуги, увеличивают глубину про плавления, которая регулируется изменением угла наклона элек трода и скоростью его перемещения. Сварку выполняют в ниж нем положении стыковых и угловых швов.
При способах сварки лежачим и наклонным электродами также применяют специальные электроды, расплавление покры тия которых, образуя козырек определенных размеров, преду преждает короткое замыкание дуги. Повышение производитель ности труда достигается за счет того, что один сварщик одновре менно обслуживает несколько дуг. Лежачим электродом (рис. 23, а) сваривают стыковые и нахлесточные соединения и угловые швы на стали толщиной 0,5-6 мм. Используют электро ды диаметром 2,5-8 мм и длиной до 2000 мм. Электрод уклады вают на стык, подлежащий сварке, и накрывают сверху массив ным медным бруском, изолированным бумагой от изделия, для предупреждения возможного обрыва дуги из-за деформации электрода при его расплавлении. Дугу зажигают замыканием ра бочего конца электрода угольным стержнем или металлическим электродом и перемещают по мере расплавления электрода. Для сварки этим способом удобнее использовать специальные станки.
Рис. 23. Сварка лежачим и наклонным электродами:
1 - электрод; 2 - медный брусок; 3 - медная съемная подкладка;
4 - обойма; 5 - штатив
Способ сварки наклонным электродом (рис. 23, 6) разрабо тан в СССР в середине 30-х годов. В настоящее время его приме няют за границей под названием гравитационная сварка. При сварке электрод закрепляют в штативе, устанавливаемом на по верхность изделия, через изолирующую подкладку; по мере его оплавления он опускается с обоймой под действием веса или пружины. Токоподвод осуществляется непосредственно к элек троду или обойме. Глубину проплавления и ширину шва регули руют изменением угла наклона электрода.
В практике в небольшом объеме находят применение уста новки для механизированной дуговой сварки металлическими электродами с покрытием (штучными). В них поддержание дуги и ее перемещение вдоль свариваемых кромок происходит авто матически. Электроды сменяют вручную при остановке переме щения автомата или без его остановки. Повышение производи тельности процесса сварки достигается за счет обслуживания сварщиком двух установок и более.
Техника сварки кольцевых стыков труб. Сварка кольце вых стыков трубопроводов имеет некоторые специфические осо бенности. Обычно сваркой выполняют швы на трубах диаметром от десятков миллиметров до 1440 мм при толщине стенки до 16 мм и более. При толщине стенки труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей до 8-12 мм сварку можно выполнять в один слой. Однако многослойные швы имеют повышенные меха нические свойства, определяемые положительным влиянием тер мического цикла последующего шва на металл предыдущего шва, поэтому сварку труб преимущественно выполняют в два слоя и более. Рекомендуемое число слоев шва зависит от толщи ны стенки.
Толщина стенки (мм) |
4-5 |
6-9 |
10-12 |
13-15 |
Число слоев (не менее) |
2 |
3 |
4 |
5 |
Наиболее распространена сварка труб с V-образной раздел кой кромок с суммарным углом скоса кромок 50-60°. Перед сваркой стыки собирают в специальном приспособлении или на прихватках:
Внутренний диа |
менее |
150-200 |
250-400 |
500-600 |
800 |
1000 и |
||
более |
||||||||
метр трубы, мм |
150 |
|
|
|
|
|
||
Минимальное |
|
|
|
|
|
|
Одна на |
|
число прихваток |
2 |
3 |
3 |
3-4 |
5 |
-6 |
450 мм |
|
Длина прихваток, |
|
|
|
|
|
|
шва |
|
30 |
35 |
50 |
60-70 |
70 |
-80 |
80-100 |
||
|
||||||||
Стыки труб можно сваривать в поворотном, когда трубу можно вращать, или в неповоротном положении. Сварку швов первого типа выполняют обычно в нижнем положении без осо бых трудностей, хотя сложно проварить корень шва, так как его формирование ведется чаще всего на весу. Сварка неповоротного стыка требует высокой квалификации сварщика, так как весь шов выполняют в различных пространственных положениях. Можно сваривать двумя способами: каждое полукольцо сверху вниз или снизу вверх. Первый способ возможен при использовании элек тродов диаметром 4 мм, дающих мало шлака (с органическим по крытием), короткой дугой с опиранием образующегося на конце электрода козырька на кромки без поперечных колебаний элек трода или с небольшими его колебаниями. При сварке снизу вверх процесс ведут со значительно меньшей скоростью с попе речными колебаниями электрода диаметром 3-5 мм.
зз
3. ДУГОВАЯ СВАРКА УГОЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ БЕЗ ЗАЩИТЫ
В настоящее время сварку угольным электродом применяют редко: при изготовлении изделий из низкоуглеродистой стали толщиной до 3 мм, при сварке или ремонте изделий из цветных металлов и сплавов или чугуна. Для сварки используют графито вые или угольные электроды, рабочий конец которых в зависи мости от диаметра на длине 10-20 мм затачивают на конус с при туплением 1,5-2 мм. Дуга горит (рис. 24) между рабочим концом электрода и изделием - дуга прямого действия. Дуга косвенного действия горит между двумя электродами.
3) б)
Рис. 24. Сварка угольной дугой прямого (а) и косвенного (б) действия
Графитовый или угольный электрод в процессе сварки не расплавляется, его расход незначителен и связан только с испа рением. Шов образуется за счет расплавления кромок основного металла или присадочного прутка (если он используется). Сварку дугой прямого действия обычно ведут на постоянном токе пря мой полярности, что обеспечивает достаточную устойчивость ду ги, меньший расход электрода и предохраняет металл от наугле роживания при коротких дугах.
Кромки под сварку обычно имеют отбортовку (рис. 24); со бирают их с помощью точечной сварки, струбцин, зажимов, при хваток и др., обеспечивающих плотное прилегание отбортован ных участков во избежание прожогов. При сварке кромки рас плавляют без присадочного металла. Однако при повышенных зазорах или случайных прожогах следует использовать проволо ку диаметром 1,5-2 мм, подавая ее в дугу для подварки. При не обходимости использования присадочного металла его можно предварительно укладывать на свариваемые кромки.
Рис. 25. Соединения, свариваемые угольной дугой:
а- односторонняя отбортовка; б —двусторонняя отбортовка;
в-угловой шов в нахлесточном соединении; э - электрод; п - подкладка
Сварку угольным электродом обычно выполняют только в нижнем положении. При ручной сварке дуга возбуждается каса нием электродом кромок, электрод перемещают с короткими по перечными колебаниями. При автоматической сварке дугу возбу ждают замыканием дугового промежутка угольным или графито вым стержнем. Электрод перемещается без поперечных колеба ний. Вылет электрода из держателя обычно не превышает 75 мм. Для стабилизации дуги применяют пасты или порошки, содержа щие легкоионизирующиеся компоненты, наносимые на кромки. В некоторых случаях для улучшения качества швов можно исполь зовать флюсы, по составу такие же, как и при газовой сварке. Ве личину сварочного тока (А) для угольных и графитовых электро дов выбирают в зависимости от диаметра электрода.
Диаметр электрода, мм |
3 |
5 |
6,5 |
10 |
16 |
Для угольного |
15-30 |
25-55 |
50-85 |
100-150 |
160-200 |
Для графитового |
15-35 |
25-60 |
50-90 |
110-165 |
170-250 |
Сварку угольной дугой обычно выполняют без защиты зоны сварки от атмосферного воздуха. Однако в некоторых случаях можно применять углекислый газ или флюс. Угольной дугой кос венного действия сваривают значительно реже. Для ее питания используют переменный ток. Проплавление свариваемых кромок зависит от силы тока дуги, скорости ее перемещения, а также ее расстояния (положения) от кромок. Зависимость силы тока от диаметра электрода для угольной дуги косвенного действия сле дующая:
Диаметр электрода, мм |
6,5 |
8 |
10 |
Сила сварочного тока, А |
20-50 |
30-70 |
40-90 |
4. ДУГОВАЯ СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ
Широкое применение этого способа в промышленности при производстве конструкций из сталей, цветных металлов и спла вов объясняется высокой производительностью процесса и высо ким качеством и стабильностью свойств сварного соединения, улучшенными условиями работы, более низким, чем при ручной сварке, расходом сварочных материалов и электроэнергии. К не достаткам способа относится возможность сварки только в ниж нем положении ввиду возможного стекания расплавленных флю са и металла при отклонении плоскости шва от горизонтали более чем на 10-15°.
Сущность способа. Наиболее широко распространен про цесс при использовании одйого электрода - однодуговая сварка. Сварочная дуга горит между голой электродной проволокой (1) и изделием, находящимся под слоем флюса (3) (рис. 26). В рас плавленном флюсе (5) газами и парами флюса и расплавленного металла образуется полость - газовый пузырь (4), в котором су ществует сварочная дуга. Давление газов в газовом пузыре со ставляет 7-9 г/см2, но в сочетании с механическим давлением, создаваемым дугой, его достаточно для оттеснения жидкого ме талла из-под дуги, что улучшает теплопередачу от нее к основ ному металлу. Повышение силы сварочного тока увеличивает механическое давление дуги и глубину проплавления основного металла Нпр.
7 |
5 |
6 |
Рис. 26. Сварка под флюсом
Кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны
(7) приводит к образованию сварного шва (6). Затвердевший флюс образует шлаковую корку на поверхности шва. Расплав
ленный флюс, образуя пузырь и покрывая поверхность сварочной ванны, эффективно защищает расплавленный металл от взаимо действий с воздухом. Металлургические взаимодействия между расплавленным металлом и шлаком способствуют получению металла шва с требуемым химическим составом.
В отличие от ручкой дуговой сварки металлическим элек тродом при сварке под флюсом, так же как и при сварке плавя щимся электродом в защитных газах, токоподвод к электродной проволоке (2) осуществляется на небольшом расстоянии (вылет электрода) от дуги (до 70 мм). Это позволяет без перегрева элек трода использовать повышенные сварочные токи (до 2000 А). Плотность сварочного тока достигает 200-250 А/мм2, в то время как при ручной дуговой сварке не превышает 15 А/мм2. В резуль тате повышается глубина проплавления основного металла и ско рость расплавления электродной проволоки, т.е. достигается вы сокая производительность процесса.
Сварку под флюсом можно осуществлять переменным и по стоянным током. Подача электродной проволоки в дугу и пере мещение ее осуществляется специальными механизмами.
Рис. 27. Схемы образования шва при сварке:
а—сдвоенным электродом; б - двухдуговой;
в- трехфазной дуговой
Существуют разновидности сварки под флюсом, когда в не которых случаях целесообразно применение двухдуговой или многодуговой сварки. При этом дуги питаются от одного источ
ника или от отдельного источника для каждой дуги. При сварке сдвоенным (расщепленным) электродом (рис. 27, а) дуги, горя щие в общую ванну, питаются от одного источника. Это несколь ко повышает производительность сварки за счет повышения ко личества расплавленного электродного металла. Электроды по отношению к направлению сварки могут быть расположены по следовательно или перпендикулярно. При последовательном рас положении глубина проплавления шва несколько увеличивается, а при перпендикулярном - уменьшается (рис. 31,6). Второй вари ант расположения электродов позволяет выполнять сварку при повышенных зазорах между кромками. Изменяя расстояние ме жду электродами, можно регулировать форму и размеры шва. Удобно применение этого способа при наплавочных работах. Однако недостатком способа является некоторая нестабильность горения дуги.
При двухдуговой сварке (рис. 27, б) используют два элек трода (при многодуговой - несколько). Дуги могут гореть в об щую или раздельные сварочные ванны (когда металл шва после первой дуги уже полностью закристаллизовался). При горении дуги в раздельные сварочные ванны оба электрода обычно пер пендикулярны плоскости изделия. Изменяя расстояние между ду гами, можно регулировать термический цикл сварки, что важно при сварке закаливающихся сталей.
Эта схема позволяет вести сварку на высоких скоростях, в то время как применение повышенного тока при однодуговой сварке приводит к несплавлениям - подрезам по кромкам шва. При двух дуговой сварке вторая дуга, горящая в отдельную ванну, электро дом, наклоненным углом вперед (угол а = 45-^60°), частично пере плавляет шов, образованный первой дугой, и образует уширенный валик без подрезов (рис. 14, б). Для питания дуг с целью умень шения магнитного дутья лучше использовать разнородный ток (для одной дуги - переменный, для другой - постоянный).
При сварке на переменном токе по схеме на рис. 27, в, возни кает трехфазная дуга: одна дуга горит между электродами (неза висимая дуга) и две другие - между каждым электродом и издели ем. Все дуги горят в одном плавильном пространстве. Регулируя ток в каждой дуге, можно изменять количество расплавляемого электродного металла или проплавление основного металла. В первом случае способ удобен при наплавочных работах и для
сварки швов, требующих большого количества наплавленного ме талла. Недостаток способа - необходимость точного согласования скоростей подачи электродов. Сварку сдвоенным электродом, двумя и большим числом электродов выполняют на автоматах.
Влияние параметров режима сварки на форму и разме ры шва. Форма и размеры шва зависят от многих параметров режима сварки: величины сварочного тока, напряжения дуги, диаметра электродной проволоки, скорости сварки и др. Такие параметры, как наклон электрода или изделия, величина вылета электрода, грануляция флюса, род тока и полярность и т.п. ока зывают меньшее влияние на форму и размеры шва.
Необходимое условие сварки - поддержание дуги. Для этого скорость подачи электрода должна соответствовать скорости его плавления теплотой дуги. С увеличением силы сварочного тока скорость подачи электрода должна увеличиваться (рис. 28). Элек тродные проволоки меньшего диаметра при равной силе свароч ного тока следует подавать с большей скоростью. Условно это можно представить как расплавление одинакового количества электродного металла при равном количестве теплоты, выделяе мой в дуге (в действительности количество расплавляемого элек тродного металла несколько увеличивается с ростом плотности сварочного тока). При некотором уменьшении скорости подачи длина дуги и ее напряжение увеличиваются. В результате умень шаются доля теплоты, идущая на расплавление электрода, и ко личество расплавляемого электродного металла.
Влияние параметров режима на форму и размеры шва обычно рассматривают при изменении одного из них и сохране нии остальных постоянными. Приводимые ниже закономерности относятся к случаю наплавки на пластину, когда глубина про плавления не превышает 0,7 ее толщины (при большей глубине проплавления ухудшение теплоотвода от нижней части свароч ной ванны резко увеличивает глубину проплавления и изменяет форму и размеры шва).
С увеличением силы сварочного тока (рис. 29, а) глубина проплавления возрастает почти линейно до некоторой величины. Это объясняется ростом давления дуги на поверхность сварочной ванны, которым оттесняется расплавленный металл из-под дуги (улучшаются условия теплопередачи от дуги к основному метал лу), и увеличением погонной энергии. Ввиду того, что повышает
ся количество расплавляемого электродного металла, увеличива ется и высота усиления шва. Ширина шва возрастает незначи тельно, так как дуга заглубляется в основной металл (находится ниже плоскости основного металла).
Увеличение плотности сварочного тока (уменьшение диа метра электрода при постоянном токе) позволяет резко увеличить глубину проплавления (табл. 1 и рис. 30, а). Это объясняется уменьшением подвижности дуги. Ширина шва при этом умень шается. Путем уменьшения диаметра электродной проволоки можно получить шов с требуемой глубиной проплавления в слу чае, если величина максимального сварочного тока, обеспечи ваемая источником питания дуги, ограничена. Однако при этом уменьшается коэффициент формы провара шва (у = е/Н) и интен сифицируется зональная ликвация в металле шва (рис. 30), рас полагающаяся в его рабочем сечении. Род и полярность тока ока зывают значительное влияние на форму и размеры шва, что объ ясняется различным количеством теплоты, выделяющимся на ка тоде и аноде дуги.
При сварке на постоянном токе прямой полярности глубина проплавления на 40-50%, а на переменном - на 15-20% меньше, чем при сварке на постоянном токе обратной полярности.
Vnod м/ч
120
100
80
60
40
20
600 800 1000 1200 1400 /<*4
Рис. 28. Зависимость скорости подачи электродной проволоки от величины сварочного тока при различных диаметрах электродной
проволоки и напряжениях дуги: I - 30-32 В; 2 - 50-52 В