Сварка. Часть1. Основные способы сварки: Лабораторный практикум

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра технологии конструкционных материалов и метрологии

В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО, С. А. СТЕПАНОВ, Ю. В. КНЫШЕВ

СВАРКА Часть I ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ Учебное пособие

Санкт-Петербург 2009 1

УДК 621.791.07 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ПГУПС); канд. техн. наук, доцент А. П. Орлов (СПбГАСУ)

Гордиенко, В. Е. Сварка: учеб. пособие: лабораторный практикум / В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев ; СПбГАСУ. – СПб., 2009. Ч. I . Основные способы сварки. – 64 с. ISBN 978-5-9227-0164-8 Приведены указания по выполнению шести лабораторных работ. Описаны процессы, технология и оборудование основных способов сварки, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудования. Предназначено для студентов механических и строительных специальностей. Табл. 10. Ил. 28. Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия

ISBN 978-5-9227-0164-8

© В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, 2009 © Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2009

2

ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящий практикум рассчитан на студентов механических и строительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов». Целью лабораторных работ является изучение процессов, технологии и оборудования основных способов сварки, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудования. Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности. К выполнению лабораторной работы допускаются только подготовленные студенты, предварительно изучившие теоретический материал по учебнику и настоящему практикуму. В ходе выполнения лабораторных работ студенты группами по 4–6 человек под руководством преподавателя или учебного мастера изучают технику и технологию способов сварки, сварочное оборудование и его технико-экономические возможности, а также самостоятельно проводят экспериментальные исследования и (по возможности) выполняют сварочные операции. По окончании лабораторной работы каждый студент индивидуально оформляет отчет о проделанной работе, который должен содержать исчерпывающие текстовые и графические ответы на поставленные вопросы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя.

3

Лабораторная работа № 1 РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА Цель лабораторной работы – изучение сущности процессов сварочного оборудования, техники и технологии ручной дуговой сварки. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить сущность ручной сварки, оценить роль и влияние покрытия электродов на качество сварного шва; 2) изучить сварочное оборудование постоянного и переменного тока; 3) освоить методику определения основных сварочно-технологических характеристик плавящихся электродов и оценить производительность сварки различными электродами; 4) ознакомиться с техникой и технологией ручной дуговой сварки. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – посты для ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токе, однопостовые сварочные трансформаторы, электромеханические преобразователи (генераторы), выпрямители, макеты аппаратов, защитные маски со светофильтрами, керн, молоток, зубило, линейка металлическая, цифровые маркеры, весы, секундомер; материалы – электроды различных марок диаметром 3…5 мм, пластины из низкоуглеродистой стали Ст3сп размером 4 25 100 мм; плакаты – схемы сварочных постов, устройства сварочных аппаратов, типов сварных швов и соединений, техника ручной дуговой сварки; справочная литература – справочники, ГОСТы. 1. Сущность ручной дуговой сварки. Исследование влияния покрытия электродов на качество сварного шва Для ручной дуговой сварки обычно применяют металлические электроды, состоящие из стержня 8 и покрытия 9 (рис. 1.1). Плавление электрода и свариваемого металла в процессе сварки осуществляется теплотой электрической (сварочной) дуги 7, горящей между электродом и свариваемым металлом 1. Электродный металл в виде капель 10 переходит в жидкую металлическую (сварочную) ванну 4, которая после удаления дуги кристаллизуется, образуя сварной шов 2. 4

Рис. 1.1. Схема процесса ручной дуговой сварки: 1 – основной металл; 2 – сварной шов; 3 – шлаковая корка; 4 – сварочная ванна жидкого металла; 5 – жидкий шлак; 6 – газовая защитная атмосфера; 7 – сварочная дуга; 8 – металлический стержень электрода; 9 – покрытие электрода; 10 – капли расплавленного металла

Образуемая при сварке сварочная дуга является мощным устойчивым электрическим разрядом в газовой среде. Сварочная дуга состоит из трех областей: анодной, катодной и столба дуги. При коротком замыкании электрода с деталью происходит разогрев этого участка. С разогретых участков, в основном с катодной области, начинается эмиссия электронов, которые, сталкиваясь с молекулами газов и атомами паров металла, вызывают их ионизацию. В результате этого дуговой промежуток становится электропроводным и возникает устойчивая сварочная дуга, температура в которой достигает 6000…12 000 °С. Тепловой мощности такой дуги достаточно для плавления металла. 5

Металлические стержни электродов изготавливают из сварочной проволоки диаметром 0,3…12 мм. Длина стержня 250…450 мм. Для сварки сталей ГОСТом предусмотрено 77 марок стальной сварочной проволоки. Покрытие электрода выполняет следующие функции: 1) защищает расплавленный металл сварочной ванны от вредного влияния кислорода, азота и водорода воздуха. Из паров и газов материалов покрытия над жидким металлом образуется локальная газовая атмосфера, которая препятствует контакту жидкого металла с воздухом. Одновременно материал покрытия образует жидкий слой шлака, после затвердевания которого остается легкоотслаивающаяся шлаковая корка; 2) легирует, т. е. вводит в металл шва химические элементы (кремний, марганец и др.), чтобы придать ему необходимые свойства (прочность, твердость и т. д.); 3) раскисляет расплавленный металл сварочной ванны, удаляет кислород из жидкого металла. Окислы металлов, остающиеся в металле шва, снижают его механические свойства; 4) рафинирует расплавленный металл сварочной ванны, т. е. очищает его от серы и фосфора. Повышенное содержание серы и фосфора в металле шва ухудшает его механические свойства; 5) повышает устойчивость горения сварочной дуги (в покрытии содержатся элементы, обладающие низким потенциалом ионизации). Покрытие состоит из порошкообразных материалов, сцементированных клеящим раствором. В покрытие входят стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и другие вещества. Покрытия бывают кислые, основные, рутиловые, целлюлозные и пр. Практическая часть работы раздела состоит в экспериментальном изучении влияния качества газошлаковой защиты сварочной ванны электродными покрытиями на пластичность металла шва и устойчивость горения дуги. Исследование студенты проводят под руководством учебного мастера в следующей последовательности: 1) маркируют три пластины из стали Ст3сп (размер пластин 4 25 100 мм) и производят на них наплавку валиков соответственно голым электродом и электродами с меловым и качественным покрытием; 2) охлаждают пластины и исследуют металл шва (валика) на пластичность путем загиба образцов в тисках с помощью молотка, при этом загиб образцов производится до начала образования трещины в зоне наибольших пластических деформаций растяжения; 6

3) измеряют угол загиба образцов и делают вывод о влиянии качества защиты на пластичность металла сварного шва; 4) визуально оценивают влияние качества покрытия электродов и полярность постоянного тока на устойчивость горения сварочной дуги. 2. Источники питания сварочной дуги постоянным и переменным током Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока, отвечающие определенным требованиям: напряжение холостого хода Ux.x должно быть достаточным для зажигания дуги, но не превышать значений, безопасных для сварщиков; источники питания должны быть снабжены устройством для регулирования сварочного тока в регламентированных пределах; источники питания должны иметь заданную внешнюю характеристику, согласованную со статистической вольт-амперной характеристикой дуги. Внешняя вольт-амперная характеристика источника тока – это зависимость напряжения на его клеммах U от величины сварочного тока I (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Внешние характеристики сварочных источников тока: 1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая

По виду внешней характеристики источники тока подразделяются на источники с крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастающей характеристиками. Некоторые источники при переключении режи7

ма работы могут иметь крутопадающую и жесткую характеристики (универсальные источники тока). В зависимости от количества постов они могут быть однопостовыми и многопостовыми. Источники тока с крутопадающей характеристикой используются при ручной дуговой сварке. Пологопадающую характеристику имеют источники питания автоматов для сварки под флюсом. Источники с жесткой и возрастающей внешними характеристиками работают совместно с полуавтоматами для дуговой сварки в защитном газе. По роду тока источники делятся на две группы: источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные преобразователи и выпрямители). Сварочная дуга, являясь потребителем электрической энергии и преобразователем ее в тепловую, образует с источником тока взаимосвязанную энергетическую систему, работающую в статическом (установившемся) и динамическом (переходном) режимах. Установившийся режим работы системы сварочная дуга – источник тока определяется точкой пересечения внешней вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристики источника тока. При этом следует помнить, что сварочная дуга, являясь газовым проводником тока, не подчиняется закону Ома. В лабораторной работе изучаются однопостовые источники переменного и постоянного тока с крутопадающей характеристикой. Сварочный трансформатор состоит из трансформаторного пакета с первичной (сетевой) и вторичной (сварочной) обмотками (рис. 1.3). В конструкции трансформатора предусмотрено перемещение одной из обмоток относительно другой.

Рис. 1.3. Схема сварочного трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием: W1, W2 – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора 8

Напряжение дуги принимают равным напряжению на клеммах вторичной обмотки трансформатора:

U2

2 U х.х  I 2X 2 ,

Ud

(1.1)

где Ud – напряжение дуги; U x.x – напряжение холостого хода во вторичной обмотке; I – сварочный ток; X – индуктивное сопротивление. Крутопадающая внешняя характеристика трансформатора с увеличенным магнитным расстоянием создается за счет падения напряжения на индуктивном сопротивлении. Так, с возрастанием тока в сварочной цепи произведение I 2 X 2 увеличивается (см. формулу (1.1)), а подкоренное выражение уменьшается – напряжение дуги снижается. Величина сварочного тока определяется из выражения (1.1):

I

2  U d2 U x.x

X

.

(1.2)

Регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения индуктивного сопротивления, значение которого зависит от электрических и геометрических параметров трансформатора: X

=2

(1.3)

; – частота тока; W2 – число витков во вторичной обмотке; – коэффициент магнитного рассеяния; RP – эквивалент магнитного сопротивления потоку рассеяния. Если учесть, что угловая частота постоянна, а эквивалент меняется незначительно, то становится ясно, что индуктивное сопротивление зависит от числа витков во вторичной обмотке трансформатора и коэффициента магнитного рассеяния. Последний находится в прямой зависимости от расстояния между первичной и вторичной обмотками. Таким образом, плавное регулирование сварочного тока в этом типе трансформаторов осуществляется за счет сближения или удаления обмоток трансформатора. Ступенчатую регулировку тока производят переключением числа витков во вторичной обмотке трансформатора. где

– угловая частота тока;

ZW2 2V , RP

9

Сварочный преобразователь состоит из двигателя переменного трехфазного тока и генератора постоянного тока (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема сварочного преобразователя постоянного тока: Д – трехфазный двигатель; Г – генератор постоянного тока; В – выпрямитель; R – регулировочный реостат

Крутопадающая внешняя характеристика сварочного преобразователя обеспечивается за счет взаимодействия магнитных потоков обмоток независимого и последовательного возбуждения генератора. Названные обмотки включены таким образом, что создаваемые ими магнитные потоки направлены встречно. Поэтому напряжение дуги (на клеммах генератора) будет изменяться в зависимости от алгебраической суммы магнитных потоков независимого Фн и последовательного возбуждения Фс. В результате при увеличении тока магнитный поток Фс возрастает, а разность Фн – Фс уменьшается, напряжение на клеммах падает. Регулирование сварочного тока в преобразователе производится за счет изменения соотношения магнитных потоков Фн и Фс, определяемых током и числом витков в обмотке возбуждения. Обычно плавная регулировка осуществляется изменением тока в цепи независимого возбуждения с помощью реостата R. Ступенчатое регулирование выполняется изменением числа витков в последовательной обмотке возбуждения. Сварочный выпрямитель состоит из понижающего трансформатора тока 1, дросселя 2, обеспечивающего необходимые динамические характеристики источнику, и блока полупроводниковых вентилей 3 (рис. 1.5). Наиболее распространены кремниевые вентили. Внешняя характеристика выпрямителя определяется зависимостью

10

U2

3 (U 2  3I 2 X 2 ) , 4 х.х

Ud

(1.4)

где U x.x – напряжение холостого хода выпрямителя; остальные обозначения аналогичны приведенным в формуле (1.1). Здесь, как и в формуле (1.1), с увеличением сварочного тока подкоренное выражение уменьшается, напряжение дуги падает. Плавное регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения расстояния между первичными и вторичными обмотками трехфазного трансформатора. Ступенчатая регулировка тока обычно выполняется путем переключения первичных обмоток трансформатора с «треугольника» на «звезду». Определение внешней характеристики однопостового сварочного преобразователя, трансформатора или выпрямителя студенты выполняют под руководством учебного мастера. В частности, для преобразователя ПСО-300, для фиксированного тока в обмотке независимого возбуждения I последовательно устанавливают четыре режима работы: холостой ход (электрическая цепь разомкнута); короткое замыкание (режим устанавливается при касании электрода свариваемого изделия); сварка короткой дугой; сварка длинной дугой. 1

2

3

Рис. 1.5. Схема сварочного выпрямителя: 1 – трансформатор трехфазного тока; 2 – дроссель; 3 – блок вентилей

11

Для каждого режима студенты по вольтметру и амперметру определяют напряжение на клеммах источника тока U и тока в сварочной цепи I. Полученные данные заносят в таблицу и строят графическую зависимость U = (I). Для оценки возможности плавного регулирования режима сварки опыт повторяют для другого значения тока в обмотке независимого возбуждения, устанавливаемого с помощью реостата в цепи независимого возбуждения. После освоения методики определения внешней характеристики сварочного преобразователя студенты самостоятельно проводят опыты по определению внешних характеристик сварочного трансформатора и выпрямителя. При этом обязательно необходимо указать марку аппарата, выписать его основные технические данные и указать способ регулирования режима сварки (табл. 1.1). Таблица 1.1

Режим работы источника Номер Измеряемый Сварка Сварка Холостой Короткое опыта параметр короткой длинной ход замыкание дугой дугой I, A 1 U, В I, A 2 U, В

3. Определение сварочно-технологических характеристик электродов и производительности сварки Коэффициент наплавки н характеризует массу наплавленного на изделие электродного металла в единицу времени при токе 1 А: Dн

Gн 3600 , I свt

(1.5)

где Gн – масса наплавленного металла, которая определяется взвешиванием пластины до и после сварки, г; Icв – сила сварочного тока, А; t – время горения дуги, с. Коэффициент расплавления р характеризует массу расплавленного электродного стержня в единицу времени при токе 1 А: 12

Gp 3600

Dр

I свt

,

(1.6)

где Gр – масса расплавленного электродного металла, рассчитываемая по разности масс металлического стержня электрода до и после сварки: Sd 2 (lэл  lсв )U, 4

Gр

(1.7)

где d – диаметр стержня электрода, см; lэл – длина стержня электрода до сварки, см; l – длина стержня электрода после сварки, см; – плотность стали ( = 7,85 г/см 3 ). Коэффициент потерь электродного металла при сварке на угар и разбрызгивание (%):

<

Gp  Gн Gp

100

Dp  Dн Dp

100 .

(1.8)

Производительность наплавки (сварки) обычно оценивают как D н I св .

П

(1.9)

Скорость однопроходной сварки Vсв

П 100 , Fн1 ˜ U

(1.10)

где Fн1 – площадь сечения наплавленного металла за один проход, см2. Коэффициент расплавления р зависит от ряда факторов (состав покрытия, род тока и полярность, плотность тока и др.) и равен для электродов с качественным покрытием 8…16 г/А ч. Вследствие потерь электродного металла ( = 3…20 %) значения коэффициента наплавки обычно на 1…3 г/А ч меньше значения р. Нормативные значения н коэффициента н для различных марок электродов приведены в справочной литературе. Расчетно-экспериментальную часть раздела рекомендуется выполнять в следующей последовательности: 1) ознакомиться с типом и маркой электродов, подлежащих испытанию. Записать технический паспорт электродов, рекомендуемые пре13

делы изменения тока, установить диаметр электрода и его длину до сварки; 2) взвесить предварительно очищенные стальные пластины и произвести их маркировку; 3) произвести наплавку на пластины, расплавляя каждый электрод на отдельную пластину. Во время наплавки по показаниям приборов зафиксировать силу сварочного тока I (среднее значение) и время горения дуги t; 4) охладить пластины с наплавленным валиком, очистить их от шлака и брызг; 5) взвесить каждую пластину с наплавленным валиком и измерить длину электродов, оставшихся после сварки; 6) полученные результаты занести в табл. 1.2, провести необходимые расчеты коэффициентов и производительности сварки. Сравнить производительность ручной дуговой сварки при условии ее выполнения двумя различными электродами.

Скорость сварки Vсв, см/ч

Производительность П, г/ч

Коэффициент потерь <, %

Коэффициент расплавления Dн, (г/А?ч)

Время горения дуги t, ч

Сила тока I, А

Масса наплавленного металла Gм, г

Масса после наплавки Gплп, г

Масса до наплавки G плд, г

Масса расплавленного металла Gр , г

Длина после наплавки lсв, мм

Длина до наплавки lэл, мм

Диаметр d, мм

Марка

Номер опыта

Таблица 1.2

4. Техника и технология выполнения ручной дуговой сварки Ручная дуговая сварка широко применяется для сварки самых различных металлов и сплавов толщиной от 2 до 100 мм. Особенно ручная сварка выгодна и удобна при выполнении коротких швов и швов криволинейной формы в любом пространственном положении, а также при положении швов в труднодоступных местах. Ручная дуговая сварка обес14

печивает хорошее качество сварных соединений. Недостатком ручной дуговой сварки является ее малая производительность по сравнению с механизированными способами дуговой сварки. Студентам необходимо самостоятельно установить причины вышеуказанного недостатка изучаемого способа сварки. Выполнение данного раздела работы рекомендуется осуществлять на примере разработки процесса сварки конкретного изделия. Все необходимые исходные данные задаются студентам преподавателем. Пользуясь плакатами и справочными данными, представленными в лаборатории, студенты совместно с преподавателем выбирают или назначают: 1) вид сварочного соединения и тип сварного шва. Применяемые при сварке сварные соединения условно разделяют на четыре вида: стыковые, тавровые, нахлесточные и угловые. Сварные швы бывают однопроходными и многопроходными, односторонними и многосторонними и т. д. Пользуясь ГОСТ 5264–80 и плакатами, необходимо схематично изобразить основные типы сварных соединений и швов, а также выбрать конкретное решение применительно к заданию; 2) форму и элементы подготовки кромок под сварку. Перед сваркой кромки свариваемого металла тщательно подготавливаются: зачищают поверхности до металлического блеска, соединяют детали друг с другом прихватками – короткими сварными швами, служащими для сборки деталей под сварку. Кромки свариваемых деталей при толщине металла более 4 мм подвергаются специальной операции – разделке. Эта технологическая операция предшествует сварке и выполняется на строгальных и фрезерных станках или с помощью кислородной резки. При сварке разделка кромок заполняется присадочным металлом за один или несколько проходов. При изучении этого вопроса необходимо по плакатам ознакомиться с различными формами разделки кромок и ее элементами, по ГОСТ 5264–80 выбрать конкретное решение применительно к заданию. Положение, в котором выполняется сварка, может быть нижнее, горизонтальное, вертикальное и потолочное; 3) тип и марку электрода в зависимости от физико-механических свойств, химического состава, толщины металла и требований, предъявляемых к сварному соединению. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей предусмотрено 9 типов электродов (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60). Цифра в обозначении указывает гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2, а буква А – по15

вышенную пластичность металла шва. Каждому типу электродов может соответствовать несколько марок электродов. Марка электрода – это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие; 4) род тока, полярность, диаметр электрода и силу сварочного тока. При выборе учитываются химический состав свариваемого металла, его толщина, пространственное положение шва, требования к сварному соединению и т. д. При работе экономичнее пользоваться сварочным оборудованием на переменном токе, но повышения качества сварки можно скорее добиться на постоянном токе. Род и полярность тока влияют на форму и размеры шва. Обычно пользуются прямой полярностью, обеспечивающей лучшее проплавление свариваемого металла. Обратную полярность рекомендуют применять при сварке тонкого металла в целях исключения прожога и для сварки высоколегированных сталей для исключения их перегрева. Ручная дуговая сварка углеродистых и низколегированных сталей в нижнем положении осуществляется при следующих ориентировочных размерах: Толщина металла, мм Диаметр электрода, мм Сила тока, А

1...2

2...5

5...10

Свыше 10

2

3, 4

4, 5, 6

6

45...65

80...100

130...150

210...240

5) скорость сварки, число слоев и порядок их нанесения. Под руководством учебного мастера студенты: а) знакомятся с техникой манипулирования электродом при выполнении ниточных и уширенных швов; б) изучают порядок выполнения швов различной протяженности и толщины; в) знакомятся с особенностями техники выполнения сварочных швов в различных пространственных положениях; г) выполняют операции заданных образцов в следующей последовательности: устанавливают на источнике питания требуемый ток; закрепляют выбранный электрод в электродержателе; включают органы управления в присутствии учебного мастера; 16

наносят валик расплавленного металла на пластину выбранным способом, при этом стремятся получить валик требуемой формы и размеров.

Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Схема и сущность процесса ручной дуговой сварки. Результаты изучения влияния качества покрытия электродов на пластичность сварных швов и устойчивость горения сварочной дуги. 3. Принципиальные схемы постов ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токе. Методика и результаты экспериментального определения внешних характеристик сварочных аппаратов. 4. Краткое описание методики и результатов экспериментального определения сварочно-технологических характеристик электродов и производительность сварки. 5. Результаты выбора элементов технологии ручной дуговой сварки. 6. Выводы по работе.

17

Лабораторная работа № 2 АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА Цель лабораторной работы – изучение возможностей автоматической дуговой сварки и влияния автоматизации на качество и производительность процессов сварки. В лабораторной работе необходимо: 1) изучить особенности процессов автоматической дуговой сварки; 2) изучить схему, конструкцию и принцип действия автоматической сварочной головки, сварочного трансформатора; 3) исследовать влияние силы сварочного тока и скорости сварки на форму и геометрические размеры сварного шва. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – автоматы для дуговой сварки АДС-500, АДС-1000, приборы для контроля режима сварки, штангенциркуль, секундомер, металлическая линейка, керн, молоток, зубило, тиски, цифровые маркеры, металлическая щетка; материалы – электродная проволока Св-08А диаметром 0,8...1,6 мм, пластины из низкоуглеродистой стали толщиной 8...16 мм, флюсы, ОСЦ-45, АН-348А; баллон с газом СО2; плакаты – схемы сварочных аппаратов, таблицы; справочная литература – выписки из технических описаний и инструкций, справочники, ГОСТы. 1. Особенности процесса дуговой сварки под флюсом Процесс автоматической дуговой сварки под флюсом имеет следующие особенности: 1) в качестве электрода используется голая сварочная проволока, поступающая в зону горения дуги с определенной скоростью V0 (рис. 2.1); 2) подвод тока к электроду 1 осуществляется через скользящий контакт 2 на расстоянии 30...50 мм от дуги, что позволяет применять при сварке большую силу тока (до 2000 А) без опасности перегрева электрода джоулевой теплотой. Благодаря такому решению производительность процесса сварки в 5...20 раз больше, чем при ручной дуговой сварке. Увеличение силы тока позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок; 18

1 2

B C h

6 5

Vэ

7 V 8 9 4

3

Рис. 2.1. Схема процесса автоматической дуговой сварки под флюсом: 1 – сварочная проволока; 2 – скользящий контакт; 3 – сварочная ванна; 4 – электрическая дуга; 5 – жидкий шлак; 6 – флюс; 7 – корка шлака; 8 – металл шва; 9 – изделие

3) сварочная ванна 3 и электрическая дуга 4 находятся под слоем расплавленного флюса 5. Флюс выполняет те же функции, что и покрытие штучных электродов, но обеспечивает лучшую металлургическую обработку расплавленного металла, более медленное охлаждение шва, предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла. В результате качество сварных швов, выполненных автоматической дуговой сваркой, выше, а потери электродного металла меньше, чем при ручной дуговой сварке; 4) параметры режима сварки поддерживаются автоматически с высокой степенью точности. В частности, благодаря поддержанию постоянства длины дуги, механизированной подаче проволоки и ее перемещению вдоль изделия улучшается форма и поверхность шва, обеспечивается постоянство его размеров по всей длине. Форма сварных швов характеризуется следующими параметрами: глубиной проплавления H, выпуклостью шва С, шириной В, коэффициентом формы проплавления = B/Н = В/С. Оптипр В мальное значение коэффициентов: пр = 0,8...4; В = 7...12. 19

2. Устройство, принцип действия и технологические возможности автоматов для дуговой сварки под флюсом Процесс дуговой сварки включает следующие основные операции: 1) зажигание сварочной дуги; 2) подачу электрода в зону сварки по мере его плавления и поддержание устойчивого горения дуги и постоянства ее длины; 3) перемещение дуги вдоль свариваемого изделия; 4) прекращение горения дуги по окончании сварки. Наиболее сложным является автоматическое поддержание постоянства заданной длины дуги, которое определяет устойчивость процесса и постоянство режима сварки. В автоматах дуговой сварки используются два принципа автоматическое принудительное регулирование длины дуги; саморегулирование длины дуги при постоянной независимой скорости подачи электродной проволоки. Автоматическая сварочная головка с принудительным регулированием длины дуги В сварочных головках (основной элемент автомата) этого типа для поддержания постоянства длины дуги используется взаимосвязь между длиной дуги L, напряжением дуги U и скоростью подачи электродной проволоки Vэ. Поскольку U ~ L, регулирование постоянства напряжения дуги эквивалентно регулированию постоянства длины, так как U = const, если L = const. По этой причине в сварочной головке в качестве регулируемой величины используется напряжение дуги, а регулирующей величиной является скорость подачи электродной проволоки. При этом способе регулирования временное нарушение постоянства длины дуги, а следовательно и напряжения, автоматически устраняется установкой соответствующей скорости подачи электродной проволоки. Современные автоматы поддерживают заданное напряжение дуги с точностью ±0,5 В, что соответствует точности поддержания длины дуги ±0,2...0,3 мм. Схема автоматической сварочной головки с принудительным регулированием длины дуги представлена на рис. 2.2. Головка работает следующим образом. Двигатель подачи электродной проволоки Д через понижающий редуктор Р вращает подающий ролик 3. Электродная прово20

лока 1 прижимается к ролику 3 другим роликом 4 и за счет сил трения подается из кассеты 5 в зону горения дуги через токоподводящий медный мундштук. Под слоем флюса 6 электрод касается изделия 7, возбуждается дуга и начинается процесс сварки. Сварочная головка имеет систему обратной связи, корректирующую скорость подачи электродной проволоки Vэ в зависимости от напряжения дуги U. Действительно, согласно представленной схеме двигатель подачи электродной проволоки Д питается постоянным током от специального генератора Г, имеющего две встречно включенные обмотки возбуждения W1 и W2. Обмотка W1 питается от постороннего независимого источника постоянного тока. Ток в этой обмотке и создаваемый им магнитный поток Ф1 устанавливаются с помощью реостата R. Обмотка W2 через селеновый выпрямитель В питается от зажимов сварочной дуги и создает магнитный поток Ф2, противоположный по направлению магнитному потоку Ф1 обмотки независимого возбуждения W1. 5

1 R 4

Д

P

VЭ

UГ

Г

W1 Ф 1

W2 6

Ф2

3 2 U

В

7 Рис. 2.2. Схема автоматической сварочной головки: 1 – сварочная проволока; 2 – скользящий контакт; 3 – ведущий ролик; 4 – прижимной ролик; 5 – кассета с проволокой; 6 – флюс; 7 – изделие; В – выпрямитель; Р – редуктор; А – электродвигатель постоянного тока; Г – генератор; ИТ – источник тока

21

Результирующий магнитный поток Фр = Ф2 – Ф1 определяет величину напряжения Ur и полярность на клеммах генератора Г, а следовательно частоту и направление вращения вала двигателя Д. Например, при укорочении дуги напряжение дуги U станет меньше своего номинального значения U0. Вследствие этого уменьшаются магнитный поток Фг, результирующий магнитный поток Фр и напряжение генератора Ur. Падение напряжения на якоре двигателя головки Д уменьшит частоту его вращения, подача электродной проволоки замедлится, длина дуги восстановится. Следовательно, все изменения длины дуги отражаются на режиме работы генератора Г и двигателя Д таким образом, что скорость подачи электродной проволоки V0 оказывается равной скорости ее плавления Vпл. Автоматические головки этого типа появились раньше других и используются в сварочных автоматах типа АДС-1000, АДФ-1201, АДФ-1001 и др. Вследствие сложности электрической схемы и затруднений в эксплуатации автоматы с принудительным регулированием длины дуги целесообразно использовать при небольших плотностях тока 15...25 А/мм2, дающих скорость плавления электродной проволоки 0,5...1 м/мин. Автоматическая сварочная головка с независимой (постоянной) скоростью подачи электродной проволоки Устройство сварочных головок этого типа основано на использовании явления саморегулирования длины дуги. Для обеспечения хорошей динамики восстановления номинального значения длины дуги (режима сварки) в головках применяют повышенную плотность тока (более 25 А/мм2) и источники питания дуги с пологопадающей внешней характеристикой. Для понимания сущности явления саморегулирования длины дуги необходимо в системе координат напряжение–ток изобразить полого падающую внешнюю характеристику источника тока и три вольтамперные статические характеристики дуги, соответствующие трем разным длинам дуг: L1, L2, L3, причем L3 < L1 < L2. Точки пересечения характеристик отражают соответствующие режимы сварки. Для номинального режима сварки, устанавливаемого для получения шва заданной формы и размеров, L = L1, U = U1, I = I1. В рассмотренном случае система обратной связи для регулирования скорости подачи электродной проволоки не нужна, поэтому электрическая схема и конструкция сварочной головки намного упрощаются – становятся более компактными и надежными. Головки с постоянной независимой скоростью подачи электродной проволоки используются в сварочных автоматах типа АДФ-1002 (TC-I7 М), АДГ-300 и др. 22

Автоматическая сварочная головка является основным элементом механизированных систем сварки (полуавтомата и автомата). В полуавтоматах механизирована только подача проволоки в зону горения дуги, перемещение дуги вдоль изделия осуществляется вручную. При автоматической – механизированы оба движения: подача проволоки и перемещение дуги вдоль изделия. Механизированные системы сварки, кроме сварочной головки, включают источники тока, блоки управления и другие элементы в зависимости от назначения системы. Сварочный автомат для сварки под флюсом состоит из следующих основных элементов (рис. 2.3). Сварочная головка 1 перемещается посредством специальной системы движения (в частности, самоходной тележки), называемой кареткой 2, которая может либо иметь отдельный электропривод, как у автомата типа АДФ-1201, либо использовать двигатель подачи проволоки с отбором мощности на движение каретки, как у автомата типа АДФ-1001. Самоходная каретка с навешенной автоматической головкой получила название «сварочный трактор». 6

7

1

4

3 2 5

Рис. 2.3. Блок-схема сварочного автомата: 1 – сварочная головка; 2 – каретка; 3 – пульт управления; 4 – шкаф управления; 5 – изделие; 6 – источник питания; 7 – бункер с флюсом

Для удобства работы на сварочном тракторе укрепляют пульт управления 3, электрически связанный со шкафом или блоком управления 4. Шкаф управления является главным организующим центром автомата. Он обеспечивает определенную последовательность выполнения технологических команд: включение источника 6, возбуждение дуги, выход 23

на рабочий режим сварки, начало и окончание движения трактора, заварку кратера и выключение источника тока. Флюс в зону сварки подают из бункера 7. Следующим этапом в изучении устройства аппаратов является ознакомление с натурными образцами автоматов АДС-500 и АДС-1000, их техническими характеристиками, правилами подключения и технической безопасности при работе на них. Настройка аппарата типа АДС-500 на заданный режим работы выполняется под руководством учебного мастера в следующей последовательности. Подготовка автомата к сварке. Студенты под руководством учебного мастера настраивают движение автомата вдоль шва на холостом ходу таким образом, чтобы проволока по всей длине намеченного пути наплавки не имела смещений от ее направления. Устанавливают токоподвод в начале шва. Нажатием кнопок «вниз» или «вверх» осуществляют подачу электродной проволоки в то место основного металла, где должен начинаться сварной шов. После чего включают тумблер «сварка» и открывают бункер с флюсом. Установка напряжения и тока сварки. На аппаратах типа АДС-500 предусмотрено принудительное (автоматическое) регулирование длины дуги, поэтому напряжение на дуге задается и автоматически поддерживается постоянным и таким по величине, что скорость подачи проволоки равна скорости ее плавления. В установке предусмотрено ступенчатое изменение напряжения дуги и плавное – в пределах каждой ступени. Заданное значение сварочного тока настраивают изменением крутизны внешней характеристики источника тока. Установка требуемой скорости сварки. В автомате АДС-500 необходимую скорость сварки устанавливают изменением числа оборотов двигателя постоянного тока привода самоходной каретки. Для этих целей используют потенциометр-регулятор, вынесенный на пульт управления. После установления требуемой скорости сварки на холостом ходу необходимо экспериментально проверить ее величину путем замера времени прохождения автоматом пути 0,5 м. Установка вылета электрода, высоты слоя флюса. Вылет электрода в автомате АДС-500 устанавливают с помощью специального механизма для перемещения мундштука токоподвода. Сварка. Нажатием кнопки «пуск» и включением сцепления каретки через 2…3 с осуществляют начало сварки. Под флюсом возбуждается дуга 24

и производится выполнение сварного шва на установленном режиме. При использовании автомата для сварки в защитном газе возбуждение дуги и выполнение сварного шва осуществляется в защитном газе СО2. Окончание сварки. Остановку каретки автомата осуществляют выключением рычага сцепления. Через 3…4 с нажатием кнопки «стоп» до 1/2 ее посадки производят растяжку и обрыв дуги. Окончательно процесс останавливают нажатием кнопки «стоп» до конца ее посадки после обрыва дуги. 3. Исследование влияния силы сварочного тока и скорости сварки на форму и геометрические размеры сварного шва Для получения качественного сварного шва заданных размеров и формы необходимо правильно выбрать свариваемый металл, флюс, электродную проволоку, надлежащую разделку кромок и рациональный режим сварки. Режим автоматической дуговой сварки под флюсом определяется совокупностью параметров (сила сварочного тока, напряжение дуги, скорость сварки, диаметр электродной проволоки, скорость подачи электродной проволоки, вылет электрода, угол наклона электрода). Методика, применяемая для расчета параметров режима автоматической сварки, базируется на существующей взаимосвязи между геометрическими размерами сварного шва и параметрами режима. При выполнении данного раздела работы студенты экспериментально устанавливают характер влияния силы сварочного тока и скорости сварки на размеры сварного шва, а также определяют коэффициент наплавки и удельный расход флюса. Рекомендуемая последовательность изучения: 1) под руководством учебного мастера на автомате АДС-500 осуществить наплавку трех валиков на две составные пластины, изменяя последовательно значения сварочного тока I при неизменной скорости сварки V; 2) повторить опыт по наплавке трех валиков на пластины, изменяя при этом скорость сварки V и сохраняя неизменной силу сварочного тока I; 3) после охлаждения составные пластины разрушить по линии разъема и измерить геометрические размеры шва: глубину проплавления H, ширину шва В и выпуклость C; 25

4) вычислить коэффициент формы проплавления и коэффициент формы валика в = В/С; 5) данные измерений и вычислений занести в таблицу Номера Номер пары валика пластин 1

2

I, A

V, м/ч

h, мм

В, мм

С, мм

\пр

пр

= В/H

\в

1 2 3 1 2 3

6) по полученным данным построить графики зависимостей: h = f(I); В = f(I); С = f(I); = f(I); в = f(I); h = f(V); В = f(V); С = f(V); пр = f(V); в = f(V), сопоставить характер их изменения с данными справочной литературы и дать объяснение полученным закономерностям. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Схема и особенности процесса автоматической дуговой сварки. 3. Схема сварочных головок с приведением графика, иллюстрирующего сущность принципа саморегулирования длины дуги. 4. Цель, методика и результаты исследования влияния параметров режима сварки на форму и размеры шва. 5. Выводы по работе.

26

Лабораторная работа № 3 ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ Цель лабораторной работы – изучение особенностей способов дуговой сварки в защитных газах, сварочного оборудования и техники выполнения сварки. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) ознакомиться с сущностью и особенностями способов дуговой сварки в защитных газах; 2) изучить устройство, принципы работы и технологические возможности постов ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом и механизированной сварки в углекислом газе; 3) получить практическое представление о технических возможностях дуговой сварки в аргоне и углекислом газе. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – установка аргонодуговой сварки УДГ-1220, полуавтомат для сварки в углекислом газе ПДГ-120, секундомер, линейка металлическая, керн, молоток, зубило, маркеры, металлическая щетка; материалы – сварочная проволока марок Св-08А и Св-08Г2С диаметром 0,8…1,6 мм, пластины из стали и алюминиевых сплавов; плакаты – схемы процесса и постов дуговой сварки в защитных газах; справочная литература – выписки из технических описаний и инструкций, справочники, ГОСТы. 1. Сущность и особенности способов дуговой сварки в защитных газах При сварке в защитном газе электрод, дуга и сварочная ванна защищены от воздействия окружающего воздуха струей защитного газа. В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон, гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), для чего используют иногда смеси двух газов и более. Наибольшее применение нашли аргон и углекислый газ. Аргонодуговая сварка. Сварку осуществляют неплавящимися и плавящимися электродами. Сварку неплавящимся (вольфрамовым) электродом ведут на постоянном токе прямой полярности (рис. 3.1). В этом 27

случае дуга легко зажигается и горит устойчиво при напряжении 12…18 В. При обратной полярности возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость ее горения и снижается стойкость электрода.

7 Газ

2 1

6 5

3

4

Рис. 3.1. Схема процесса дуговой сварки в инертных газах: 1 – электрод; 2 – присадочная проволока; 3 – изделие; 4 – сварной шов; 5 – дуга; 6 – поток защитного газа; 7 – горелка

Однако при обратной полярности под воздействием дуги с поверхности свариваемого металла удаляются оксиды. Это свойство дуги используют при сварке алюминия, магния и их сплавов, применяя для питания дуги переменный ток. При сварке неплавящимся электродом на переменном токе сочетаются преимущества дуги на прямой и обратной полярностях. Для повышения эффективности и устойчивости процессов питание дуги переменным током осуществляют от специальных источников тока. Сварку в аргоне плавящимся электродом выполняют на автоматах или в виде механизированного варианта. Нормальное протекание процессов и хорошее формирование шва достигается при высоких плотностях тока (100 А/мм2 и более), при этом перенос расплавленного металла с электрода становится мелкокапельным или струйным, обеспечивается глубокое проплавление основного металла, формирование плотного шва с ровной и чистой поверхностью и разбрызгивание в допустимых пределах. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. В данном случае дуга горит устойчиво, так как ее электрические свойства в значи28

тельной мере определяются наличием ионизированных атомов металла электрода в столбе дуги. Дуговая сварка в углекислом газе. Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности. Такой режим обусловлен теми же особенностями переноса электродного металла и формирования шва, которые свойственны сварке плавящимся электродом в аргоне. При использовании СО2 в качестве защитного газа необходимо учитывать металлургические особенности процесса сварки, связанные с окислительным действием СО2. При высоких температурах сварочной дуги CO2 диссоциирует на СО и атомарный кислород О, который окисляет свариваемый металл и легирующие элементы. Окислительное действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей марганца и кремния. Они восстанавливают железо из закиси FeO, а образующиеся окислы SiO2 и MnO всплывают на поверхность сварочной ванны и переходят в шлак. Поэтому для сварки в СО2 углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием этих элементов (Св-10ГС, Св-08Г2С). Сварка в углекислом газе в ряде случаев рентабельнее ручной дуговой и некоторых видов сварки под флюсом. Она обладает высокой производительностью, большой проплавляющей способностью, малой токсичностью и низкой себестоимостью. 2. Устройство, принцип работы и технологические возможности постов ручной аргонодуговой сварки и механизированной сварки в СО2 Изучению в лаборатории подлежат установка для аргонодуговой сварки УДГ-301 и полуавтомат для сварки в углекислом газе ПДГ-305 или подобный ему. Упрощенная схема установки для ручной аргонодуговой сварки переменным током представлена на рис. 3.2. Она состоит из источника питания дуги 1 (трансформатора), осциллятора 2, балластного реостата 3, баллона с защитным газом 4, газоэлектрической горелки 5, редуктора и контрольных приборов (амперметра, вольтметра, расходомера газа). Источник питания с повышенным напряжением холостого хода в сочетании с осциллятором необходим для легкого и быстрого возбуж29

дения дуги и ее устойчивого горения, так как потенциал возбуждения и ионизация инертных газов значительно выше, чем у азота, кислорода и паров металла. 5 6 4

2

1

3

Рис. 3.2. Упрощенная схема ручной аргонодуговой сварки переменным током

Изделие 10 (рис. 3.3) получают при использовании сварочного полуавтомата для сварки в СО2, который состоит из сварочной горелки 1, подающего механизма 2, обеспечивающего поступление проволоки в сварочную горелку по гибкому шлангу, блока управления процессом сварки 3, который имеет электрическую связь со всеми элементами полуавтомата. Сварочная горелка представляет собой ручной инструмент, обеспечивающий направленную подачу проволоки, токоподвод к ней и газовую защиту зоны горения дуги. Защитный газ поступает в горелку из баллона 4, проходя последовательно через подогреватель 5, редукторрасходомер 6 и отсекающий клапан 7. На сварочной горелке предусмотрена клавиша управления 8 для подачи сигналов в блок управления о начале и окончании сварки. Остальные технологические команды выдает блок управления (продувка шланга газом, включение источника тока 9, подача проволоки и сварка, выключение тока и после некоторой выдержки – прекращение и подача газа). В процессе ознакомления в лаборатории со схемами и натурными образцами сварочного оборудования необходимо уделить внимание назначению и устройству следующих элементов и узлов: 30

а) в аргонодуговой установке УДГ-301: источнику питания и осциллятору; горелкам, баллонам для аргона, запорной и регулирующей арматуре и контрольно-измерительным приборам; б) в полуавтомате ПДГ-305: источнику питания и механизму подачи сварочной проволоки; горелкам, баллонам для CO2, осушителям, запорной и другой арматуре, контрольно-измерительным приборам.

2

3

10 1

4 7

8

6

5

9

Рис. 3.3. Упрощенная схема сварочного полуавтомата в среде СО2

Необходимо также выписать технические характеристики и энергетические показатели установки УДГ-301 и полуавтомата ПДГ-305, ознакомиться с правилами их подключения и безопасной работы на них. 3. Техника и режимы дуговой сварки в защитных газах Изучение техники выполнения сварки различных швов на установке УДГ-301 и полуавтомате ПДГ-305 производится под руководством учебного мастера. 31

Ручная аргонодуговая сварка Аргонодуговой сваркой выполняют швы стыковых, тавровых и угловых соединений. Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при толщине металла 0,5…6 мм. При толщине листов до 2,5 мм рекомендуется сварку производить с отбортовкой кромок. При зазоре 0,1…0,5 мм можно сваривать тонколистовой металл толщиной 0,5…4 мм без отбортовки и разделки кромок. Листы толщиной 4…12 мм сваривают в стык с V-образной разделкой кромок при угле разделки 50…70°. Допустимый зазор в стыке составляет не более 1,0 мм. Демонстрация аргонодуговой сварки производится учебным мастером на примере сварки алюминиевого сплава в следующей последовательности: подготовка пластин к сварке (записать марку сплава и операции подготовки); выбор режима сварки совместно со студентами по таблицам, представленным в лаборатории; настройка установки на заданный режим сварки; сварка пластин в нижнем положении. Во время демонстрации процесса сварки необходимо наблюдать за формированием металла шва, движениями горелки и присадочного прутка, записать режим сварки (диаметр электрода, диаметр выходного отверстия сопла горелки, силу тока, напряжения, расход газа), время горения дуги. После сварки следует визуально оценить качество сварного соединения. Механизированная дуговая сварка в углекислом газе Сварку в углекислом газе производят почти во всех пространственных положениях. Листовой металл из углеродистых и низкоуглеродистых сталей толщиной 0,6…1,0 мм сваривают с отбортовкой кромок. Листы толщиной 1,0…8,0 мм сваривают без разделки кромок, но с зазором до 1,0 мм. При толщинах металла более 8,0 мм требуется V-образная разделка кромок. Изучение техники выполнения дуговой сварки производится путем демонстрации учебным мастером процесса сварки. Учебный мастер осуществляет: подбор совместно со студентами режима сварки для стали Ст3сп по таблицам ; 32

наплавку валика в нижнем положении на пластину 10 50 150 проволокой СВ-08А диаметром 1,6…2,0 мм; наплавку валика в нижнем положении на пластину 10 50 150 проволокой СВ-08Г2С диаметром 1,6…2,0 мм. Во время демонстрации процесса сварки необходимо наблюдать за формированием металла шва и движениями сварочного держателя, записать режим сварки (силу тока, напряжение, время горения дуги, скорость подачи электродной проволоки); объяснить причину образования пор при сварке проволокой марки СВ-08А; отметить отличия в процессе формирования металла шва в различных пространственных положениях. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Схемы и особенности процесса дуговой сварки в инертных и активных защитных газах. 3. Принципиальные схемы установки для сварки в среде аргона и полуавтомата для сварки в среде углекислого газа. 4. Результаты наблюдений техники выполнения дуговой сварки в аргоне и углекислом газе. 5. Выводы по работе.

33

Лабораторная работа № 4 КОНТАКТНАЯ СВАРКА Цель лабораторной работы – ознакомление с сущностью процессов, способами, оборудованием и технологическими возможностями контактной электрической сварки. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить сущность процессов, преимущества контактной сварки и ее недостатки; 2) изучить способы контактной сварки и рациональные области их применения; 3) ознакомиться с устройством и работой контактной точечной машины, стыковой машины и сварочных клещей; 4) освоить методику выбора параметров режима различных способов контактной сварки. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – машины точечной контактной сварки МТ-602 и АТП-25, стыковая сварочная машина МСС-901, сварочные клещи, секундомер, штангенциркуль; материалы – стержни из низкоуглеродистой стали диаметром 4...6 мм и заготовки из листовой стали толщиной 0,6...1,2 мм; плакаты – схемы и описания сварочного оборудования; справочная литература – справочники, ГОСТы. 1. Сущность процесса контактной сварки Контактная сварка – сварка с применением давления, при которой используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых частей при прохождении электрического тока. Контактная сварка является основным видом сварки термомеханического класса. Нагрев заготовок используют для облегчения пластических деформаций и разрушения поверхностных окисных пленок. Количество теплоты (Дж), выделяемое при прохождении тока, определяется в соответствии с законом Джоуля – Ленца: t

Q ³ I 2 Rdt , 0

34

(4.1)

где t – время действия тока, с; I – сварочный ток, А; R – сопротивление участка цепи, Ом. Сопротивление участка цепи при контактной сварке в соответствии с рис. 4.1 можно определить по формуле

R

2 Rэ.д  2 Rд  Rк

(4.2)

где R э.д – сопротивление контакта между электродом и деталью; Rд – сопротивление основного металла (детали) при его длине L; Rк – сопротивление контакта между соединяемыми деталями. Контактное сопротивление Rк является наибольшим, что объясняется двумя причинами: наличием микронеровностей на свариваемых поверхностях и окисных пленок. Вследствие этого в данной зоне металл нагревается быстрее до пластического или расплавленного состояния. При контактной сварке общее сопротивление участка цепи R обычно не превышает 0,005…0,1 Ом. По этой причине большие токи (десятки тысяч ампер) можно получить при напряжении 1…20 В. Во избежание дополнительных потерь и снижения производительности время протекания тока исчисляется секундами или долями секунды. Основными видами контактной сварки являются стыковая, точечная и шовная. 2. Стыковая контактная сварка Стыковая сварка – это контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по всей поверхности стыкуемых торцов (рис. 4.1). Rк

Rд Р

Р L1

L2 Тр

Рис. 4.1. Принципиальная схема контактной стыковой сварки 35

Различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением. При стыковой сварке сопротивлением вначале приводят в соприкосновение торцы свариваемых деталей с приложением небольшого давления и после этого включают электрический ток. Давление в процессе нагрева остается практически без изменения, к концу нагрева его повышают для создания необходимой пластической деформации и сварки (рис. 4.2, а). Нагрев стыка осуществляется обычно до пластичного состояния металла. Такой способ применяют при сварке деталей из низкоуглеродистой стали и цветных металлов со сплошным сечением не более 500 мм2 для сталей и не более 200 мм2 для алюминия и меди. Стыковая сварка сопротивлением для получения качественного соединения требует точной подготовки, высокой чистоты свариваемых поверхностей и контроля температуры нагрева. Применяется она ограниченно. а

б I

P

I

P

P

I

I P

tсв

tсв

t

t

Рис. 4.2. Циклограммы контактной стыковой сварки: а – сопротивлением; б – оплавлением

Режим стыковой сварки сопротивлением определяют следующие основные параметры: установочная длина L1 + L2, мм; сварочный ток I, А; длительность нагрева (сварки) tсв, с; давление осадки p или усилие осадки Р, МПа; припуск на осадку Lос, мм. Стыковую сварку оплавлением выполняют непрерывным или прерывистым оплавлением (с подогревом). 36

При стыковой сварке непрерывным оплавлением детали приводят в соприкосновение при включенном токе и очень малом усилии (рис. 4.2, б). Детали соприкасаются вначале по отдельным небольшим площадкам, через которые проходит ток высокой плотности, вызывающий оплавление деталей в результате непрерывного образования и разрушения контактов-перемычек между их торцами. В результате оплавления на торце образуется слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями и окисными пленками выдавливается из стыка, образуя грат. Способ не требует специальной подготовки кромок, имеет высокую производительность. Применяется для сварки тонкостенных труб, листов, рельсов, арматурных стержней железобетонных изделий. Этим способом сваривают детали компактного (до 1000 мм2) сечения типа прутков из низкоуглеродистой стали и детали из труб и листов несколько большего (развитого) сечения. При прерывистом оплавлении детали сближаются под током с медленно нарастающей скоростью при коротких возвратно-поступательных движениях. Импульсное оплавление локализует нагрев и расширяет высокотемпературную зону, предупреждая быструю кристаллизацию расплава. После оплавления всего сечения выключают ток и делают осадку. Импульсное оплавление значительно уменьшает требуемые для оплавления мощность и припуск на оплавление. Сварка прерывистым оплавлением используется для сечений 500...10 000 мм2. Для больших деталей (сечение 5000...40 000 мм2) рекомендуется сварка оплавлением с программным управлением током и скоростью перемещения зажимов. 3. Точечная контактная сварка Точечная сварка – это контактная сварка, при которой сварное соединение получается между торцами электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия. При точечной сварке соединяемые детали располагаются между электродами, изготовленными из медных сплавов (рис. 4.3). Форма и размеры электродов зависят от вида сварного соединения и свариваемых деталей. Процесс точечной сварки состоит из следующих операций: сжатия свариваемых деталей, включения сварочного тока, выключения тока и снятия усилия сжатия. 37

а

Р

б

Р

Тр

Тр

Р

Р

Рис. 4.3. Принципиальные схемы контактной точечной сварки: а – листового металла; б – пересекающихся стержней

Точечная сварка начинается с предварительного сжатия деталей электродами, что необходимо для получения электрического контакта между деталями и электродами. Через некоторое время после сжатия электродов включается сварочный ток. При прохождении тока выделяется тепло Q, которое зависит от величины тока I, времени его протекания и сопротивления R (см. формулу (4.1)). Параметрами режима точечной сварки являются: усилие сжатия, сварочный ток, время сварки и диаметр рабочей части электрода. Различают два режима контактной сварки: жесткий и мягкий. Жесткий режим характеризуется применением больших плотностей тока и малым временем процесса. Такой режим применяют для сварки сталей, склонных к образованию закалочных структур, цветных металлов и сплавов. Мягкий режим характеризуется относительно большой продолжительностью процесса и меньшими плотностями тока. Мягкий режим применяется преимущественно для углеродистых сталей. Режим точечной сварки подбирается таким, чтобы диаметр сварной точки (литого ядра) dt достигал заданной величины. Для назначения величины dt используют справочную информацию в виде таблиц или эмпирические формулы. В частности, для этих целей можно использовать формулу (4.3) d t 2δ  (2...3), где – толщина металла, мм. Усилие сжатия электродов необходимо при сварке не только для создания металлического контакта между соединяемыми деталями, 38

но и для осуществления пластической деформации в процессе кристаллизации литого ядра, что необходимо для компенсации усадки, а также для предотвращения выплеска жидкого металла в зазор между деталями. Поэтому давление при точечной сварке снимается после выключения тока. Усилие сжатия зависит от толщины свариваемых деталей и теплофизических свойств металла. Оно задается удельным давлением р и может иметь значения от 50 до 180 МПа. Значение ковочного усилия обычно в 2...3 раза больше усилия сжатия. Продолжительность включения тока оказывает влияние на количество выделившегося тепла, а следовательно, на размеры жидкой ванночки металла в ядре сварной точки. Кроме того, длительное время включения тока может привести к перегреву основного металла, расположенного вблизи сварной точки. Величина сварочного тока зависит в основном от толщины свариваемого металла и его химического состава. При этом минимальный ток определяет наибольшую длительность процесса сварки (мягкий режим). Для сталей эта мягкость характеризуется отсутствием резкого закаливания и большими зонами термического влияния. Жесткий режим – это режим работы, при котором используется предельно возможный сварочный ток. Предел ограничивается не столько размерами расплавленной точки (ядра), сколько опасностью выплеска сильно перегретого жидкого металла по плоскости свариваемого контакта. Силу тока и усилие сжатия деталей устанавливают постоянными или меняют по определенному графику в течение цикла сварки одной точки. Характер их изменения определяется толщиной и материалом свариваемых деталей. Наиболее распространенные схемы циклов точечной сварки приведены на рис. 4.4. а I P

б P

I P

I

tСВ

в

t

P I

I P

P I

t

tСВ

tСВ

Рис. 4.4. Циклограммы контактной точечной сварки: а – для низкоуглеродистых сталей толщиной до 3 мм; б – для сталей толщиной до 10...12 мм; в – для сталей толщиной более 10 мм 39

t

4. Шовная контактная сварка Шовная сварка – это контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит между вращающимися дисковыми электродами, подводящими ток и передающими усилие сжатия (рис. 4.5). Как и при точечной сварке, детали обычно собирают внахлестку. На практике применяют следующие способы сварки: непрерывную, прерывистую с непрерывным вращением роликов. Непрерывную шовную сварку выполняют при постоянном давлении на свариваемые детали и постоянно включенном токе в течение всего процесса сварки. Прерывистую сварку выполняют при постоянном давлении сжатия, а сварочный ток подают периодически, при этом шов формируется в виде сварных точек, перекрывающих друг друга. Шовную сварку применяют в массовом производстве при изготовлении емкостных изделий с толщиной стенки 0,3 … 3 мм, где требуются герметичные швы. К параметрам режима шовной сварки относятся: сила тока, длительность действия тока и пауз, усилие сжатия и скорость сварки. а

P

б

Vсв

Тр P

P

P

Тр

Рис. 4.5. Принципиальные схемы контактной шовной сварки: а – с двусторонним подводом тока; б – с односторонним подводом тока

Материал электродов должен иметь высокие тепло- и электропроводность, температуру разупрочнения, а также достаточную прочность и твердость. Электроды изготовляют из меди и ее сплавов. Для повышения стойкости электродов применяют водяное охлаждение. 40

Изучению в лаборатории подлежат точечные машины МТ-602 и АТП-25, машина для стыковой сварки МСС-901, сварочные клещи и их настройка на заданный режим. При выполнении работы следует: 1) изучить по плакатам и выпискам из инструкций принципиальные электрические и конструктивные схемы точечной, стыковой машин и сварочных клещей и ознакомиться с их устройством; 2) получить шесть круглых образцов для точечной и три – для стыковой сварки, два плоских образца для сварки сварочными клещами; 3) определить оптимальные параметры режима сварки полученных образцов по табличным данным и рекомендациям, имеющимся в лаборатории; 4) подготовить сварочные машины к работе и настроить их на выбранный режим сварки; 5) провести сварку на точечной машине АТП-25 прутков в виде крестообразного соединения на трех различных режимах: оптимальном, мягком и жестком. По виду сварного соединения оценить, какой из исследуемых режимов сварки является более предпочтительным; 6) провести сварку стержней встык на стыковой машине МСС-901 на двух режимах: оптимальном и мягком. По визуальным наблюдениям описать процесс нагрева при сварке и внешний вид сварных стыков, а также оценить длину нагрева до высоких температур по окисленной поверхности. Проанализировать результаты и оценить качество сварки при разных режимах; 7) провести сварку плоских образцов на сварочных клещах по двум режимам: оптимальному и мягкому. Проанализировать результаты и оценить качество сварки. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Сущность процесса контактной сварки (конспективно). 3. Принципиальные схемы основных видов контактной сварки и рациональные области их применения. 4. Выбор параметров режима точечной и стыковой сварки. 5. Последовательность выполнения сварочных операций на точечной и стыковой машинах. Результаты наблюдений и их анализ. 6. Выводы по работе. 41

Лабораторная работа № 5 СВАРКА АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ МОНТАЖЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Цель лабораторной работы – изучение сущности процессов, сварочного оборудования, инструмента и приспособлений, техники и технологии ванной сварки. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) ознакомиться с арматурными сталями и способами их сварки; 2) изучить сущность ванной сварки при соединении горизонтальных и вертикальных стержней из арматурной стали; 3) ознакомиться с оборудованием, инструментом и приспособлениями, применяемыми при ванной сварке; 4) ознакомиться с техникой и технологией ванной сварки, оценить качество и производительность сварки различными способами. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – посты для ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токе, полуавтомат ПДГ-162, защитные маски со светофильтрами, молоток, зубило, весы, секундомер, инвентарные медные формы для ванной сварки, зажимы для скрепления инвентарных форм; материалы – электроды различных марок диаметром 3...5 мм, электродная проволока диаметром 1,2...2 мм, флюсы марок АН-348А, АН-348АМ, заготовки из арматурной стали диаметром 20...40 мм; плакаты и планшеты – сварка арматурных сталей в монтажных условиях, натурные образцы ванной сварки вертикальных и горизонтальных стержней в медных и графитовых формах, на подкладках; справочная литература – справочники, ГОСТы. 1. Арматурные стали и способы их сварки Для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций (ЖБК) применяют специальные арматурные стали, которые поставляются в виде стержней гладкого или периодического профиля и проволоки. Распространенные диаметры стержней 6...40 мм. Стержневая арматура подразделяется на горячекатаную и термически или термомеханически упрочненную. Термическая обработка – это закалка с последующим отпуском, термомеханическая – высокотемпературная термомеханическая обработка. 42

В зависимости от основных механических характеристик стержневая арматура подразделяется на классы A-I...A-VI, Ат-III...Ат-VIII. Принятые обозначения классов стержневой арматуры (А) дополняются индексами для указания способа изготовления, особых свойств и назначения. Ведущим показателем каждого класса является минимальное значение предела текучести, которое считается нормативным сопротивлением арматуры. Арматурную сталь выбирают в зависимости от типа конструкции, наличия предварительного напряжения, а также от условий возведения и эксплуатации зданий и сооружений. Выбор способа сварки стержней арматуры и закладных деталей зависит от конструкции соединения и условий изготовления или монтажа. В заводских условиях, где арматурные стержни могут быть поданы к стационарным машинам, используется контактная сварка: стыковая и точечная. Эти виды сварки обеспечивают высокую производительность и качество сварных соединений, минимальные затраты материалов и электроэнергии. Стыковую сварку непрерывным оплавлением применяют для соединения встык арматурных стержней небольшого диаметра из низкоуглеродистой стали. Для способа характерна узкая зона интенсивного разогрева, что приводит к закалке стержней из закаливающихся сталей. Стыковая сварка прерывистым оплавлением применяется при соединении встык стержней из закаливающихся сталей (Ст5, 35ГС, 25Г2С и др.) и стержней большого диаметра из низкоуглеродистой стали Ст3. Прерывистое оплавление снижает степень закалки и мощность контактных машин. Точечную сварку применяют для соединения пересекающихся стержней при изготовлении сварных арматурных каркасов и сеток для ЖБК. При изготовлении каркасов монолитного железобетона и выполнении монтажных соединений сборного железобетона применяют, в основном, электродуговую, ванную и электрошлаковую сварку. Для монтажной сварки сборные железобетонные элементы зданий имеют закладные детали в местах примыкания одного элемента к другому. При монтаже зданий эти закладные детали сваривают ручной дуговой сваркой либо непосредственно друг с другом, либо с помощью дополнительных связующих элементов: пластин, уголков, швеллеров или арматурных прутков. При этом предпочтение отдается ванной сварке. 43

По сравнению с дуговой сваркой стержней внахлестку и с накладрасход металла на стык уменьшается в 8...10 раз; расход электродов и электроэнергии – в 2...3 раза; трудоемкость и себестоимость – в 2...3 раза. 2. Сущность ванной сварки Сущность этого способа состоит в том, что стык между стержнями помещается в специальную форму, которая необходима для удержания ванны расплавленного металла. Зазор в стыке устанавливается в зависимости от диаметра стержней и должен составлять 5...20 мм. Сварка может выполняться в вертикальном и горизонтальном положениях (рис. 5.2). Расплавление основного металла происходит, главным образом, за счет тепла, выделяющегося в ванне жидкого металла. Чтобы в сварочной ванне было достаточное количество жидкого металла, применяют повышенный ток при самой короткой дуге. Наиболее эффективна механизированная ванная сварка под флюсом в съемных медных формах. Вместо медных форм допускается применение графитовых форм, которые, однако, быстрее выходят из строя. (3...4) d

б

в

d

(6...8) d

d

а

(6...8) d

г

(3...4) d

Рис. 5.1. Типы сварных соединений, выполненные протяженными швами: а и б – нахлесточное соединение с односторонним и двусторонним швом; в и г – соединение с круглыми накладками и односторонним и двусторонним швом 44

При небольших объемах работ или отсутствии необходимого оборудования применяется менее эффективная ручная одноэлектродная или многоэлектродная ванная сварка в медных формах. При отсутствии съемных форм допускается применение остающихся стальных подкладок. Сварку ведут ванным способом одним или несколькими электродами. а

б

Рис. 5.2. Ванная сварка: а – горизонтальных стержней; б – вертикальных стержней

На остающихся подкладках можно вести также механизированную сварку проволокой сплошного сечения или ванно-шовную ручную сварку покрытыми электродами. Ванно-шовная сварка используется в тех случаях, когда хотят передать эксплуатационные осевые усилия на накладку. При этом кроме основного стыка, выполняемого ванной сваркой, заваривают фланговые швы (рис. 5.3). 2

3

1

Рис. 5.3. Ванно-шовная сварка: 1 – свариваемые стержни; 2 – фланговые швы; 3 – стальная накладка 45

Сварку ванным способом разрешается производить при отрицательной температуре с соблюдением обычной технологии, но при повышенном токе. Ток повышают пропорционально понижению температуры от 0 °С так, чтобы при температуре –30 °С сварочный ток был повышен на 10 %. 3. Ванная сварка стыковых соединений стержней в инвентарных формах Механизированная ванная сварка под флюсом рекомендуется как наиболее эффективный способ соединения арматуры диаметром более 20 мм (в стыках однорядных стержней). Оборудование, инструмент и приспособления. Для механизированной ванной сварки под флюсом стыковых соединений арматурных стержней должны применяться сварочные полуавтоматы (А-765, ПДГ-162, А-1197, А-1530) в сочетании с медными инвентарными формами. Если невозможны установка и снятие составных медных форм из-за тесного расположения стержней, допускается применять медные скобы (желобчатые подкладки) толщиной не менее 12 мм и длиной около 200 мм в сочетании с медными вкладышами-ограничителями плавильного пространства в верхней части соединения (рис. 5.4). 1 3 1

2

3

Рис. 5.4. Схема установки желобчатой подкладки и медных вкладышей-ограничителей плавильного пространства при подготовке к ванной сварке горизонтальных стержней: 1 – подкладки; 2 – стержни; 3 – медные вкладыши 46

Применение медных желобчатых подкладок без ограничителей плавильного пространства не допускается. На практике иногда плавильное пространство ограничивают глиной. При отсутствии медных форм для механизированной ванной сварки допустимо применение инвентарных графитовых форм с увеличенной на 15...20 % толщиной стенок. Эти формы должны быть изготовлены из углеграфитовых материалов марок ЭЭГ (для сварки вертикальных стержней) и или ЭГО, ЭП1 или ГМЗ (для сварки горизонтальных стержней). Применять формы из керамических материалов вместо медных или графитовых не допускается. Подготовка к сварке. Концы горизонтальных стержней рекомендуется обрезать так, чтобы был обеспечен прямой угол между торцом и осью стержня, а зазор между параллельными торцами стыкуемых стержней составлял 12... 20 мм (рис. 5.5, а). Концы вертикальных стержней, подлежащих сварке, должны быть снабжены скосами-разделками (рис. 5.5, б, в). На подготовленных к сварке концах стержней закрепляют инвентарные медные формы, располагая их так, чтобы они обеспечивали возможность и удобство маневрирования сварочной проволокой и держателем и чтобы приливы стыков вертикальных стержней не выступали за пределы защитного слоя бетона. а

б

в

d

d

d

d

d

d

Рис. 5.5. Формы и размеры разделки торцов стержней: а – горизонтальные; б – вертикальные при d < 32 мм; в – вертикальные при d > 32 мм 47

Если зазоры между поверхностями стержней и гнезд медной формы превышают 2 мм, то во избежание вытекания жидкого шлака их следует уплотнять путем намотки на стержни одного или двух колец шнурового или листового асбеста. Перед началом сварки в форму засыпают флюс в количестве 30...40 г. Режим сварки. Механизированную дуговую сварку стыковых соединений арматуры под флюсом рекомендуется выполнять электродной проволокой диаметром 2 мм. Допускается использование проволоки диаметром 2,5 мм. Ориентировочные режимы механизированной ванной сварки под флюсом стыковых соединений однорядных горизонтальных и вертикальных стержней приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Диаметр стержня, мм

Диаметр Скорость Начальное Сварочный Длина вы- Глубина проволоподачи напряжеток, А лета элек- шлаковой ки, мм проволоки, ние дуги, трода, ванны, мм м/с В мм

20...25 28...32 36...40

2

0,07...0,086 0,1...0,1 0,12...0,14

38...42 40...44 42...46

300...400 350...450 400...500

30...60 30...80 40... 80

10...15

20...25 28...32 36...40

2,5

0,05...0,06 0,07...0,07 0,086...0,09

40...42 42...44 44...46

400...450 440...480 460...500

30...60 30... 80 40... 80

10...15

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются: IСВ – сварочный ток, А; dэ – диаметр электрода, мм. Диаметр электрода выбирается в зависимости от диаметра свариваемой арматуры и положения стыкуемых стержней в пространстве, а необходимая величина сварного тока устанавливается в зависимости от диаметра электрода (табл. 5.2). Примечание. При использовании электрода большого диаметра ток может быть определен из выражения I = (50...55)d. Тип электрода выбирают в зависимости от класса стальной арматуры и способа сварки (табл. 5.3). Ванная сварка и ванно-шовная ведутся на постоянном или переменном токе одиночными электродами. 48

Сварка на постоянном токе должна производиться на обратной полярности («+» – на электроде, «–» – на изделии). Таблица 5.2 Диаметр, мм

Сварочный ток, А, для стержней, расположенных

стержней

электрода

горизонтально

вертикально

20...28 32...40

5 5...6

220...250 260...300

200...220 220...240

Таблица 5.3 Класс А-I А-II А-III А-IV

Тип электрода Ручная дуговая сварка Ванная одноэлектродная сварка Э42, Э42А, Э46 Э46А, Э50 Э42А, Э46А, Э50А Э50А, Э55 Э42А, Э46А, Э50А Э55, Э60 Э50А, Э55А, Э60А

Техника сварки. При механизированной сварке в начале работы конец электродной проволоки следует погрузить во флюс и возбудить дугу. Не допускается производить возбуждение дуги замыканием электродной проволоки на элементы медной формы. При сварке стыкового соединения горизонтальных стержней конец электродной проволоки после возбуждения дуги следует приблизить к тому торцу стержня, на котором возбудили дугу, и проплавить нижнюю часть торца одного стержня, сообщая проволоке колебательные движения. После расплавления нижней части торца одного стержня конец проволоки нужно быстро приблизить к нижней части второго стержня и расплавить аналогично. После образования ванны жидкого металла и шлака быстрым перемещением конца сварочной проволоки по краям шлаковой ванны у торцов стержней следует постепенно заполнить плавильное пространство. На этом этапе электродную проволоку не следует приближать к стенкам медной формы, а рекомендуется перемещать проволоку от одного торца стержня к другому по диагонали. Образование сварного шва нужно закончить перемещениями конца электродной проволоки по периметру ванны, не допуская приближения проволоки к центру плавильного пространства. 49

В процессе сварки рабочий должен периодически засыпать дозировочным совком в плавильное пространство порции флюса. Подсыпку флюса производят в моменты, когда начинается разбрызгивание жидкого шлака. Переводить дуговой процесс в шлаковый, засыпая в плавильное пространство сразу большое количество флюса, недопустимо. Для образования стыкового соединения вертикальных стержней должна применяться следующая техника сварки: при диаметре стержней до 32 мм конец сварочной проволоки в начале процесса сварки (после возбуждения дуги) надо перемещать колебательными движениями; при диаметре стержней более 32 мм дугу следует возбудить в корневой части разделки нижнего стержня и затем перемещать конец сварочной проволоки волновыми движениями. Описанными выше способами следует заполнять металлом всю разделку соединения; на последнем этапе сварочную проволоку нужно направлять параллельно оси стыкуемых стержней, располагая ее по возможности ближе к поверхности верхнего стержня, сообщая концу проволоки полукруговые движения. Сварку следует заканчивать, удаляя проволоку от поверхности стержня и сообщая ее концу движения по периметру шлаковой ванны у стенки формы. Следует отметить, что при ванно-шовной сварке к наложению фланговых швов необходимо приступать только после заполнения нижней половины стыка, т. е. после достаточного разогрева стержней. Фланговые швы должны накладываться быстро, чтобы предупредить остывание жидкого расплава сварочной ванны. Во избежание подрезов свариваемых стержней фланговые швы необходимо заканчивать точечными наплавками с кратковременным обрывом дуги. Окончание фланговых швов желательно совмещать с винтовыми выступами стержней периодического профиля. Практическую часть работы данного раздела рекомендуется выполнять в следующей последовательности: 1. Учебная группа делится на две подгруппы. 2. Каждой подгруппе студентов учебный мастер выдает заготовки из арматурной стали (необходимо записать марку, класс стали и диаметр стержней) и инвентарные медные формы для ручной дуговой сварки и механизированной сварки под флюсом. 50

3. Пользуясь справочниками, стандартами и рекомендациями данной лабораторной работы, студенты устанавливают или определяют: а) форму и элементы подготовки кромок стержней под сварку; б) для ручной дуговой сварки – тип и марку электрода, род тока, полярность, диаметр электрода, силу сварочного тока; в) для механизированной сварки – скорость подачи проволоки, ее диаметр, начальное напряжение дуги, длину вылета электрода, глубину шлаковой ванны, флюс и его дозу; г) технику манипулирования электродом и электродной проволокой. 4. Студенты взвешивают стержни до сварки. 5. Под руководством учебного мастера собирают инвентарные формы и устанавливают их на сварочный стол. 6. Производят сварку стыков арматурной стали ручной дуговой и механизированной сваркой, фиксируя при этом время горения электрической дуги, расход электродов и электродной проволоки. 7. После окончания сварки и остывания расплавленного металла формы разбирают, а сварной шов очищают от шлака. 8. Взвешивают шлак и сваренные стержни. 9. Определяют массу наплавленного металла, расход электродов и электродной проволоки на стык, полное время сварки. Расход электродной проволоки рассчитывают исходя из того, что потери металла на угар и разбрызгивание при сварке под флюсом составляют 2...5 % от массы наплавленного металла. 10. Оценивают удельный расход флюса по формуле Gф

gф

Gн

,

(5.1)

где Gф – масса флюса; Gн – масса наплавленного металла. 11.Визуально оценивают качество сварки – чешуйчатость поверхности сварного шва, трещины всех видов и направлений, наплывы, подрезы, не заваренные кратеры, непровары, пористость, отсутствие плавных переходов от одного сечения к другому. 12.Производят сравнение производительности ручной дуговой сварки и механизированной. 51

Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Схема, сущность и достоинства ванной сварки стержней арматурной стали. 3. Выбор и расчет параметров ванной сварки. 4. Техника выполнения ванной сварки. 5. Результаты выполнения практической части работы. 6. Выводы по работе.

52

Лабораторная работа № 6 ГАЗОВАЯ СВАРКА Цель лабораторной работы – ознакомление с сущностью процессов, способов, оборудованием и технологическими возможностями газовой сварки металлов и сплавов. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить сущность и способы газовой сварки, ее достоинства, недостатки и рациональные области применения; 2) изучить устройство поста газовой сварки; 3) ознакомиться с техникой выполнения газовой сварки и экспериментально исследовать влияние состава газосварочного пламени на его взаимодействие с металлом; 4) ознакомиться с технологией газовой сварки. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – пост ацетилено-кислородной сварки, горелки различных марок, секундомер, весы, линейка металлическая, керн, молоток, зубило, слесарные тиски, оправка; материалы – пластины из низкоуглеродистой стали толщиной 3…5 мм, прутки стальной проволоки марки Cв-08А диаметром 3…4 мм; плакаты – схемы поста газовой сварки, устройств ацетиленового и кислородного баллонов, ацетиленовых генераторов, газовых горелок, редукторов, строение ацетилено-кислородного пламени; справочная литература – выписки из инструкций, справочники, ГОСТы. 1. Сущность и способы газовой сварки Газовая сварка – это сварка плавлением, при котором для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки. В качестве горючих газов для сварки используются: ацетилен (C2H2), пропан-бутановые смеси (C3H8 + C4H10), природный газ, водород. В качестве окислителя используется кислород. На практике наибольшее применение находит ацетилено-кислородная сварка, поскольку ацетилен дает наиболее высокую температуру пламени и выделяет наибольшее количество теплоты при сгорании. 53

Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис. 6.1): ядра 1, средней (восстановительной) зоны 2 и факела 3. В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука, и разложение ацетилена на углерод и водород. 1

2

3

T, qС 3000 2000 1000 l

L, мм 2l

Рис. 6.1. Распределение температур по зонам сварочного пламени: 1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел

В зоне 2 происходит первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего вместе с ацетиленом из горелки. Эта зона имеет самую высокую температуру и обладает восстановительными свойствами, поэтому зону 2 называют сварочной или рабочей. В зоне 3 протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода. Эту зону называют окислительной, так как углекислый газ и пары воды, образующиеся в результате горения при высоких температурах, окисляют металл. Ацетилен – кислородное пламя в зависимости от соотношения в смеси количеств составляющих газов может быть нормальным, окислительным и науглероживающим. Характеристика видов ацетилено-кислородного пламени приведена в табл. 6.1. 54

Таблица 6.1

Вид пламени

Нормальное (восстановительное)

Окислительное

Науглероживающее

Соотношение

Краткая характеристика пламени

Основная часть

1,1…1,3

Четко очерченное ядро пламени, восстановительная зона и факел. Длина восстановительной зоны до 20 мм

Сварка стали, меди, бронзы и алюминия

Более 1,3

Укороченное, заостренное ядро с нечетким очертанием

Сварка латуни

Менее 1,1

Ядро увеличенное расплывчатого очертания, Сварка на конце которого обчугуна разуется зеленый венчик

Газовое пламя является местным поверхностным теплообменным источником теплоты, позволяющим весьма гибко регулировать распределение ее по заданным участкам поверхности изделия, а также между основным и присадочным металлом. Газовое пламя характеризуется наибольшими размерами пятна нагрева d, сравнительно низкими значениями удельного теплового потока q и эффективной мощности источника нагрева Qэф (табл. 6.2). Таблица 6.2

Источник нагрева

Qэф, кВт

q, кВт/см

d, мм

Газовое пламя

1...10

0,2...0,5

10...100

Электрическая дуга

0,1...80

5...100

1...50

В зону пламени подается присадочный материал в виде прутка или проволоки. Под действием тепла, выделившегося в пламени горелки, происходит расплавление кромок свариваемого металла 1 и присадочного материала 5, в результате чего образуется ванна расплавленного металла 4. По мере перемещения сварочной горелки происходят крис55

таллизация металла сварочной ванны и образование сварного шва. Схема процесса газовой сварки приведена на рис. 6.2. 1

2

5

3

4 Рис. 6.2. Принципиальная схема газовой сварки: 1 – свариваемый металл; 2 – наконечник газовой горелки; 3 – газосварочное пламя; 4 – сварочная ванна; 5 – присадочный материал

Свойства металла шва в значительной мере определяются процессами окисления и раскисления в сварочной ванне при взаимодействии газовой и шлаковой фазы с жидким металлом. Ввиду относительно невысокого защитного и восстановительного действия пламени раскисление шва достигается введением в сварочную ванну марганца и кремния посредством использования присадочного металла соответствующего сплава. Положительное влияние этих раскислителей состоит в создании жидкотекучих Si–Mn–Fe-шлаков, способствующих самофлюсованию сварочной ванны. Образующаяся на ее поверхности шлаковая пленка защищает расплавленный металл от кислорода и водорода газовой среды пламени. При сварке чугуна, цветных металлов и сплавов удаление образующейся на поверхности сварочной ванны окисной пленки достигается введением флюсов (техническая и прокаленная бура и др.), предохраняющих металл шва от окисления. Структурные превращения в сварном шве и околошовной зоне характеризуются образованием типичной для литого металла крупнокристаллической структуры с равновесными зернами неправильной формы. 56

Чем меньше перегрев металла шва при сварке и чем больше скорость охлаждения металла, тем мельче зерно в стали и тем выше механические свойства металла шва. Поэтому сварку целесообразно вести с максимально возможной скоростью. Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, что и при дуговой сварке. Однако ширина участков при газовой сварке значительно больше вследствие менее концентрированного теплового потока источника нагрева (пламени) и сравнительно более медленного охлаждения металла шва. Ширина зоны термического влияния (8…28 мм) зависит от толщины свариваемого металла, способа и режима сварки. Существуют два основных способа газовой сварки плавлением: правый и левый (рис. 6.3). При правом способе сварки пламя направлено на уже оплавленные кромки (сварочную ванну), а проволоку перемещают вслед за пламенем по спирали, не вынимая ее из сварочной ванны. а

б

Vсв

Vсв

Рис. 6.3. Способы газовой сварки: а – левый; б – правый

При левом способе пламя направлено на еще не расплавленные кромки металла, а присадочная проволока перемещается впереди пламени. При этом для более равномерного прогрева и перемещения металла сварочной ванны горелку и проволоку перемещают с поперечными колебаниями. Правый способ по сравнению с левым обеспечивает лучший КПД использования тепла пламени, благодаря чему повышается производительность сварки на 10…20 % и уменьшается расход газов на 10…15 %. 57

Выбор способа сварки зависит от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. Правый способ используется преимущественно при сварке металла толщиной более 4 мм; левый – при сварке металла толщиной менее 4 мм. Сварка в нижнем положении возможна как правым, так и левым способом. Вертикальные швы удобнее сваривать левым способом, горизонтальные и потолочные швы – правым. В зависимости от угла – наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла эффективность передачи тепла сварочным пламенем изменяется, достигая наибольшего значения при угле наклона 90º (рис. 6.4).

G, мм 16 14 13 12 10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 D

Рис. 6.4. Углы наклона мундштука при сварке металла различной толщины

Известны две разновидности газовой сварки плавлением: горячая с предварительным подогревом (общим или местным) и холодная (без предварительного подогрева). Горячая применяется преимущественно для сварки чугуна. простота используемого оборудования (не требуется источник универсальность метода, заключающаяся в возможности сварки в различных пространственных положениях всех видов соединений из разнообразных металлов и сплавов. 58

К числу недостатков газовой сварки следует отнести невысокую производительность (скорость сварки), бóльшую зону термического влияния, трудность автоматизации, бóльшую стоимость расходных материалов, чем при дуговой сварке. Газовую сварку применяют при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали, монтаже труб малого диаметра, сварке соединений и узлов из тонкостенных труб, сварке изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни, свинца и чугуна. Наибольшее применение газовая сварка получила при строительно-монтажных и ремонтных работах. 2. Устройство, назначение и технические данные оборудования для поста газовой сварки Газовая сварка применяется обычно в ручном варианте. Принципиальная схема поста газовой сварки представлена на рис. 6.5. 5

3

6 2

7

5

8

4

4

1

Рис. 6.5. Схема поста газовой сварки: 1 – кислородный баллон; 2 – ацетиленовый баллон; 3 – вентиль; 4 – редуктор; 5 – манометр высокого и низкого давления; 6 – шланг; 7 – газовая горелка; 8 – заготовка

Кислород, используемый для газосварочных работ, получают разделением воздуха на кислород и азот методом глубокого охлаждения (сжижения) с последующей ректификацией на фракции. Кислород поставляют к месту потребления в стальных баллонах емкостью 40 дм3 под давлением 15 МПа, что составляет около 6 м3 при нормальных условиях. Баллоны окрашены в голубой цвет с черной надписью «КИСЛОРОД». 59

Ацетилен получают в специальных аппаратах-газогенераторах при взаимодействии воды с карбидом кальция: СаС2 + 2Н2О

Са(ОН)2 + С2Н2 + О2

(6.1)

Газогенераторы бывают стационарные и переносные. Ацетиленовые генераторы взрывоопасны и нуждаются в специальном обслуживании, поэтому при работе одного-двух постов целесообразно использовать ацетилен, поставляемый в баллонах. Баллоны для ацетилена изготавливают из стали. Однако, в отличие от кислородных, они заполнены пористой массой (активированным углем), пропитанной ацетоном. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена при относительно небольшом давлении (1,5…1,9 МПа) и снизить его взрывоопасность. Емкость ацетиленового баллона – 40 дм3, что составляет 5,3 м3 газа при нормальных условиях. Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет с красной надписью «АЦЕТИЛЕН». Ацетилен и кислород из баллонов через понижающие газовые редукторы с помощью шлангов подаются в горелку, предназначенную для образования газосварочного пламени. Редуктор – это устройство для понижения давления газа, при котором он находится в баллоне, до величины рабочего давления и для автоматического поддержания этого давления постоянным, поэтому на редукторе расположены два манометра (один показывает давление в баллоне, другой – перед горелкой). Сварочная горелка – это устройство, служащее для смешивания горючего газа с кислородом и получения сварочного пламени. Конструкция горелки позволяет регулировать мощность, состав и форму сварочного пламени. Наибольшее применение имеют инжекторные горелки, работающие на смеси ацетилена и кислорода. В инжекторных горелках подача горючего газа в смесительную камеру осуществляется подсосом его струей кислорода, подаваемого в горелку с бóльшим давлением, чем давление горючего газа. Схема инжекторной горелки показана на рис. 6.6. Кислород и ацетилен под давлением поступают в горелку через ниппели 5. Кислород проходит по трубке, размещенной в пластмассовой рукоятке 6, и через вентиль 4 попадает в центральное сопло инжектора 3. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает 60

значительное разрежение в камере 2 и засасывает горючий газ, поступающий через ацетиленовые каналы горелки и вентиль 7 в камеру смесителя 5, где и образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 8 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образуется сварочное пламя. 2

4

3

5

О2

С2Н2 1

6

7 1

8

Рис. 6. Схема сварочной горелки инжекторного типа: 1 – мундштук; 2 – смесительная камера; 3 – инжектор; 4 – вентиль кислородный; 5 – ниппели; 6 – рукоятка; 7 – вентиль ацетиленовый; 8 – наконечник

Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать мощность ацетилено-кислородного пламени. Основные технические данные инжекторной горелки ГС приведены в табл. 6.3. Таблица 6.3 № наконечника 1

2

3

4

5

6

7

Параметр Толщина свариваемой 0,5–1,5 1,0–3,0 2,5–4,0 4,0–7,0 7,0–11,0 10,0–18,0 17,0–30,0 стали, мм Расход ацетилена, 50–135 135–150 250–400 400–700 700–1100 1050–1750 1700–2800 л/ч Расход кислорода, 50–140 140–260 260–420 420–750 750–1170 1170–1900 1900–3100 л/ч Диаметр канала 0,25 0,35 0,45 0,60 0,75 0,95 1,20 инжектора, мм Диаметр канала 0,80 1,15 1,50 1,50 2,0 2,50 3,0 мундштука, мм

61

3. Техника выполнения газовой сварки. Исследование влияния состава газосварочного пламени на пластичность металла шва Процесс изучения ведется под руководством учебного мастера в два этапа. Этап 1. Демонстрация техники выполнения сварочных операций: 1) зажигания и регулирования газовой смеси. При демонстрации пламени необходимо зарисовать (желательно в цвете) и описать отличительные черты пламени разного состава (нормального, окислительного, науглероживающего); 2) выполнения техники при левом и правом способах сварки швов в нижнем и вертикальном положениях (записать параметры режима сварки, характер формирования металла шва, траектории движения наконечника горелки и присадочного прутка); 3) влияния угла наклона оси пламени к поверхности металла на условия формирования сварного шва. Этап 2. Исследование влияния состава газосварочного пламени на его взаимодействие с металлом: 1) подготовка к сварке трех пластин из стали марки Ст3 размерами 4 25 150 мм и присадочных прутков из сварочной проволоки Cв-08 диаметром 3 мм; 2) взвешивание и маркировка пластин и прутков до сварки; 3) определение по таблице, представленной в лаборатории, среднечасового расхода ацетилена в соответствии с номером наконечника горелки, установленного для сварки (записать расход и номер наконечника горелки); 4) наплавка валика по центру каждой пластины при различном составе пламени ( = 1,1…1,2; > 1,3; < 1,1). При работе сварщика необходимо отметить время наплавки, рабочее давление кислорода и ацетилена и поведение сварочной ванны при формировании валика; 5) взвешивание пластин с наплавками и оставшихся присадочных прутков, измерение длины швов (валиков); 6) определение производительности процесса наплавки Q, г/ч, или , м/ч, и коэффициента потерь металла на угар и разбрызгивание , %; 7) оценка пластичности металла шва (валика) путем изгиба пластин в тисках на оправке с помощью молотка (рис. 6.7). Загиб пластины осуществляется постепенно до появления трещины в зоне наибольших 62

ние угла загиба ; 8) анализ на основе полученных результатов влияния состава газосварочного пламени на пластичность металла шва стали Ст3. D

P 1

0,5 Lобр

2 3

Трещина R

D – угол загиба Рис. 6.7. Схема испытания на изгиб: 1 – образец; 2 – оправка; 3 – тиски

Содержание отчета 1. Цель и задача работы. 2. Сущность и способы газовой сварки (конспективно). 3. Принципиальные схемы поста газовой сварки и сварочной горелки. 4. Результаты исследования влияния состава газосварочного пламени на пластичность металла шва. 5. Выводы по работе.

63

Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ..........................................................................................................3 Лабораторная работа № 1. РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА.................................. 4 Лабораторная работа № 2. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА ........18 Лабораторная работа № 3. ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ ......27 Лабораторная работа № 4. КОНТАКТНАЯ СВАРКА ........................................34 Лабораторная работа № 5. СВАРКА АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ МОНТАЖЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ...................................42 Лабораторная работа № 6. ГАЗОВАЯ СВАРКА ...................................................53

Учебное издание Гордиенко Валерий Евгеньевич Гордиенко Евгений Григорьевич Степанов Сергей Александрович Кнышев Юрий Владимирович

СВАРКА Часть I ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ Учебное пособие Редактор О. Д. Камнева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 14.09.09. Формат 60 84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 3,7. Тираж 1500 экз. Заказ 95. «С» 42. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул, д. 5.