Сварка. Понятие, сущность процесса

По  типу дуги различают дугу прямого  действия (зависимую дугу) и дугу косвенного действия (независимую дугу). В первом случае дуга горит между  электродом и основным металлом, который  также является частью сварочной  цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и  на электродах; во втором дуга горит  между двумя электродами. Основной металл не является частью сварочной  цепи и расплавляется преимущественно  за счёт теплоотдачи от газов столба дуги. В этом случае питание дуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительное применение из-за малого коэффициента полезного  действия дуги (отношение полезно  используемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

По  свойствам электрода различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся (угольным, графитовым и вольфрамовым). Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше - многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание - сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0, 7-0, 9.

По  условиям наблюдения за процессом горения  дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую дугу. При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла - светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе - шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу. По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают следующие способы сварки: без защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми электродами), газовой защитой (в среде газов) с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс). Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки. Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва. Наибольшее применение имеют средне - и толстопокрытые электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах. Применяются также магнитные покрытия, которые наносятся на проволоку в процессе сварки за счёт электромагнитных сил, возникающих между находящейся под током электродной проволокой и ферромагнитным порошком, находящемся в бункере, через который проходит электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке. Иногда это ещё сопровождается дополнительной подачей защитного газа. 
  

4. Ручная дуговая сварка и оборудование для неё.

Наибольший  объём среди других видов сварки занимает ручная дуговая сварка сварка плавлением штучными электродами, при которой подача электрода и перемещение дуги производится вручную. Схема процесса показана на рис. 3 вдоль свариваемых кромок

Рис. 3. Ручная дуговая сварка металлическим  электродом с покрытием

Дуга  горит между стержнем электрода и основным металлом. Под действием теплоты дуги электрод и основной металл плавятся, образуя металлическую сварочную ванну. Капли жидкого металла с расплавляемого электродного стержня переносятся в ванну через дуговой промежуток. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защиту вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла.

Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги металл сварочной ванны затвердевает и образует сварной шов. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твёрдую шлаковую корку, которая удаляется после остывания шва. Для обеспечения заданного состава и свойств шва сварку выполняют покрытыми электродами, к которым предъявляют специальные требования (стальные покрытые электроды для ручной дуговой сварки и наплавки изготовляют в соответствии с ГОСТ 9467-75). Сварочный пост для ручной дуговой сварки оснащается источником питания, токоподводом, необходимыми инструментами, принадлежностями и приспособлениями. Сварочные посты могут быть стационарными и передвижными. К стационарным относят посты, расположенные в цехе, преимущественно в отдельных сварочных кабинах, в которых сваривают изделия небольших размеров. Передвижные сварочные посты, как правило, применяют при монтаже крупногабаритных изделий (трубопроводов, металлоконструкций, и т. д. ) и ремонтных работах. При этом часто используют переносные источники питания. В зависимости от свариваемых материалов и применяемых электродов для ручной дуговой сварки применяют источники переменного или постоянного тока с крутопадающей характеристикой. Основным рабочим инструментом сварщика при ручной сварке служит электрододержатель, который предназначен для зажима электрода и провода сварочного тока. Применяют электрододержатели пружинного, пластинчатого и винтового типов.

Согласно  ГОСТ 14651-78 электрододержатели выпускаю трёх типов в зависимости от силы сварочного тока: 1 типа - для тока 125 А; 2- 125-315 А; 3-315-500 А. Для подвода тока от источника питания к электрододержателю и изделию используют сварочные провода. Сечения проводов выбирают по установленным нормативам для электротехнических установок (5-7 А/мм^2).

К вспомогательным инструментам для  ручной сварки относятся: стальные проволочные  щётки для зачистки кромок перед  сваркой и для удаления с поверхности  швов остатков шлака, молоток-шлакоотделитель для удаления шлаковой корки, особенно с угловых и корневых швов в глубокой разделке, зубило, набор шаблонов для проверки размеров швов, стальное клеймо для клеймения швов, метр, стальная линейка, отвес, угольник, чертилка, мел, а также ящик для хранения и переноски инструмента. 
 
    

5. Технология ручной дуговой сварки. 

Выбор режима.

Под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки. Параметры режима сварки подразделяют на основные и дополнительные. К основным параметрам режима ручной сварки относят диаметр электрода, величину, род и полярность тока, напряжение на дуге, скорость сварки. К дополнительным относят величину вылета электрода, состав и толщину покрытий электрода, положение электрода и положение изделия при сварке.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве. Сила тока в основном зависит от диаметра электрода, но также от длины его рабочей части, состава покрытия, положения сварки. Чем больше ток, тем больше производительность, т. е. большее количество наплавленного металла: G=aнIсвt, где G- количество наплавленного металла, г; aн- коэффициент наплавки, г/(А•ч); Iсв- сварочный ток, А; t-время, ч.

Однако  при чрезмерном токе для данного  диаметра электрода электрод быстро перегревается выше допустимого  предела. Что приводит к снижению качества шва и повышенному разбрызгиванию. При недостаточном токе дуга неустойчива, часто обрывается, в шве могут  быть непровары. Величину тока можно определить по следующим формулам: при сварке конструкционных сталей для электродов диаметром 3-6 ммIд=(20+6dэ)dэ; для электродов диаметром менее 3 мм Iд=30dэ, где dэ диаметр электрода, мм. Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10- 20 % ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение дуги изменяется в сравнительно узких пределах-16-30 В. 
 
    

Техника сварки.

Дуга  может возбуждаться двумя приёмами: касанием впритык и отводом перпендикулярно  вверх или “чирканьем” электродом как спичкой. Второй способ удобнее. Но неприемлем в узких и неудобных местах.

В процессе сварки необходимо поддерживать определённую длину дуги, которая  зависит от марки и диаметра электрода. Ориентировочно нормальная длина дуги должна быть в пределах Lд= (0, 5-1, 1)dэ, где Lд - длина дуги, мм; dэ - диаметр электрода, мм.

Длина дуги оказывает существенное влияние  на качество сварного шва и его  геометрическую форму. Длинная дуга способствует более интенсивному окислению  и азотированию расплавляемого металла, увеличивает разбрызгивание, а при  сварке электродами основного типа приводит к пористости металла. В процессе сварки электроду сообщается движение в трёх направлениях. Первое движение - поступательное, по направлению оси электрода. Этим движением поддерживается постоянная (в известных пределах) длина дуги в зависимости от скорости плавления электрода. Второе движение-перемещение электрода вдоль оси валика образования шва. Скорость этого движения устанавливается в зависимости от тока, диаметра электрода, скорости его плавления, вида шва и других факторов. При отсутствии поперечных движений электрода получается так называемый ниточный валик, на 2-3 мм больший диаметра электрода, или узкий шов шириной еЈ1, 5dэ. Третье движение - перемещение электрода поперёк шва для получения шва шире, чем ниточный валик, так называемого уширенного валика.

Рис. 5. Траектория движения конца электрода  при ручной дуговой сварке. 
 
    Поперечные колебательные движения конца электрода определяются формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого материала, навыком сварщика. Для широких швов, получаемых с поперечными колебаниями, e=(1, 55) dэ. Для повышения работоспособности сварных конструкций, уменьшения внутренних напряжений и деформаций большое значение имеет порядок заполнения швов. Под порядком заполнения швов понимается как порядок заполнения разделки шва по поперечному сечению, так и последовательность сварки по длине шва. По протяжённости все швы условно можно разделить на три группы: короткие - до 300 мм, средние-300-1000, длинные - свыше 1000 мм. В зависимости от протяженности шва, материала, требований к точности и качеству сварных соединений сварка таких швов может выполняться различно рис 6: Короткие швы выполняют на проход - от начала шва до его конца. Швы средней длины варят от середины к концам или обратно ступенчатым методом. Швы большой длины выполняют двумя способами: от середины к краям (обратноступенчатым способом) и вразброс. При обратноступенчатом методе весь шов разбивается на небольшие участки длиной по150-200 мм, на каждом участке сварку ведут в направлении, обратном общему направлению сварки. Длина участков обычно равна от 100 до 350 мм. В зависимости от количества проходов (слоёв), необходимых для выполнения проектного сечения шва, различают однопроходный (однослойный) и многопроходный (многослойный) швы. С точки зрения производительности наиболее целесообразными являются однопроходные швы, которые обычно применяются при сварке металла небольших толщин (до 8-10 мм. ) с предварительной разделкой кромок. Сварку соединений ответственных конструкций большой толщины (свыше 20-25 мм. ), когда появляются объёмные напряжения и возрастает опасность образования трещин, выполняют с применением специальных приёмов заполнения швов “горкой” или “каскадным” методом. При сварке “горкой” сначала в разделку кромок наплавляют первый слой небольшой длины 200-300 мм, затем второй слой, перекрывающий первый и имеющий в 2 раза большую длину. Третий слой перекрывает второй и длиннее его на 200-300 мм. Так наплавляют слои до тех пор, пока на небольшом участке над первым слоем разделка не будет заполнена. Затем от этой “горки” сварку ведут в разные стороны короткими швами тем же способом. Таким образом, зона сварки всё время находится в горячем состоянии, что позволяет предупредить появление трещин. “Каскадный” метод является разновидностью горки.

Соединения  под сварку собирают в приспособлениях, чаще всего с прихватками. Сечение  прихваточного шва составляет примерно 1/3 от сечения основного шва, длина его 30-50 мм. Угловые швы сваривают “в угол” или “в лодочку” (рис. 6)

Рис. 6. Положение электрода и изделия при выполнении угловых швов: а – сварка в симметричную “лодочку”, б – в несимметричную “лодочку”, в – “в угол” наклонным электродом, г - с оплавлением кромок.

При сварке “в угол” проще сборка, допускается большой зазор между  свариваемыми деталями (до 3 мм), но сложнее  техника сварки, возможны дефекты  типа подрезов и наплывов, меньше производительность, так как приходится за один проход сваривать швы небольшого сечения (катет <8 мм) и применять многослойную сварку. Сварка “в лодочку более  производительна, допускает большие  катеты шва за один проход, но требует  более тщательной сборки. Обеспечение нормативных требований по технологии и технике сварки - основное условие получения качественных сварных швов. Отклонения размеров и формы сварного шва от проектных чаще всего наблюдаются в угловых швах и связаны с нарушением режимов сварки, неправильной подготовкой кромок под сварку, неравномерной скоростью сварки, а также с несвоевременным контрольным обмером шва. Непроваром называют местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между металлом шва и основным металлом или отдельными слоями шва при многослойной сварке. Непровар уменьшает сечение шва и вызывает концентрацию напряжений, поэтому может значительно снизить прочность конструкции. Участки шва, где выявлены непровары, величина которых превосходит допустимую, подлежат удалению и последующей заварке. Непровар в корне шва в основном вызывается недостаточной силой тока или повышенной скоростью сварки, непровар кромки (несплавление кромки)- смещением электрода с оси стыка, а также блужданием дуги, непровар между слоями - плохой очисткой предыдущих слоёв, большим объёмом наплавляемого металла, натеканием расплавленного металла перед дугой. Подрезом называют местное уменьшение толщины основного металла у границы шва. Подрез приводит к уменьшению сечения металла и резкой концентрации напряжений в тех случаях, когда он расположен перпендикулярно действующим рабочим напряжениям. Наплывом называют натекание металла шва поверхность основного металла без сплавления с ним. Прожогом называют полость в шве, образовавшуюся в результате вытекания сварочной ванны, является недопустимым дефектом сварного соединения. Кратером называют незаваренное углубление, образующееся после обрыва дуги в конце шва. В кратере, как правило, образуются усадочные рыхлости, часто переходящие в трещины. Ожогами называют небольшие участки подвергшегося расплавлению металла на основном металле вне сварного шва. Подрезы, натёки, наплывы, прожоги, незаваренные кратеры, оставшиеся после сварки шлак и брызги, оплавление кромок (в угловых швах) вызываются преимущественно чрезмерной силой тока и напряжения на дуге, большим диаметром электродов, неправильными манипуляциями электродом, плохой сборкой под сварку низкой квалификацией или небрежностью сварщика.