Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -221-

Дроссель предназначен для получения падающей внешней характе-

ристики. По сравнению с генераторами выпрямители имеют ряд преиму-

ществ: они обеспечивают высокую стабильность горения дуги (особенно на

малых токах), имеют более высокие динамические характеристики

(благодаря меньшей электромагнитной индукции), более высокий КПД,

меньшие потери при холостом ходе и более высокие пределы регулирования

сварочного тока, просты и надежны в эксплуат

ации (вследствие отсутствия

вращающихся частей), при работе не создают шума.

Плавящийся

электрод представляет собой металлический стержень с

нанесенным на его поверхность слоем специального покрытия (обмазки).

Длина металлического стального стержня в зависимости от его

диаметра может составлять 250–450 мм.

Свойства электрода определяются химическим составом электродного

стержня и покрытия. Химический состав электродной стальной проволоки,

из которой изготовляют электродные стержни, выбирают в соответствии с

химическим составом и свойствами металл

а свариваемого изделия по ГОСТ

2246–70.

В зависимости от химического состава проволоку разделяют на низко-

углеродистую, легированную и высоколегированную. Всего в ГОСТ включе-

но 77 марок проволоки диаметром 0,3–12 мм. Обозначение марок электрод-

ной проволоки состоит из букв и цифр, например Св-08 или Св-30ХГСА.

Первые две буквы «Св» указывают на назначение проволоки – сварочная, а

следующие за буквами две цифр

ы и буквы с цифрами аналогичны

обозначениям, принятым для машиностроительных сталей.

По толщине покрытия электроды бывают с тонкими и толстыми

покрытиями. Тонкие покрытия для ручной электродуговой сварки (РЭДС)

являются стабилизирующими, они состоят из мела и жидкого стекла.

Находящийся в составе мела кальций выделяется в плазме дуги и ионизирует

ее, тем самым способствует устойчивости горения дуги.

Средние и толстые покрытия обеспечи

вают устойчивость горения дуги,

а также защиту и легирование металла. В их состав входят следующие

компоненты:

стабилизирующие ионизируют газовый промежуток между электрода-

ми и повышают устойчивость горения дуги;

шлакообразующие образуют шлак, который защищает металл от досту-

па воздуха и удаляют примеси из жидкого металла;

газообразующие при горении образуют газ, который защищает дугу и

расплавленный металл от доступа воздуха;

раскисляющие связывают кислород и удаляют его из сварного шва;

легирующие переходят в металл шва и обеспечивают требуемый его

состав;

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -222-

связующие скрепляют все компоненты покрытия на поверхности

электрода.

Состав электродного покрытия устанавливают в соответствии с хими-

ческим составом металлов электродного стержня и изделия. Электроды для

сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей классифици-

руют по механическим характеристикам. Эта группа содержит 15 типов

электродов – с Э38 по Э150. Здесь буква «Э» – электрод для дуговой сварки,

а следующ

ая за буквой цифра показывает минимально гарантируемый

предел прочности металла шва (10

−1

МПа). К одному типу электрода могут

быть отнесены одна или несколько марок электродов.

Электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей

классифицируют по механическим характеристикам металла шва и сварного

соединения, а также по химическому составу металла шва.

Требования, предъявляемые к электродам для сварки высоколегиро-

ванных сталей с особыми свойствами, учитывают: свойства наплавленного

металла, химический состав, механические сво

йства, структуру и стойкость

против межкристаллитной коррозии.

Сварка под флюсом.

Схема автоматической дуговой сварки под

флюсом представлена на рис. 7.11

Для сварки под слоем флюса используют непокрытую электродную

проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Рис. 7.11. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

св

Механизированная

подача

Механизированное

перемещение

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -223-

Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Авто-

матизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга

горит между проволокой

и основным металлом

. Столб дуги и металли-

ческая ванна жидкого металла

со всех сторон плотно закрыты слоем флюса

толщиной 30–50 мм. Часть флюса плавится, и образуется жидкий шлак

защищающий жидкий металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при

ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода метал-

лическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва

покрытого твердой шлаковой коркой

. Проволоку подают в дугу с помощью

механизма подачи

. Ток к электроду подводят через токопровод

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного

металла. Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с

ручной: повышение производительности процесса сварки в 5–20 раз,

повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м

сварного шва.

Флюсы.

Применяемые флюсы различают по назначению.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей

предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и крем-

нием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые

получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового

шпата в электропечах.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей долж-

ны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для

этого применяют керамические низко

кремнистые, бескремнистые и фторид-

ные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов

путем их замеса на жидком стекле, гранулирования и последующего прока-

ливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый

шпат и хлориды щелочно-земельных металлов.

Электродуговая сварка в защитных газах.

При такой сварке

электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа:

инертного (аргон, гелий) или активного (углекислый газ, азот, водород).

Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящим-

ся электродами (рис. 7.12

). В качестве неплавящегося электрода применяется

пруток вольфрама, а в качестве плавящегося – проволока из основного

металла или близкого ему по химическому составу.

Область применения аргонодуговой сварки охватывает широкий круг

материалов и изделий: узлы летательных аппаратов, элементы атомных

установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов. Аргонодуговую

сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных

(алюминий, магний, медь) и тугоплавких (титан, ниобий, ванадий, цирконий)

мет

аллов и их сплавов.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -224-

а б

Рис. 7.12. Схема сварки в защитных газах: а – неплавящимся электродом;

б – плавящимся электродом

Электродуговая сварка в углекислом газе выполняется только плавя-

щимся электродом. Защита сварочной ванны осуществляется углекислым

газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому

металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород,

который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие

кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного

количества раскислителей. Для св

арки углеродистых и низколегированных

сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием

кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при

использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегиро-

ванных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т. п.). При сварке

меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободн

ый

кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекис-

лого газа и высокая производительность. Основной недостаток – разбрызги-

вание металла (на зачистку расходуется 30–40 % времени сварки).

Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой

направленный поток частиц ионизированного газа, имеющего температуру

000–20

000 °С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через

столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов применяют азот,

аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную

струю, выделенную из столба косвенной дуги, и плазменную дугу, в которой

дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.

−

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -225-

Плазменная струя

представляет собой независимый источник теплоты,

позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину

проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи

ограничена, и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов

и неэлектропроводящих материалов, для напыления тугоплавких материалов.

Плазменная дуга

обладает большой тепловой мощностью, имеет более

широкое применение: для сварки высоколегированной стали, сплавов титана,

никеля, молибдена, вольфрама. Плазменную дугу применяют для резки мате-

риалов (меди, алюминия), наплавки тугоплавких материалов на поверхность.

Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без

разделки кромок и применения присадочного материала. Так как плазменная

дуга обладает высокой ст

абильностью, то обеспечивается повышенное

качество сварных швов. Это позволяет выполнять микроплазменную сварку

металла толщиной 0,025–0,8 мм.

Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок.

Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию,

необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает

теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее

тока (рис. 7.13

Рис. 7.13. Схема электрошлаковой сварки

Свариваемые заготовки

устанавливают в вертикальном положении. В

замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -226-

вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают

электродную проволоку

при помощи специального механизма подачи

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется

электропроводный шлак

. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь

источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак,

разогревает его, это приводит к расплавлению кромок основного металла и

электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну

, выжимая

шлак вверх, и затвердевает.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале

шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметалли-

ческие включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных

планках

, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества способа: возможна сварка металла любой толщины

(начиная с 16 мм). Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним

электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка. При

толщине заготовки более 150 мм используют несколько проволок. Есть опыт

сварки металла толщиной до 2 м.

Недостаток способа – образование крупного зерна в шве и окол

ошовной

зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение

термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машинострое-

нии для изготовления ковано-сварных и литосварных конструкций: это

станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых

дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п.

Электронно-лучевая сварка.

Сущность процесса состоит в том, что

свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и

подают на них электронный луч – пучок электронов, движущихся с боль-шой

скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кине-

тическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Тем-

пература в месте соударения достигает 5000–6000 °С. Перемещ

ая электрон-

ный луч вдоль стыка, получают сварной шов.

Схема установки для электронно-лучевой сварки представлена на

рис. 7.14

. Электроны, испускаемые катодом

электронной пушки, формиру-

ются в пучок электродом

, расположенным непосредственно за катодом,

ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом

составляющей 20–150 кВ и выше, затем с помощью линз

фокусируются в

виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой

на обрабатываемое изделие

. На формирующий электрод

подается отри-

цательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой

достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча

невелик – от нескольких миллиампер до единиц ампер.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -227-

Процессу электронно-лучевой сварки присущи две характерные

особенности:

•

сварка протекает в вакууме, что обеспечивает получение зеркально

чистой поверхности и дегазацию расплавленного металла;

•

интенсивность нагрева очень велика, что обеспечивает быстрое

плавление и затвердевание металла. Шов получается мелкозернистый с

высокими механическими свойствами, с минимальной шириной, что

позволяет сваривать сплавы, чувствительные к нагреву.

Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких,

химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых,

молибденовых, ниобиевых, циркониевых), а также алюминиевых и титано-

вых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы мо

жно сва-

ривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью

толщин, температур плавления. Минимальная толщина свариваемых

заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

Лазерная сварка

– способ сварки плавлением, при котором металл

нагревают излучением лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое

излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-

излучателя. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных пере-

ходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические

уровни.

Рис. 7.14. Схема установки для электронно-лучевой сварки

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются

мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения

обрабатываемого материала относительно луча.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -228-

Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев

металла до его температуры плавления. Интенсивный сосредоточенный

нагрев обусловливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после

прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину

околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизмы процессов при лазерной и электронно-лучевой сварке

схожи, но при лазерной сварке не обязательно вакуумировать изделие.

Лазером сваривают преимуществ

енно металлы толщиной до 1 мм, так

как коэффициент полезного действия преобразования энергии в лазерное

излучение довольно низкий.

При газовой сварке, схема которой представлена на рис. 7.15

, заготовки

и присадочный материал

в виде прутка или проволоки расплавляют

высокотемпературным пламенем

газовой горелки

Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере

технически чистого кислорода. Мощность пламени регулируют сменой

наконечников горелки.

Рис. 7.15. Схема газовой сварки

Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой свар-

ке, поэтому газовую сварку применяют для сварки: металла малой толщины

(0,2–5 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов,

требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали,

латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При

увеличении толщины металла снижается производительность и увеличива-

ется дефо

рмация.

В качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен С

водород Н

, природный газ (содержащий примерно 94 % СН

,) нефтегаз,

пары бензина и керосина. В сварочном производстве обычно применяют

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -229-

ацетилен: при горении в технически чистом кислороде он дает наиболее

высокую температуру пламени (3150 °С) и выделяет наибольшее количество

тепла (11470 ккал/м

). Ацетилен легче воздуха и кислорода. При содержании

в воздухе 2,8–80 % С

образуется взрывчатая смесь. Воспламеняется аце-

тилен при 420 °С, становится взрывоопасным при сжатии свыше 0,18 МПа, а

также при длительном соприкосновении с медью и серебром.

Ацетилен получают из карбида кальция при взаимодействии послед-

него с водой. Реакция протекает с выделением значительного количества

тепла:

СаС

+ 2Н

О = С

+ Са(ОН)

Ацетилен для сварки поступает из генератора, в котором его получают,

или из металлических баллонов. В баллонах ацетилен находится в смеси с

ацетоном под давлением 1,5−1,6 МПа. Для безопасности баллон с ацетиле-

ном заполняют древесным углем, создающим систему капиллярных сосудов.

Технический кислород (98,5–99,5 %) поступает к сварочным постам по

трубопроводам под давлением 0,5−1,6 МПа или из баллонов под давлением

до 15 МПа. Для понижения давления кислорода на выходе из баллона и

поддержания давления постоянным при работе применяют газовые

редукторы: они снижают давление с 15 до 0,1 МПа. Ацетиленовые редукторы

снижают давление с 1,6 до 0,02 МПа.

Из редукторов баллонов кислород и горючий газ раздельно поступают

в сварочную горелку, которая предназначена для правильного смешения

кислорода с горючим газом, подачи горючей смеси к месту сварки и создания

концентрированного пламени требуемой мощности.

Горелки по принципу действия разделяют на инжекторные (всасыва-

ющие) низкого давления газа и безынжекторные среднего и высокого

давления. Различают одно- и многопламенные горелки.

Рис. 7.16. Схемы газовых горелок: а – инжекторной; б – безынжекторной

Кислород к инжектору (рис. 7.16, а) поступает через вентиль по шлангу

под рабочим давлением 0,1–0,5 МПа. Вытекая с большой скоростью из

инжектора в смесительную камеру, струя кислорода создает разрежение,

обеспечивающее подсос ацетилена. Ацетилен под низким давлением (0,001–

0,05 МПа) поступает по шлангу, а затем через корпус горелки – в

смесительную камеру, где смешивается с кислородом. Полученная горючая

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК

7.2. Сварка плавлением и резка металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -230-

смесь поступает в мундштук. По выходе из него смесь сгорает, образуя

сварочное пламя.

Безынжекторная горелка (рис. 7.16, б) работает при давлении ацетилена

более 0,05 МПа и кислорода до 0,5 МПа.

При зажигании горелки сначала на четверть оборота открывают вен-

тиль кислорода, затем открывают вентиль ацетилена и поджигают выходя-

щую из наконечника газовую смесь.

Строение, температура и влияние сварочного пламени на расплавлен-

ный металл зависят от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси.

Горение ацетилена может быть представлено следующей реакцией,

протекающей в две стадии:

+ 2,5О

= 2СО

+ Н

пар

В первой стадии в горелку подают один объем ацетилена и один объем

кислорода (С

+ О

= 2СО + Н

Во второй стадии за счет кислорода окружающего воздуха протекает

реакция

2СО + Н

+ 1,5О

= 2СО

+ Н

В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена в исходной

горючей смеси различают три вида кислородно-ацетиленового пламени:

• нейтральное, или нормальное восстановительное, пламя при соот-

ношении О

: С

= 1

1,2. Таким пламенем сваривают большинство метал-

лов и сплавов;

• науглероживающее пламя при соотношении О

1, т. е. при

избытке ацетилена. Ядро пламени при этом удлиняется по сравнению с

ядром нормального пламени, пламя теряет резкие очертания. Такое пламя

применяют при сварке чугуна и наплавке быстрорежущих сталей и твердых

сплавов;

• окислительное пламя при соотношении О

1,2, т. е. при из-

бытке кислорода. Пламя при этом приобретает голубоватый оттенок, разме-

ры ядра пламени уменьшаются. Такое пламя применяют при сварке латуней.