НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИУ МЭИ СЛИВА Андрей Петрович

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИУ МЭИ СЛИВА Андрей Петрович Дуговая сварка металлов

Физические основы сварочного производства. Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений путем установления межатомных связей между свариваемыми частями изделия при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании или же совместном действии нагрева и пластического деформирования. Соединение таких монокристаллов в единое целое произойдет, Образование соединения в твердой фазе: а – монокристаллы до соединения б – монокристаллы после соединения если сблизить их поверхности на расстояние ∆, равное или близкое по величине параметру решетки. Термодинамически такой процесс оправдан снижением свободной энергии системы на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела. ∆Е=ЕА-ЕБ Этот переход будет возможен при условии преодоления некоторого энергетического барьера, связанного с необходимостью изменения устойчивого энергетического состояния атомов, находящихся на соединяемых поверхностях ЕБА ЕАБ а) Энергия системы E A Б б) 1 – атом; 2 – граница Положение атома ЕАБ – энергия активации (энергетический барьер)

Соединение реальных твердых тел (сварка) затрудняется рядом обстоятельств: • реальные тела – поликристаллические; • они не имеют идеально гладких поверхностей; • задача соединения их в одно целое значительно осложняется наличием на соединяемых поверхностях загрязнений. Следовательно, в реальных условиях для формирования неразъемного соединения необходимо затратить энергию не только на активацию поверхностных атомов, но и на очистку их от загрязнений и формирование сплошного физического контакта (выравнивание поверхностей). Таким образом, соединяемые поверхности предварительно подвергают определенной обработке (термической, механической, химической или др. ) обеспечивающей удаление поверхностных загрязнений и получение определенной геометрии поверхностей. Однако в атмосфере обработанные поверхности загрязняются. При этом со временем степень загрязнения возрастает. По этой причине регламентируют время хранения деталей после обработки соединяемых поверхностей до проведения процесса формирования неразъемного соединения. При сварке плавлением указанные процессы осуществляются в результате местного расплавления соединяемых поверхностей и образования общей сварочной ванны. В жидком металле связи между атомами сохраняются. Сохраняются они и на образовавшихся при расплавлении кромок межфазных границах: твердый металл – жидкий. Поэтому для образования непрерывной межатомной связи достаточно появления общей сварочной ванны и, как следствие, исчезновения границы между соединяемыми поверхностями. Образование общей сварочной ванны – основной и обязательный этап формирования соединений при сварке плавлением. Образование соединения через жидкую фазу (сварка плавлением): а – до расплавления кромок свариваемых металлов; б – после расплавления кромок и образования сварочной ванны; 1 – атомы внешней среды (загрязнения, окалина, окислы); 2 – атомы металла (основной металл); 1 – твердый металл; 2 – межфазная граница (линия сплавления); 3 – жидкий металл (сварочная ванна); 4 – атомы жидкого металла

Вид энергии используемый при сварке Термический Термомеханический Механический Дуговая сварка Контактная сварка Холодная сварка Электрошлаковая сварка (ЭШС) Диффузионная сварка Сварка взрывом Электроннолучевая сварка (ЭЛС) Прессовая сварка Плазменная сварка Лазерная сварка • • • газопрессовая дугопрессовая шлакопрессовая Сварка трением Ультразвуковая сварка

Дуговая сварка Электрошлаковая сварка (ЭШС) Электроннолучевая сварка (ЭЛС)

Плазменная сварка Контактная сварка Диффузионная сварка Холодная сварка

Сварка взрывом Сварка трением Ультразвуковая сварка

Деление по техническим и технологическим признакам - По виду электрода и применению присадочной проволоки - По виду дуги и степени её погружения в сварочную ванну - По роду сварочного тока, его частоте и полярности - По наличию внешнего воздействия на формирование шва - По количеству дуг с раздельным питанием тока - По количеству электродов с общим подводом сварочного тока - По наличию и направлению колебаний электрода относительно оси шва - По типу защитного газа и характеру защиты металла в зоне сварки - По непрерывности процесса сварки - По степени механизации процесса сварки

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Сварным соединением как конструктивным элементом называют участок конструкции, в котором отдельные ее элементы соединены с помощью сварки. В сварное соединение входят: сварной шов, зона термического влияния (ЗТВ) Сварной шов – участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Сварочная ванна – часть сварного шва, находящаяся при сварке в жидком состоянии. Зона термического влияния (ЗТВ) – прилегающая к сварному шву зона основного металла со структурными и другими изменениями в результате термического действия сварки. Основной металл (ОМ) – металл подвергающийся сварке. Присадочный металл – металл, вводимый в сварочную ванну, в дополнение к расплавленному основному металлу. Металл шва – сплав, образованный переплавленным основным и присадочным металлом или только переплавленным основным металлом. По форме сопряжения сварные соединения делятся на: Стыковые Тавровые угловые Нахлесточные Сварной шов ЗТВ ОМ

Условное обозначение соединений Стыковое соединение – сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Сварное соединение Стыковое Условное обозначение Стыковое – С 1…С 45

Условное обозначение соединений Угловое соединение сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев. Сварное соединение Угловое Условное обозначение Угловое – У 1…У 10

Условное обозначение соединений Тавровое соединение – сварное соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента (полке) примыкает под прямым углом торцом другой элемент (стойка). Сварка ведется на торце с одной или двух сторон. Сварное соединение Тавровое Условное обозначение Тавровое – Т 1…Т 9

Условное обозначение соединений Нахлесточное соединение сварное соединение, в котором свариваемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друга. Сварное соединение Нахлёсточное Условное обозначение Нахлёсточное – Н 1…Н 2

Конструктивные элементы разделки кромок Кромки – торцевые поверхности деталей, подвергающиеся нагреву и плавлению при сварке. Придание кромкам необходимой формы называется разделкой кромок.

Конструктивные элементы сварного шва стыкового соединения Усиление (выпуклость) шва – часть металла шва, выступающая над поверхностью свариваемых деталей. Катет шва – кратчайшее расстояние от поверхности одной из свариваемых частей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой части.

Классификация сварных швов по расположению в пространстве

Классификация сварных швов

Условное изображение и обозначение сварных швов на чертежах 4 – Условное обозначение способа сварки по стандарту на типы и конструктивные элементы швов сварных соединении (допускается не указывать): Р – РДС, Г – газовая сварка, А – АДСФ, Аф – АДСФ на флюсовой подушке, Ам – АДСФ на медно-флюсовой подушке, П – полуавтоматическая сварка под слоем флюса, Ш – ЭШС, Аз – автоматическая сварка в защитных газах и др. 5 – Размер катета согласно стандарту на типы и конструктивные элементы швов сворных соединений, например 5 катет равен 5 мм. 6 – Знак протяженности шва 1 – Вспомогательные знаки шва по замкнутой линии и монтажного шва 7 – Вспомогательные знаки 2 – Обозначение стандарта на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений в зависимости от толщины изделия и способа сварки 3 – Буквенно цифровое обозначение шва по стандарту на типы и конструктивные элементы сварных соединений Шов стыкового соединения с криволинейным скосом одной кромки, двусторонний, выполняемый дуговой ручной сваркой при монтаже изделия. Усиление снято с обеих сторон. Параметр шероховатости поверхностей шва: с лицевой стороны — Rz 20 мкм с оборотной стороны — Rz 80 мкм

Строение сварного соединения и свариваемость сталей Процесс сварки – это комплекс одновременно протекающих физических процессов: - плавление кромок соединяемых элементов в зоне сварки; - металлургические процессы в расплавленном металле; - тепловое воздействие на основной металл и околошовные участки; - кристаллизация расплавленного металла и формирование металла шва. Образование общей сварочной ванны, хотя и является основным и необходимым этапом формирования соединения, все же еще не определяет конечные свойства полученных соединений. Конечные свойства полученных соединений зависят от ряда процессов, сопутствующих образованию сварочной ванны, – процессов, которые приводят к формированию в зоне сварного соединения металла шва и зоны термического влияния. Кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны состоит из двух одновременно протекающих процессов: зарождение зародышей или центров кристаллизации и рост кристаллов из этих центов. В зависимости от способов образования зародышей различают гомогенную или гетерогенную кристаллизацию. В чистом от примесей жидком металле при охлаждении зародыши образуются из наиболее крупных фазовых флуктуации жидкой фазы, выделение которых связано с флуктуациями энергии (гомогенное зарождение). В технических металлах всегда имеются дисперсные включения примесей, на поверхности которых и происходит образование центров кристаллизации (гетерогенное зарождение).

Схема кристаллизации и строения металла шва разной ширины и глубины проплавления Энергетически более выгодно возникновение зародышей твердой фазы в кристаллизующейся жидкости на готовых межфазных поверхностях. Наилучшие очаги гетерогенной кристаллизации частицы или поверхности того же металла, что и расплав, например оплавленные зерна основного металла. Они становятся зародышевыми центрами кристаллизации, на которых, как на своеобразной подкладке, начинают расти первичные кристаллы шва. Растут кристаллы нормально к поверхности охлаждения в глубь жидкого металла ванны, в направлении, обратном отводу теплоты. Влияние режима сварки на направление роста кристаллитов при затвердении 1. Большая сила сварочного тока, низкое напряжение (короткая дуга), высокая скорость сварки (>h, e)

Строение сварного соединения Структура сварного соединения определяется исходной структурой свариваемых материалов, характером физического воздействия на него и степенью завершенности фазовых и структурных превращений, протекающих при сварке. Наибольшее количество структурных изменений при сварке наблюдается в металлах, претерпевающих полиморфные превращения. В металлах, не претерпевающих структурных и фазовых превращений, структура металла шва определяется его первичной кристаллизацией и представляет характерные столбчатые кристаллы, выросшие от линии сплавления к цен-тру шва. Схема сварного соединения при сварке доэвтектоидной стали и диаграмма состояния системы Fe-Fe 3 C Т, °С Тmax 1 2 а 2 б 3 4 5 6 А Б А – Металл шва (МШ) Б – Зона термического влияния (ЗТВ) 1 – зона сплавления; 2 – участок полной перекристаллизации: а – участок перегрева б – участок перекристаллизации ; 3 – участок не полной перекристаллизации; 4 – зона рекристаллизации (высокотемпературного отпуска); 5 – зона низкотемпературного от пуска и механического влияния 6 – основного металла

Зоны сварного соединения при сварке доэвтектоидной стали А – металл шва (МШ) претерпевает наибольшее изменение химического состава металла (здесь наблюдается наибольшая неоднородность по составу). МШ имеет литую структуру (характерное дендритное строение), его свойства зависят от состава, условий защиты и металлургических процессов, протекающих в сварочной ванне, легирования, условий кристаллизации и последующего охлаждения. В зависимости от условий сварки в МШ возможно образование дефектов: непроваров, наплывов, прожогов, подрезов, пор, шлаковых включений, горячих и холодных трещин и др. Б – зона термического влияния (ЗТВ) – зона основного металла, примыкающая к металлу шва, в которой наблюдается изменение исходных свойств свариваемого (основного) металла в результате воздействия термического цикла сварки. Характер изменения свойств, с одной стороны, зависит от свойств свариваемого металла, с другой – от термического цикла сварки. Процессы, протекающие в ЗТВ, оценивают по диаграмме состояния и характеру распределения максимальной температуры нагрева Тmax. При сварке доэвтектоидной стали выделяют следующие области ЗТВ: 1 – Зона сплавления (высокотемпературная область) – область, где металл нагревался в процессе сварки выше температуры солидус Тmax > ТC и поэтому находился в твердо жидком состоянии. Как правило, эта область является наиболее слабым звеном сварного соединения. Ширина этой зоны зависит от химического состава металла (т. е. температурного интервала кристаллизации сплава в равновесных условиях) и температурного режима нагрева и охлаждения, т. е. от положения неравновесных температур ликвидус и солидус. Здесь, так же, как в шве, наблюдается существенное изменение химического состава и свойств металла под действием цикла сварки, как за счет особенностей кристаллизации, так и вследствие протекания диффузионных процессов. В данной области возможно образования горячих трещин. Горячие трещины – хрупкие межкристаллитные разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие при кристаллизации и при высоких температурах в твердом состоянии. Причины образования – интенсивность нарастания деформации при сварочном цикле больше, чем пластичность металла при данной температуре.

2 – Область полной перекристаллизации – область, где температура в процессе сварки превышала температуру конца фазового превращения TC > Тmax > ТА 3 состоит из двух участков: а – участок перегрева, где температура превышала температуру начала интенсивного роста зерна^ TC > Тmax > ТА 3 + (200 – 300°C) б – участок перекристаллизации, где процессы превращения Феррита в Аустенит завершаются полностью: ТА 3 + (200 – 300°C) < Тmax < ТА 3. В данных областях по мере увеличения Тmaх наблюдается укрупнение зерна, следовательно снижаются механические свойства (δ, KCU), при этом однородность зерен по составу повышается. В зависимости от свойств сплава и условий охлаждения в рассматриваемой области возможно формирование различных метастабильных структур – происходит полная или частичная закалка и появляется вероятность образования холодных трещин. Т, °С Тmax 1 2 а 2 б 3 4 5 6 А Б Холодные трещины – межкристаллитные разрушения, образовавшиеся в сварных соединениях при низких температурах Т = 350 – 400 °С после сварки или при комнатной температуре в последующие сутки. Причины образования – охрупчивание металла шва из за образования закалочных структур мартенситного класса; остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях.

3 – Область неполной перекристаллизации – температура превышала температуру начала фазового превращения ТА 3 > Тmax > ТА 1. Структурные изменения менее значительны, чем в зоне 2, но и здесь возможно разупрочнение металла: формируются неодинаковые и неоднородные по составу фазы. В процессе охлаждения в зависимости от свойств свариваемого сплава возможно формирование различных метастабильных структур (неполная закалка). 4 – Область рекристаллизации - температура превышала температуру последней перед сваркой термической обработки ТА 1 > Тmax > ТТО. Свойства металла зависят от начального состояния металла: отожженная сталь – свойства не меняются; деформированная сталь – происходит рост зерна, следовательно, меняются механические свойства (предел прочности, пластичность и твердость); закаленная сталь – происходит отпуск структуры, следовательно, происходит разупрочнение. 5 – зона нагрева металла до температуры существенно ниже температуры фазовых превращений 300 > Тmax > 100 °С. Т, °С Тmax В этой зоне у некоторых металлов может наблюдаться снижение пластических свойств и 1 ударной вязкости за счет старения металла или его 2 а наклепа вследствие пластической деформации и отсутствия процесса рекристаллизации. В общем 2 б случае влияние таких изменений на свойства сварного соединения незначительно, однако в 3 отдельных случаях эта зона может обладать худшими 4 коррозионными свойствами, повышенной твердостью, худшей длительной прочностью. Кроме 5 того, в зоне наблюдается повышенная плотность 6 дефектов кристаллического строения. 6 – Область основного металла Тmax ≤ 100°C – основной металл, не претерпевающий изменений в процессе сварки. Возможно возникновение А Б остаточных напряжений, не превышающих предела текучести.

Свариваемость сталей Свариваемость металлов – это способность металлов образовывать неразъемные соединения с заданным комплексом свойств в условиях принятого технологического процесса. Оценку свариваемости следует проводить применительно к определенным условиям сварки. В связи с этим, можно говорить об удовлетворительной или неудовлетворительной свариваемости того или иного металла в условиях принятого технологического процесса и даже принятых режимов сварки. Наибольшее влияние на свариваемость углеродистых сталей оказывает Свариваемость зависит от: углерод: с увеличением его содержания увеличивается вероятность • состава свариваемого металла; образования закалочных структур, увеличивается вероятность образования • способа сварки; холодных трещин, и труднее обеспечить прочность сварного соединения на • назначения изделия. уровне основного металла. Кроме того, чувствительность стали к образованию закалочных структур (мартенсита) и склонность к образованию трещин тем выше, чем больше в стали содержится легирующих элементов. Степень влияния отдельных легирующих элементов различна и может быть оценена по различным признакам, одним из которых является эквивалент по углероду: I группа – сварку осуществляют с использованием любой технологии сварки плавлением, при этом не требуется подогрев и последующая термообработка. II группа – при сварке требуется предварительный подогрев (150 – 200 °С). III группа – при сварке требуется предварительный подогрев (200 – 300 °С) и последующая термообработка. IV группа – сварка очень затруднительна, практически всегда образуются трещины. Сварку осуществляют с предварительным и сопутствующим подогревом до 300 -400 °С обязательна последующая термообработка.

Специальные технологические мероприятия для устранения образования трещин 1. Создание термического цикла сварки, устраняющего образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогрев, сварка короткими участками и др. ). В случае сварки с предварительным подогревом снижается мгновенная скорость охлаждения при всех температурах особенно в области температур наименьшей устойчивости аустенита. При сварке с сопутствующим подогревом можно задавать любую скорость охлаждения в интервале температур фазовых и структурных пре вращений. 2. Снижение содержания водорода в металле сварного соединения: улучшении защиты металла сварочной ванны, тщательная подготовка поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, использование флюсов и электродных обмазок с низким содержанием водорода и его соединений и др.

Распределение напряжений в сварных соединениях В сварных соединениях могут возникать связующие напряжения и рабочие напряжения. Связующие напряжения (а, в) возникают вследствие совместной деформации металла шва и основного металла. В связующих швах при их работе в пределах упругих деформаций образуются напряжения той же величины, что и в растягиваемых полосах основного металла Рабочие напряжения (б, г) передающие усилия с одного элемента на другой. Рабочие напряжения действуют в сварных соединениях, разрушение которых приводит к выходу из строя всей конструкции. Вследствие совместной работы связующих швов с основным металлом связующие напряжения не опасны для прочности конструкции, поэтому при расчете прочности сварных соединений их можно не учитывать. При расчете прочности сварных соединений определяются только рабочие напряжения. При этом предполага ется, что усилия распределены равномерно по поперечному сечению соединяемых элементов. В действительности же распределение усилий и напряжений в сварных соединениях неравномерное. В отдельных зонах или участках небольшой протяженности напряжения могут достигать значительной величины. Степень концентрации напряжений в сварных соединениях определяется коэффициентом концентрации напряжений. Теоретическим коэффициентом концентрации напряжений называют величину отношения максимальных напряжений в зоне концентрации к средним напряжениям в сечении: Концентрацию напряжений в сварных соединениях вызывают следующие причины: - технологические дефекты шва — непровары, включения, поры, трещины, подрезы и несплавления, и др. ; - нерациональные очертания швов — форма, размеры, σмакс и σсред – соответственно максимальные и усиления и ослабления, радиусы сопряжения и др; средние напряжения в сечении - нерациональные конструкции соединений.

Распределение напряжений в стыковых швах Стыковые швы при всех видах сварки дуговой, контактной, электронно лучевой являются оптимальными в отношении концентрации напряжений. При доброкачественном технологическом процессе, отсутствии пор, непро варов, включений, смещении кромок, при доведении до минимума остаточных местных сварочных деформаций и, что особенно важно, при рациональном очертании швов, их плавных сопряжениях с основным металлом результи рующий коэффициент концентрации напряжений может быть сведен до значений, близких к единице. В стыковых соединениях с обработанными гладкими поверхностями швов, не имеющих внутренних дефектов, напряжения от продольной силы распределяются по поперечному сечению равномерно и определяются по формуле: где P сосредоточенная сила, l – длина шва, s толщина деталей. Если поверхность шва имеет форму, показанную на рисунке, то распределение напряжений по сечению шва неравномерно. В данном случае напряжения измерены в различных точках по длине испытуемого образца на верхней и нижней поверхностях. Как видно, форма стыкового шва оказывает влияние на распределение напряжений. Напряжение, действующее в сечении, удаленном от зоны шва, условно принято за единицу. Наибольший коэффициент концентрации со стороны вершины шва у начала усиления равен 1, 6, а со стороны корня шва — 1, 5. Теоретическим путем установлено, что концентрация напряжений в зоне стыкового шва может иметь три причины: 1. Концентрация напряжений, определяемая очертанием шва. 2. Концентрация напряжений в стыкуемых элементах вследствие смещения кромок соединяемых деталей. 3. Концентрация напряжений в результате местного изгиба, вызываемого остаточной деформацией при сварке, определяемой величинами С и γ.

Распределение напряжений в лобовых швах Решение задачи определения напряжений в лобовом шве выполнено методом теории упругости, когда шов рассматривается как упругое тело, имеющее форму треугольной призмы и нагруженное по одной стороне равно мерно распределенной нагрузкой, равной напряжениям в накладке σ. Величина катета треугольной призмы равна длине катета шва К. На элемент в сечении лобового шва, вырезанный двумя смежными радиальными плоскостями и концентрическими цилиндрическими поверхностями, действуют напряжения трех видов: - нормальные напряжения σr, направленные по радиусам, соединяющим элемент d. F в сечении шва с его вершиной; - нормальные напряжения σθ, действующие по граням элемента по направлениям, перпендикулярным к радиусам; - касательные напряжения τrθ. Теорией упругости доказано, что при решении данной задачи напряжения σr, σθ, τrθ зависят только от одного переменного угла θ и не зависят от r. Эпюры напряжений σr, σθ и τrθ в шве

Распределение напряжений в лобовых швах Касательные напряжения определяют по формуле Расчетные касательные напряжения τ, действующие в равнобедренном треугольнике лобовом шве по плоскости биссектрисы прямого угла, определяются по формуле (К длина катета шва; σ напряжение в накладке) Наибольшее значение коэффициента концентрации напряжений в лобовом шве при β = 45° Напряжения σθ не превышают напряжения σ, действующие в накладке. При увели чении угла β до 60°, т. е. при изменении формы лобового шва, напряжение σr уменьшается и коэффициент становится равным 2, 2. Экспериментально изучены коэффициенты концентрации напряжений в лобовых швах, имеющих различные очертания: В образце А величина наибольшего напряжения принята за единицу, пониженные значения коэффициентов концентрации напряжений имеют швы с профилями Г и Е. Существенно уменьшается концентрация напряжений и улучшается работа лобового шва, когда шву придают форму неравнобедренного треугольника с основанием, равным 1, 5 – 3, 0 высоты катета. Приведенные величины напряжений в лобовых швах верны при условии, что σ<σт; в противном случае распределение напряжений в лобовом шве изменяется.

Распределение напряжений во фланговых швах При определении напряжений во фланговых швах необходимо учитывать упругие де формации соединяемых элементов и швов. Под действием растягивающих усилий основные элементы соединений удлиняются и переме щаются, во фланговых швах происходят сдвиговые деформации. Наибольшие сдвиги происходят в крайних точках шва, наименьшие – в средних. Поэтому касательные напряжения распределяются по длине швов неравномерно. В соединениях элементов, у которых F 1=F 2=F, усилие во фланговых швах на единицу длины в сечении с координатой х определяется уравнением где l – длинна флангового шва; P – растягивающая сила; где E – модуль упругости при растяжении, G – модуль упругости при сдвиге, F – площадь поперечного сечения элемента. Наибольшие усилия qx при x = 0 и x = l составят: Для равнопрочных соединений при [τ΄]=0, 6[σ]р и швах в форме равнобедренного треугольника теоретический коэффициент концентрации напряжений во фланговых швах вычисляют по формуле:

Распределение напряжений во фланговых швах При неравновеликих площадях поперечных сечений соединяемых элементов (например, F 1

Усложнение схемы напряженного состояния вблизи концентраторов В сварных соединениях распределение напряжений неравномерно. Имеет место их концентрация, т. е. образование значительных напряжений на участках малой протяженности. Нормальные напряжения в сечении А–А При y = d/2, σ`= 3σ, т. е. теоретический коэффициент концентрации КТ = σ`/σ = 3. При y =2 d, σ`= 1, 04 σ, т. е. приближается к единице.

Усложнение схемы напряженного состояния вблизи концентраторов Диаграммы растяжения пластичного металла приближенно заменяют двумя прямыми: наклонной, выражающей зависимость напряжения σТ от деформации в упругой области, и горизонтальной. Горизонтальная прямая показывает, что при ε→εТ деформация протекает пластически, без увеличения нагрузки, приложенной к испытуемому элементу. Допустим, что около отверстия напряжение достигло значения σТ. Это соответствует деформации εТ. При увеличении нагрузки деформации возросли, но напряжения в зоне, где ε > εТ, как это следует из схематизированной диаграммы растяжения, остаются равными σТ. Эпюра станет изменять свою форму и выравниваться. Приближенно можно принять, что она примет очертание, близкое к прямоугольному, что положено в основу расчета прочности по элементарным формулам. Сглаживание эпюры напряжений в пластической стадии, рассмотренное на конкретном примере, является закономерным процессом, имеющим место во многих элементах конструкций из пластичных сталей (низкоуглеродистые и низколегированные). Однако концентрация напряжений существенно снижает прочность при переменных нагрузках; в случае ограниченной пластичности металла и при статических нагрузках.

Методы расчета стальных конструкций В настоящее время существуют два метода расчета на прочность: по предельному состоянию по допускаемым напряжениям. Первый метод применяется, в основном, при расчете строительных конструкций (каркасов жилых зданий, мостов, трубопроводов и т. д. ), второй – для расчета прочности машиностроительных конструкций. Метод расчета по предельному состоянию. При расчете по этому методу используют две группы предельных состояний: а) предельное состояние, определяемое несущей способностью конструкции (прочностью, устойчивостью или выносливостью); б) предельное состояние, ограниченное наибольшей деформацией конструкции (прогибами три статических нагрузках и колебаниями – при динамических). Граничное условие при использовании первой группы предельных состояний: NP ≤ Ф где NP наибольшая расчетная нагрузка в элементе конструкции (зависит от приложенных нагрузок). Это может быть продольная сила N, изгибающий момент М, перерезывающая сила Q или сочетание этих силовых факторов; Ф – предельная нагрузка (несущая способность конструкции), которую может воспринять рассчитываемый элемент (зависит от материала и размеров элемента). Граничное условие при использовании второй группы предельных состояний: f ≤ fпр где f — наибольшая деформация, или перемещение конструкции (зависит от материала, нагрузок и системы конструкции); fпр – предельная допускаемая деформация или перемещение (зависит от назначения конструкции и устанавливается строительными нормами и правилами).

Метод расчета по допускаемым напряжениям Это метод принят в машиностроении (в том числе, в энергомашиностроении). Величину допускаемых напряжений для основного металла устанавливают в зависимости от следующих факторов: 1) от свойств материала, – чем выше механические свойства используемого материала, тем выше допускаемые напряжения; 2) от степени точности расчета, – чем выше точность расчета, тем меньше коэффициент запаса прочности и, следовательно, выше допускаемые напряжения; 3) от характера нагрузок – при переменных нагрузках допускаемые напряжения меньше, чем при статических; 4) от рода усилий (растяжение, сжатие, изгиб, срез) и вида технологического процесса. Допускаемое напряжение при растяжении [σ] считают основным. При статических нагрузках его определяют по формуле [σ] = [σ]P = σТ/nз (1) где nз – коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 1, 2 – 1, 6. Допускаемые напряжения при других видах усилий принимают как производные от [σ]P: при сжатии коротких элементов (в которых продольный изгиб не может иметь места): [σ]сж = [σ]P; при сжатии длинных элементов: [σ]сж = [σ]P φ; допускаемые напряжения на изгиб: [σ]изг = [σ]P; допускаемые напряжения на срез обычно принимают равными: [τ] = (0, 5 – 0, 65) [σ]Р; при переменных нагрузках допускаемые напряжения принимают равными: γ [σ]Р, где коэффициент γ ≤ 1. В дальнейшем будет рассмотрен только метод расчета сварных соединений по допускаемым напряжениям.

Основные формулы, используемые при расчете элементов конструкций по допускаемым напряжениям P, М, Q – расчетные силовые факторы: продольная сила, изгибающий момент, перерезывающая сила действующие в сечении; F, W – соответственно, площадь и момент сопротивления поперечного сечения; S – статический момент сдвигающейся части сечения относительно нейтральной оси; J – момент инерции сечения относительно нейтральной оси; δ – толщина сечения, в кото ром определяются напряжения; φ – коэффициент продольного изгиба; σэкв – эквивалентное напряжение.

Допускаемые напряжения в сварных конструкциях Все принятые в инженерной практике методы расчета сварных соединений являются приближенными, дающими возможность получить решение с меньшей затратой времени. Наиболее трудной и ответственной частью расчета является правильный выбор допускаемых напряжений с учетом всех особенностей рассчитываемой конструкции, технологии ее изготовления и условий эксплуатации. Допускаемые напряжения для сварных швов будем обозначать теми же символами, что и для основного металла, добавляя знак штриха: [σ']р, [σ']сж, [τ'] и т. д. Величину допускаемых напряжений в сварных швах машиностроительных конструкций устанавливают в зависимости от их значений для основного металла, вида технологического процесса сварки и способа контроля. Сварные соединения сталей, выполненные дуговой сваркой, по определению допускаемых напряжений делятся на две группы: К первой группе относятся швы низкоуглеродистых сталей обычного качества и низколегированных, у которых механические свойства швов и зоны термического влияния соответствуют свойствам основного металла. Для них допускаемые напряжения назначают в долях от расчетных сопротивлений и допускаемых напряжений для основного металла. Ко второй группе относятся швы сталей со специальными свойствами (высокопрочные, коррозионностойкие), у которых свойства швов или металла околошовной зоны хуже свойств основного металла. Для швов этой группы сталей допускаемые напряжения назначаются на основе специально проведенных экспериментов в условиях, соответствующих работе проектируемой сварной конструкции.

Допускаемые напряжения в сварных швах первой группы Виды сварки Тип шва Род усилия ручная, электроды Э 42, Э 50 автоматическая, полу автоматическая, электродами Э 42 А, Э 50 А без обработки Стыковые и угловые с подваркой корня Растяжение 0, 8 [σ]P 0, 9 [σ]P 1, 0 [σ]P Сжатие 0, 9 [σ]P 1, 0 [σ]P Срез 0, 6 [σ]P 0, 65 [σ]P Правильный технологический процесс обеспечивает получение прочностных характеристик металла соединения не ниже характеристик основного металла. Однако при некачественном выполнении шва в нем могут оказаться внутренние дефекты (поры, газовые и шлаковые включения и др. ) - источники концентрации напряжений, которые будут ослаблять шов при работе на растяжение. Поэтому стыковой шов, работающий на растяжение, принимается равнопрочным основному металлу только в том случае, если он будет надежно проверен одним из физических методов контроля (просвечивание рентгеновскими, проверка ультразвуком) и признан годным к эксплуатации. На стыковые швы, работающие на сжатие или срез, влияние возможных внутренних источников концентрации напряжений оказывается меньшим, а потому применение физических методов контроля для них не является обязательным. Это позволяет принимать для таких швов расчетные сопротивления равными сопротивлению основного металла. Угловые швы (лобовые и фланговые) всегда испытывают совокупность воздействий осевой силы, изгиба и среза, имеют значительную концентрацию напряжений, и их расчет носит условный характер.

Расчет основных видов сварных соединений на статическую прочность Расчет сварных соединений со стыковыми швами При действии продольной (растягивающей или сжи мающей) силы в сварных соединениях с прямыми стыковы ми швами, выполненными различными способами сварки плавлением, распределение напряжений по длине и толщи не шва принимают равномерным и определяют : При действии на прямой стыковой шов изгибающего момента М напряжения в сварном шве рассчитывают: (3)

Расчет сварных соединений со стыковыми швами Р, М, Q — соответственно, продольная сила, изгибающий момент, перерезывающая сила, действующие в сечении; Fш, Mш, Jш — соответственно, площадь, момент сопротивления и момент инерции сечения сварного шва: Fш = δ l; Mш = δ l 2/6; Jш = δ l 3/12; Sш – статический момент относительно, нейтральной оси части сечения сварного шва, расположенной выше (ниже) уровня рассматриваемых волокон; l, δ – соответственно, расчетная длина и толщина шва; α – угол между направлением продольной силы и осью косого шва. Если шов не выведен на выводные планки, то его расчетная длина уменьшается на 10 мм. Расчетная толщина шва принимается равной толщине основного металла, если шов выполнен с полным проваром. Если же шов заварен не на всю толщину, то δ берется равной истинной толщине шва.

Расчет сварных соединений с угловыми швами С помощью угловых швов можно выполнять нахлесточные, тавровые и угловые соединения. В инженерной практике угловые соединения, как правило, не являются рабочими и на прочность их не рассчитывают. Угловые швы можно выполнять за один или несколько проходов, обеспечивая различную глубину провара основного металла. По очертанию угловые швы бывают нормальные (а, б, в, е), выпуклые (г) и вогнутые (д). Иногда угловые швы выполняют в виде неравнобедренных треугольников с отношением основания К 2 к высоте K 1 1, 5: 1 или 2: 1 (е). В инженерной практике принято производить приближенный расчет прочности угловых швов на срез. При статических нагрузках и треуго льном очертании шва слабым сечением считают сечение, совпадающее с плоско стью, обозначенной пунктиром и равной по высоте hp расчетная толщина шва. Площадь среза углового шва зависит hp и его длины. , в свою очередь, связана с катетом шва К зависимостью: β — коэффициент, зависящий от глубины проплавления, т. е. от технологического процесса сварки. Он принимается равным: 0, 7 – для ручной, многопроходной автоматической и полуавтоматической сварки; 0, 8 – для двух и трехпроходной полуавтоматической сварки; 0, 9 – для двух и трехпроходной автоматической сварки и однопроходной полуавтоматической сварки; 1, 0 – для однопроходной автоматической сварки

Расчет сварных соединений с угловыми швами При действии статических растягивающих, сжимающих или срезающих нагрузок сварные угловые швы рассчитывают по формуле Минимальная длина угловых швов должна быть не менее 4 hр и не менее 30 мм. Для соединений внахлестку изображенных на рисунке усло вие прочности будет иметь вид При использовании в соединении внахлестку комбиниро ванных угловых швов ратных катетов условие прочности (1) сохраняется, но под длиной шва подразумевается длина пери метра всех швов, т. е.

Расчет сварных соединений с угловыми швами прикрепляющими уголок Уголок находится под действием продольной силы Усилие Р воспринимается лобовым и фланговыми швами. Усилие, воспринимаемое лобовым швом: Усилие, воспринимаемое фланговыми швами: Соответственно длина фланговых швов l 1 и l 2 распределяется так:

Расчет сварных соединений с угловыми швами прикрепляющими уголок Значения величин c/b и a/b для разных уголков принимают по таблице

Расчет соединений работающих при переменных нагрузках Тавровые соединения применяют для соединения элементов, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. При работе тавровых соединений на растяжение расчетные формулы для определения напряжений для соединения, показанного на рисунке (а) имеют вид: для соединения, показанного па рисунке (б): а б

Расчет сварных соединений с угловыми швами, воспринимающими изгибающий момент Необходимо рассмотреть два случая: а) изгибающий момент воспринимается одним швом; б) изгибающий момент воспринимается двумя швами. Условие прочности для первого случая записывают в виде При расчете сварных соединений для второго случая определяют силы, воспринимаемые швами

Расчет сварных соединений с угловыми швами, воспринимающими силу P направленную под углом к оси пластины При действии силы Р под углом к продольной оси пластины необходимо разложить эту силу на составляющие N и T, а затем определить касательные напряжения в шве от действия каждой из них. От силы T, отстоящей от оси шва на расстоянии а, возникают напряжения среза τш. T от силы T, направленные вдоль шва, и напряжения среза τш. M от момента пары сил М = T а, направленные перпендикулярно к оси шва. Результирующие касательные напряжения в шве τрез определяют по правилу сложения векторов

Расчет соединений работающих при переменных нагрузках Коэффициент понижения допускаемых напряжений γ зависит от типа соединения, определяющего характер распределения напряжений по сечению, характеристики цикла r и марки стали: где kэф – эффективный коэффициент концентрации напряжений, представляющий собой отношение предела выносливости образца без концентратора к пределу выносливости образца с концентратором; σmin и σmaх — наименьшие и наибольшие по абсолютной величине напряжения, взятые со своими знаками (растяжение имеет знак «плюс» , сжатие знак «минус» ); a и b – коэффициенты (для углеродистой стали а = 0, 58; b = 0, 26; для легированной стали а = 0, 65; b = 0, 3). Верхние знаки в знаменателе формулы (2) принимаются в тех случаях, когда среднее напряжение цикла положительно, т. е. σср=(σmах +σmin)/2≥ 0, нижние знаки – когда σср<0.

Расчет соединений работающих при переменных нагрузках Значения эффективных коэффициентов концентрации приводятся в справочных и нормативных материалах.

Расчет сопряжений элементов конструкций работающих на изгиб и сложное сопротивление. Расчет типовых соединений. Присоединение одного элемента к другому осуществляется, как правило, с помощью угловых швов, выполняемых горизонтально (а), вертикально (б) или по контуру торца (в). Под действием изгибающего момента М, нормальной N и касательной Т сил в угловых швах возникает сложное напряженное состояние, точное определение которого затруднено. Поэтому угловые швы сопряжений условно рассчитывают на срез. Если элемент приварен только горизонтальными швами (а), то величину напряжений среза в них можно определить так: 1. От действия изгибающего момента М: а) по первому способу:

Расчет сопряжений элементов конструкций работающих на изгиб и сложное сопротивление. Расчет типовых соединений. Момент сопротивления угловых швов относительно оси х: где: Jш — момент инерции биссекторных сечений швов относительно оси х, м 4; где JO – момент инерции биссекторных сечений швов относительно собственной оси; Fш = hpl – расчетная площадь сечения углового шва, м 2. При B/K ≥ 10 значением J 0, а также всеми членами, содержащими величину катета K в степени больше первой, пренебрегают ввиду малого значения их. Тогда выражение упрощается: б) по второму способу:

Расчет сопряжений элементов конструкций работающих на изгиб и сложное сопротивление. Расчет типовых соединений. 2. От действия нормальной силы N: 3. От действия поперечной (касательной) силы Т: от момента пары сил М = Т а: от поперечной силы Q = Т: Используя правило сложения векторов, можно определить результирующее касательное напряжение в наиболее нагруженном шве (верхний шов):

Расчет прикрепляющих швов при сварке элемента по контуру торца Расчеты производят по тем же формулам, учитывая следующие особенности: 1. Момент сопротивления угловых швов Wш (соответственно момент инерции биссекторных сечений швов) определяется для той фигуры, которая образована биссекторными сечениями всех швов (заштрихованные фигуры). Например, для сопряжения, изображенного на рисунке, момент сопротивления шва: 2. Условно считают, что перерезывающую силу Q = Т воспринимают швы, направленные вдоль линии действия этой силы. Так, например, для соединения, изображенного на рис. в, напряжения среза от силы Т составят: Для торцов криволинейного или сложного очертания условно считают, что перерезывающую силу Q воспринимают швы с длиной, равной сумме проекций криволинейных и наклонных швов на направление силы Q:

Расчет напряжений в конструкциях, где соединение элементов между собой осуществляется угловыми швами, лежащими в плоскости действия изгибающего момента Расчет напряжений в таких соединениях от действия суммарного изгибающего момента М производят тремя способами: 1. По способу расчленения соединения на составляющие. Принимаем, что момент М уравновешивается моментом пары сил в горизонтальных швах МГ = Р Н и моментом защемления вертикального шва МВ, т. е. М = МГ + МВ. Напряжения в швах могут быть вычислены по формулам: Принимая, что τг = τв = τ, найдем из приведенных формул сумму моментов: учитывая, что lв = В: где H = B + 2/3 K – плечо пары сил.

Расчет напряжений в конструкциях, где соединение элементов между собой осуществляется угловыми швами, лежащими в плоскости действия изгибающего момента 2. По способу полярного момента инерции: где rmax – наибольшее удаление шва от центра O тяжести шва; Jp = Jx + Jy – полярный момент инерции биссекторных сечений швов относительно центра их тяжести; Jx , Jy – моменты инерции биссекторных сечений швов относительно осей х и у, м 4. 3. По способу осевого момента инерции: где ymax - расстояние от нейтральной оси х до наиболее удаленной точки шва. Расчет касательных напряжений в рассматриваемых типах соединений от действия нормальных N и касательных Т сил осуществляется по формулам, аналогичным формулам рассмотренным ранее, с учетом изложенных выше особенностей вычисления τQ. В общем случае нагружения соединения условие прочности для него выражается формулой:

Электрическая дуга и ее применение для сварки Электрические свойства дуги и ее характеристики. Электрическая дуга – это продолжительный разряд электрического тока между двумя электродами. Электрическая дуга, используемая для сварки металлов, называется сварочной дугой и горит между электродом и изделием. Молекулы газа нейтральны, поэтому газ обычно – хороший изолятор и может проводить электрический ток лишь при условии, что в него вводятся извне или генерируются внутри заряженные частицы. Приложив, например, достаточно сильное электрическое поле, можно вызвать нарушение изолирующих свойств газа (пробой) и его ионизацию, вследствие чего он сможет пропускать значительные токи. При сварке газы находятся в проводящем состоянии – являются проводником электрического тока, так как в своем составе содержат носители зарядов: электроны и положительные и отрицательные ионы. Возбуждение дугового разряда при сварке обычно происходит следующим образом: при переходе из неустойчивого искрового разряда путем подачи импульса высокой частоты или/и высокого напряжения; при замыкании и последующем размыкании токонесущих электродов; в процессе создания высокоионизированного потока пара перекрывающего межэлектродное пространство, в большинстве случаев с помощью третьего электрода. Способ возбуждения, как правило, зависит от способа сварки: при РДС обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом – высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора.

Схема возбуждения дугового разряда методом касания а б в г При касании торцом электрода поверхности сварного материала происходит короткое замыкание электрической цепи (а), т. к. торец электрода имеет неровности, то ток течет через отдельные выступы. Так как сечение, через которое проходит ток, мало, то плотность тока в данном случае велика, следовательно, происходит местное расплавление металла в данных точках. Далее количество расплавленного металла увеличивается и между электродом и свариваемым материалом образуется тонкая прослойка жидкого металла (б). При этом электрод отводится от поверхности металла вверх и в жидком металле образуется узкая шейка (в), в которой плотность тока и температура резко возрастают. Жидкий металл шейки испаряется, образуя между электродом и металлом ионизированные пары металла и газов, и происходит разрыв шейки и возникает электрическая дуга (г).

Ионизация дугового промежутка При прохождении электрического тока по катоду происходит его нагрев, то есть увеличивается кинетическая энергия электронов. При достаточной энергии электроны начинают покидать поверхность металла, число таких которых быстро возрастает с повышением температуры. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Электрическое поле дуги сообщает энергию электронам и ионам столба. Электроны в связи с подвижностью воспринимают наибольшую часть этой энергии и в результате соударений передают ее атомам и ионам. Возможны два рода соударений: упругие и неупругие. Электрон, который близко подходит к атому, отталкивается электронным облаком, но нарушает, в свою очередь, расположение облака. Окончательный результат зависит от скорости электрона (его энергии) и направления движения. Медленный электрон легко отражается, а атомное электронное облако претерпевает лишь незначительное возмущение; это так называемое упругое соударение. Классически его можно представить как столкновение двух идеально упругих шаров, обменивающихся кинетической энергией. Изменения потенциальной энергии атома здесь не происходит. Результатом упругих соударений электрона с тяжелыми частицами будет увеличение кинетической энергии последних, т. е. повышение температуры плазмы. Неупругие соударения частиц между собой при высоких температуре и плотности газа приводят к так называемой термической ионизации, которая возникает за счет кинетической энергии частиц.

Ионизация дугового промежутка При столкновении электронов обладающих большой кинетической энергией Э' с нейтральными атомами газа А возможно два варианта: 1. быстрый электрон Э' поглощается атомом А, и он превращается в отрицательно заряженный ион И-, который под действием электрического поля движется к аноду: Э' + А→ И- 2. быстрый электрон Э' выбивает из оболочки более тяжелого и менее подвижного атома один или несколько медленных электронов Э'', они будут обладать малыми скоростями и вновь начнут ускоряться электрическим полем: Э' + А→ 2 Э'' + И+ Атом А, потерявший из оболочки электроны становится заряженным ионом И+, который устремляется к отрицательно заряженному катоду. При соударении с катодом положительно заряженный ион И+ выбивает с его поверхности электроны, часть из которых он захватывает, превращаясь снова в нейтральный атом А, а часть электронов ускоряется к аноду.

Ионизация дугового промежутка Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия большая, чем самый высокий возбужденный уровень атома. Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации атома, часто выражают в электрон вольтах и называют соответственно потенциалом ионизации Существенное влияние на процесс ионизации дугового промежутка оказывают атомы элементов, находящиеся в нем, имеющие низкий потенциал ионизации. Таблица. Значения первых потенциалов ионизации некоторых элементов Атом К Na Ca Fe Ui э. В 4, 3 5, 11 6, 08 7, 83 H О 13, 53 13, 56 N Ar F Ne He 14, 5 15, 7 18, 6 21, 5 24, 5 Из таблицы видно, что наиболее низкий потенциал ионизации имеют К, Na, Ca, поэтому данные элементы всегда вводятся в состав электродных покрытий и флюсов в виде химических соединений. Это позволяет увеличить степень ионизации дугового промежутка, снизить его сопротивление, а значит повысить стабильность горения дуги и следовательно качество сварных соединений.

Строение сварочной дуги Электропроводный газовый канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или цилиндра, где наблюдается неравномерное распределение электрического поля. Он состоит из трех зон: катодной 2, анодной 4 и столба дуги 3. На электродах наблюдаются пятна – анодное 5 и катодное 1, через которые протекает весь электрический ток. Эти пятна выделяются яркостью свечения и имеют невысокую температуру 2600 – 3200 °С. Тонкие слои примыкающие к катодному и анодному пятнам имеют сравнительно низкую температуру, данные области называют катодной 2 и анодной 4 областями дуги. Протяженность катодной области LК определяется длиной свободного пробега нейтральных атомов и составляет ~10 5 10 6 см. Протяженность анодной области LА определяется длиной свободного пробега электрона и составляет ~10 3 10 4 см. Между прикатодными областями располагается наиболее протяженная высокотемпературная область– столб дуги: LС = 0. 1 – 1. 0 см. Температура в столбе дуги достигает 6000 – 8000°С. Общая длина сварочной дуги равна сумме протяженности всех трех ее областей и составляет 2 – 10 мм: LД = LК + LС + LА

Строение сварочной дуги Напряжение дуги UД распределяется между областями неравномерно. Значительная часть приходится на при электродные области 2 и 4, но так как эти области не протяженные, то напряженность в них очень высокая. Скачки потенциала в этих областях UK и UА обусловлены скоплениями пространственного заряда и повышенным сопротивлением этих зон по сравнению со столбом. Падение напряжение в катодной области составляет 10 – 20 В, а напряженность ~106 В/см. Падение напряжение в анодной области составляет 2 – 6 В, а напряженность ~104 В/см. Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги и составляет 20 – 40 В. UД = UК + UС + UА Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины описывается уравнением: UД = a + b× LД, где а = UК + UА – сумма падений напряжений в катодной и анодной областях, В; LД – длина дуги столба, мм; b – удельное падение напряжения в дуге, отнесенное к еденице длины столба дуги, В/мм.

Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги (СВАХ) СВАХ - одна из основных характеристик дугового разряда – это – зависимость напряжения дуги UД от тока сварки IСВ при постоянной длине дуги l. Д. lд 2 > lд 1 lд 2 lд 1 I II III где j. C – плотность тока в столбе дуги, А/см 2; ρС – удельное электрическое сопротивление столба дуги, Ом·см; l. Д – длина дуги, см. С увеличением длины дуги l. Д напряжение дуги UД и кривая СВАХ дуги поднимается выше, сохраняя свою форму. Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠ const), так как число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от тока. Поэтому электрический ток в газах не подчиняется закону Ома и вольтамперная характеристика разряда для газов является обычно нелинейной.

Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги (СВАХ) В зависимости от плотности тока вольтамперную характеристику дуги можно условно разделить на три участка: I – падающий участок; II – пологий (жесткий); III – возрастающий. В I области при малых токах (примерно до 100 А) и свободной дуге с увеличением тока IД интенсивно возрастает температура, площадь поперечного сечения, степень ионизации (увеличивается число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода). Следовательно, сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение UД при постоянных напряжения UК и UА – характеристика дуги является падающей. Во II области при дальнейшем росте тока IД и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц ρС. Напряжение дуги UД становится мало зависящим от тока, а характеристика – пологой. III область режимов сварка на высоких плотностях тока характеризуются сильным сжатием столба дуги, а характеристика – возрастающая. В сильноточных сжатых дугах ионизация газа в столбе может достигать значений, близких к 100%, термоэмиссионная способность катода исчерпана. Увеличение тока не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным: R = const. Высоко ионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка к металлическому проводнику закон Ома вновь становится справедливым в его обычном виде. В зависимости от условий горения дуги (среды, вида электрода и его диаметра) ей соответствует один из участков характеристики: первые две области охватывают дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением и типичны для дуги РДС и Ар. ДС W электродом, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и АДСФ. Третья область характеризуется высокой плотностью тока, и соответствует сварке под флюсом и в защитных газах тонкой проволокой. Характеристика дуги возрастающая.

Сварочные свойства дуги Сварочная дуга – это мощный концентрированный источник теплоты, где электрическая энергия потребляемая дугой превращается в тепловую. К основным параметрам дуговой сварки относятся сила тока дуги (ток сварки) IСВ, напряжение дуги UД и скорость сварки v. СВ. Полная тепловая мощность сварочной дуги зависит от тока сварки и напряжения дуги: при этом используются большие токи сварки 50… 1000 А и малые напряжения 15 – 40 В. Часть энергии тратится на нагрев окружающей среды, защитных газов, металла, не участвующего в образовании металла шва (брызги металла), таким образом, теплота сварочной дуги, которая вводится в металл называется эффективной тепловой мощностью дуги – q, Дж/с: где ηЭФ – эффективный КПД – отношение эффективной мощности источника теплоты к его полной мощности: Эффективный КПД определяется, как правило, экспериментально и зависит от способа сварки, материала, электрода, флюса и др. Например: при сварке вольфрамовым электродом ηЭФ = 0. 5 - 0. 7; при РДС качественным электродом ηЭФ = 0. 7 - 0. 8; при АДСФ ηЭФ = 0. 8 - 0. 9.

Сварочные свойства дуги

Производительность процесса сварки Оценивают по количеству расплавленного и наплавленного металла. Количеством расплавленного металла: Gp = αр·Iд·t 0, г где αр – коэффициент расплавления, г/(А·ч); Iд — сила тока дуги, А, t 0 – основное время сварки, ч. Коэффициент расплавления αр – количество расплавленного электродного материала (г) за 1 час приходящееся на единицу тока (1 А). Количество наплавленного металла: GH = αн·Iд·t 0, г где αн — коэффициент наплавки, г/(А ч). Коэффициент наплавки αн – количество наплавленного электродного материала (г) за 1 час приходящееся на единицу тока(1 А). Коэффициенты расплавления и наплавки зависят от способа сварки, плотности тока, материала электрода, состава покрытия (флюса). Коэффициент расплавления меняется в пределах 8 – 24 г/(А·ч). Коэффициент наплавки составляет: для РДС 6 – 12 г/(А·ч); АДСФ 10 – 16 г/(А·ч); сварка в СО 2 12 – 20 г/(А·ч); ЭШС 18 – 22 г/(А·ч). Разница коэффициентов αр и αн определяется потерями электродного металла на разбрызгивание, испарение, угар и т. п. Потери электродного материала характеризуются коэффициентом потерь: a = (αр – αн) 100/αр %. Для РДС а = 5 – 10 %, для сварки в СО 2 а = 3 – 6 %, для АДСФ и ЭШС а = 1 – 5 %.

Производительность процесса сварки Скорость плавления электрода жестко связана со сварочным током. При сварке различных видов сварных соединений и типов швов требуется неодинаковая скорость плавления электрода. В одних случаях она должна быть минимальной, в других, наоборот, максимальной: При сварке стыковых соединений без разделки кромок и без зазора расплавленный металл электрода образует выпуклость шва. По мере увеличения толщины свариваемых элементов для полного их проплавления необходимо увеличение силы тока дуги. Одновременно с этим увеличивается и количество расплавляющегося электрода металла. В результате образуются швы с чрезмерно большой выпуклостью. Для получения швов с нормальной выпуклостью следует искать пути снижения скорости плавления электрода или прибегать к разделке кромок, сварке с увеличенным фиксированным зазором и другим приемам. При выполнении стыковых соединений с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов желательно увеличивать скорость плавления электрода, поскольку в этих случаях производительность процесса в значительной мере определяется количеством электродного металла, расплавляющегося в единицу времени, необходимого для заполнения разделки или формирования угловых швов с заданным катетом.

Влияние режимов сварки на параметры сварного шва Влияние силы тока Сила тока дуги в наибольшей степени определяет тепловую мощность Q. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока дуги Iд возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева (плотность мощности q 2) , повышается температура плазмы столба дуги, стабилизируется положение активных пятен на электроде и изделии. С увеличением силы тока дуги возрастает длина сварочной ванны L (из за увеличения скорости плавления электрода), ее ширина e и глубина проплавления H. Особенно интенсивно растет глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточенности энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на ванну, которое пропорционально квадрату силы сварочного тока. В определенных пределах изменения силы тока глубина проплавления ванны приближенно может быть оценена зависимостью, близкой к линейной: H = k×IД где k – коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги Влияние напряжения дуги. С увеличением напряжения дуги также возрастает тепловая мощность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Особенно интенсивно возрастают ширина и длина ванны. Ширина ванны связана с напряжением практически прямой зависимостью е = k×Iд×Uд/(vcв ×s), где s – толщина свариваемого металла. При постоянной силе сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления ванны. По видимому, это обусловлено некоторым снижением эффективного к. п. д. дуги и большими возможностями для блуждания активного пятна по поверхности сварочной ванны.

Влияние скорости сварки. При постоянной погонной энергии повышение скорости сварки вызывает увеличение термического к. п. д. процесса, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию глубины проплавления и уменьшению ширины шва. Изменение скорости сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно сказывается на размерах сварочной ванны и шва. Это можно видеть из уравнений для определения ширины е и длины L сварочной ванны: L = k (Uд×Iд)2/(vсвs 2) Влияние диаметра электрода. При постоянной силе сварочного тока диаметр электрода определяет плотность энергии в пятне нагрева q 2 и подвижность дуги. В связи с этим при увеличении диаметра электрода уменьшается давление дуги на расплав, снижается глубина проплавления ванны и возрастает ее ширина, и наоборот. Дополнительные параметры связаны с условиями ведения процесса сварки и особенностями горения дуги. Так, при одной и той же погонной энергии можно изменять род тока и полярность, использовать колебания электрода и др. Эти особенности процесса также сказываются на формировании ванны и конечных размерах швов. В зависимости от рода тока и полярности на изделии выделяется различное количество теплоты. Если теплоту, выделяющуюся на аноде WА и катоде WK, приближенно оценивать по эффективному падению напряжений, то получим зависимости: WA = UАЭ = UA + (φ + 2 k T), WК = UКЭ = UК – (φ + 2 k T) где UA и UK – анодное и катодное падение напряжений; φ, k. T – потенциальная и кинетическая энергия электронов.

На катоде не вся энергия (UK) переходит в теплоту. Часть ее (φ + 2 k T) уносится в плазму столба дуги. На аноде выделяется энергия UА и прибавляется потенциальная и термическая энергия электронов. Количество теплоты, выделенное на катоде, также зависит от потенциала ионизации дугового газа. Поэтому разница в тепловыделении на катоде и аноде определяется способом дуговой сварки. В реальных условиях при сварке на прямой полярности (анод на изделии) глубина проплавления оказывается меньше, чем при сварке на обратной полярности (катод на изделии). Это легко объясняется формой столба дуги. Анодное пятно занимает большую площадь по сравнению с катодным. Поэтому ширина ванны и шва при сварке на прямой полярности возрастает а – на прямой полярности; б – на обратной полярности

Источники питания сварочной дуги Устойчивость горения сварочной дуги Источник тока и электрическая сварочная дуга представляют собой энергетическую систему, которая в процессе сварки должна обладать достаточной устойчивостью. Устойчивая, стабильная работа системы во время сварки обеспечивает устойчивое горение дуги и, следовательно, обеспечивает получение качественного сварного соединения – что является главным условием сварки. Под устойчивостью системы подразумевается такое состояние, когда параметры режима сварки Uд и Iд не изменяют своей величины в течении достаточно длительного времени. Причем, если в результате каких либо внешних причин произойдет изменение этих параметров, что приведет к отклонению от устойчивого равновесия, система должна вернуться в состояние равновесия. Факторы, влияющие на устойчивость горения дуги: - изменения длины дуги lд (квалификация сварщика); - качество сборки свариваемых деталей; - качество подготовки свариваемых кромок; - изменение сопротивления дуги (степени ионизации); - изменение скорости сварки vсв и др. Устойчивость горения дуги на переменном токе ниже, чем на постоянном. Для повышения устойчивости горения сварочной дуги в покрытие и флюсы вводят вещества повышающие проводимость дугового промежутка (Ca, K, Na); применяют осцилляторы и генераторы импульсов, которые способствуют возбуждению дуги синхронно с частотой питающей сети.

Требования, предъявляемые к источникам питания (ИП) сварочной дуги: напряжение холостого хода Uхх должно быть достаточно для легкого возбуждения дуги и устойчивого ее горения и не превышать 80 – 90 В; обладать достаточной мощностью для выполнения сварочных работ; обеспечивать ток короткого замыкания Iкз = (1, 2 – 1, 5)Iсв, чтобы источник питания выдерживал продолжительные короткие замыкания сварочной цепи без нагрева и повреждения его узлов; обеспечивать плавную регулировку силы сварочного тока; обладать хорошими динамическими свойствами, то есть обеспечивать быстрое восстановление Uд после короткого замыкания; обладать требуемым видом внешней характеристики. Внешней вольт-амперной характеристикой (ВАХ) источника питания (ИП) называется зависимость напряжения она его выходных зажимах и током в сварочной цепи.

Условия устойчивого горения дуги Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания: Iд = Iи Uд = Uи Это условие выполняется в точках пересечения ВАХ ИП и СВАХ СД. Кроме того, необходимо соответствие внешней вольтамперной характеристики источника и статической вольтамперной характеристики дуги.

Условия устойчивого горения дуги Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания: Iд = Iи Uд = Uи Это условие выполняется в точках пересечения ВАХ ИП и СВАХ СД. Кроме того, необходимо соответствие внешней вольтамперной характеристики источника и статической вольтамперной характеристики дуги. Для решения вопроса об устойчивости горения дуги в точках пересечения необходимо рассмотреть условия горения при небольших отклонениях тока от равновесия. ΔU -ΔU A ΔU B IAmin IA IAmax I IBmin IB IBmax

Условия устойчивого горения дуги Рассмотрим горение дуги в т. А: Если при горении дуги в точке А произошло уменьшение тока (IA min < IA), то для поддержания дугового разряда, согласно статической вольтамперной характеристике дуги, требуется более высокое напряжение. Его величина становится больше, чем может дать источник при этом же токе (-∆U). В связи с этим произойдет дальнейшее самопроизвольное снижение тока (IА 0), и дуга погаснет. Следовательно, в точке А дуга стабильно гореть не может. Если произошло увеличение тока (IA max > IA), напряжение которое выдает источник при данном значение тока (∆U) больше, чем напряжение необходимое для поддержания горения дуги, следовательно произойдет самопроизвольное увеличение тока и горение переместится в т. В. ΔU -ΔU A ΔU B IAmin IBmin I IA IB IAmax IBmax Рассмотрим горение дуги в т. В: В т. В при снижении тока напряжение источника оказывается большим (∆U), чем это необходимо для горения дуги по статической вольтамперной характеристике. Бла годаря этому произойдет самопроизвольное увеличение тока (IB min IB), и процесс горения вернется в т. В. Увеличение тока в т. В приведет к возрастанию напряжения, необходимого для горения дуги. Источник питания при этих же значениях тока дуги дает меньшее напряжение (-∆Uи). Это вызовет самопро извольное снижение силы тока (IB max IB), и горение дуги снова переместится в т. В. Следовательно, т. В пересечения вольтамперных характеристик является т. устойчивого горения дуги.

Условия устойчивого горения дуги

Выбор рациональной формы ВАХ источника питания При выборе внешней вольтамперной характеристики источника, прежде всего, необходимо соблюдать условия устойчивого горения дуги. Однако даже при соблюдении этих условий стабильность горения дуги может быть повышена при выборе наиболее рациональной формы вольтамперной характеристики источника, определяемой из рассмотрения конкретных условий ведения процесса сварки. При дуговой сварке покрытыми электродами и вольфрамовым электродом часто происходит изменение длины дуги. При ручной сварке эти изменения связаны с выполнением швов в труднодоступных местах и квалификацией сварщика. При сварке воль фрамовым электродом удлинение дуги возможно за счет его оплавления. Колебания длины дуги при названных способах сварки должны приводить к незначительным изменениям сварочного тока. В U l, l 1, l 2 – длины дуг; противном случае будет наблюдаться К l 2

Выбор рациональной формы ВАХ источника питания При механизированной сварке плавящимся электродом под флюсом и в среде защитных газов (высокие плотности токов – жесткая СВАХ дуги) требуется автоматическое поддержание основных параметров дуги – тока и напряжения. Для этих целей используют саморегулирование дуги. Оно заключается в изменении скорости плавления электродной проволоки при колебаниях длины дуги. Длина дуги при сварке изменяется от l 1 до l 2. Скорость подачи электродной про волоки постоянна. В установившемся режиме (при lд = l) скорость подачи проволоки vnp U равна скорости ее плавления vnл. При l 1 уменьшении длины дуги (lд = l 2 < l) l возрастает сварочный ток (Il 2 > Il). Благодаря этому увеличивается l 2 l, l 1, l 2 – длины дуг: скорость плавления электрода, и l 2

Выбор рациональной формы ВАХ источника питания При механизированной и автоматической сварке самозащитной и порошковой проволокой, а также в среде защитных газов под флюсом тонкой проволокой статическая характеристика дуги возрастающая. Для питания дуги принципиально пригодны источники с падающими П, жесткими Ж и возрастающими В вольтамперными характеристиками. Однако наибольшее изменение сварочного тока при колебаниях длины дуги, необходимое для активизации процесса саморегулирования, будет наблюдаться при выборе источника питания с возрастающими вольтамперными характеристиками ∆I 1 В>∆I 1 Ж>∆I 1 П, ∆I 2 В>∆I 2 Ж>∆I 2 П U l 1 l 2 l П Ж В ΔI 1 Ж ΔI 1 П ΔI 2 П ΔI 1 В ΔI 2 Ж I

Основные параметры источников питания дуги Источники питания дуги по современным стандартам характеризуются рядом параметров, получаемых при работе на установившихся режимах. К установившимся режимам относят работу источников при холостом ходе, рабочей нагрузке и коротком замыкании. Холостой ход – режим работы ИП при котором в сварочной цепи отсутствует ток, т. е. сварочная цепь разомкнута, характеризуется напряжением холостого хода Uxx. Рабочая нагрузка – режим работы ИП под нагрузкой, при котором наблюдается стабильное горение дуги и производится процесс сварки, характеризуется номинальным рабочим напряжением и номинальным током. Короткое замыкание режим работы ИП под нагрузкой, при котором наблюдается замыкание сварочного электрода на свариваемое изделие, при этом напряжение дги рано нулю. Характеризуется током короткого замыкания.

Основные параметры источников питания дуги Напряжение холостого хода в значительной мере определяет условия зажигания и повторного возбуждения дуги и регулируется на клеммах источника при отсутствии нагрузки в сварочной цепи. В зависимости от назначения источника напряжение холостого хода может изменяться от 30 до 120 В. Ток короткого замыкания (к. з. ) практически возникает при возбуждении дуги методом касания или чирканья, а также может периодически возникать в процессе сварки. Ток к. з. обычно лежит в пределах: Iк. з. = (1, 2 … 1, 5) Iн, так как более высокие токи могут приводить к выходу из строя ИП. Номинальное рабочее напряжение отражает напряжение на зажимах источника под нагрузкой. Условно определяется линейной функцией от значения сварочного тока. Для источников питания дуги с номинальным сварочным током до 600 А: Uд = 20 + 0, 04 Iсв. Для более мощных источников питания условное рабочее напряжение принимают равным 44 В и выше. Номинальный ток определяет расчетное значение сварочного тока источника. Номинальные токи источников питания дуги соответствуют параметрическому ряду, установленному для источников электрического тока. Номинальные токи большинства выпускаемых источников питания находятся в пределах 50 – 1000 А.

Основные параметры источников питания дуги U U U lmax lmin I Imax а Imin I Imax б Imin I Imax в Коэффициент полезного действия характеризует потери энергии в самом источнике: ηи = Nд · 100 / Nс, где Nд – мощность дуги; Nc — мощность, потребляемая из сети. Для различных источников питания дуги ηи находится в широких пределах и составляет 45 – 98 %.

Основные параметры источников питания дуги

Классификация источников питания дуги Для питания сварочной дуги используют источники переменного тока – сварочные трансформаторы (СТ) и источники постоянного тока – сварочные выпрямители (СВ), сварочные генераторы (СГ). Сварочные трансформаторы имеют преимущества по сравнению с источниками постоянного тока: проще в эксплуатации, долговечнее, имеют более высокий КПД, сам процесс сварки дешевле. Источники постоянного тока предпочтительнее в технологическом отношении: выше устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях и др. В основу классификации ИП могут быть положены различные признаки: • • • род тока – источники переменного и постоянного тока; вид внешней характеристики – источники с крутопадающими, жесткими (естественно пологопадающими), возрастающими и смешанными вольтамперными характеристиками; характер подачи тока на дугу – источники для сварки непрерывно горящей дугой и импульсной; особенность горения дуги – источники для сварки свободно горящей дугой и сжатой дугой; число одновременно питаемых постов – источники однопостовые и многопостовые. Для создания условий независимой работы постов от одного ИП ВАХ многопостового источника должна быть жесткой. При наличии у источника падающей характеристики одновременное горение дуг становится невозможным. Например, при коротком замыкании одной дуги все остальные гаснут, т. к. напряжение на клеммах источника становится близким к нулю. При многопостовом питании вольтамперная характеристика поста формируется автономно с помощью балластных реостатов (постоянный ток) или дросселей (переменный ток).

Сварочные трансформаторы (СТ) – это специальные понижающие трансформаторы, имеющие как правило падающую характеристику; их используют для РДС и АДСФ. Трансформаторы с жесткой внешней вольтамперной характеристикой используют для ЭШС. Сварочные трансформаторы делятся на: трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием; трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и дополнительной реактивной катушкой – дросселем. • • • СТ с повышенным магнитным рассеянием можно разделить на: трансформаторы с магнитным шунтом; с подвижными катушками; с витковым (ступенчатым) регулированием.

Устройство сварочного трансформатора с повышенным магнитным рассеянием типа ТСК-500 В нижней части сердечника 1 находится первичная обмотка, состоящая из двух катушек, расположенных на обоих стержнях магнитопровода, которые закреплены неподвижно. Вторичная обмотка 3 также состоит из двух катушек, расположена на расстоянии ∆ от первичной обмотки. Вторичная обмотка может перемещаться по сердечнику относительно первичной с помощью винта и рукоятки, находящихся на крышке кожуха трансформатора.

Устройство сварочного трансформатора с повышенным магнитным рассеянием типа ТСК-500 Регулирование тока сварки Iсв осуществляется изменением зазора ∆ между первой и вторичной обмотками: приближении вторичной обмотки к первичной ∆ = ∆min – магнитный поток рассеяния в сердечнике трансформатора и индуктивное сопротивление трансформатора уменьшаться, а ток сварки Iсв увеличится. При увеличении зазора ∆ = ∆max, магнитный поток и индуктивное сопротивление увеличатся, а ток сварки Iсв уменьшится. Катушки первичной и вторичной обмоток могут быть соединены либо параллельно, либо последовательно. При параллельном соединении катушек Iсв изменяется в пределах 165 – 650 А, а при последовательном 40 – 165 А.

Устройство сварочного трансформатора с нормальным магнитным рассеянием типа СТЭУ-24 У СТ состоит из магнитопровода 1, на котором помещены обмотки 2 и 3. Обмотка 2, подключаемая к сети переменного тока, называется первичной, а обмотка 3, подающая ток в сварочную цепь, вторичной. Напряжение холостого хода Uхх = 60. . . 65 В. Сам трансформатор имеет жесткую внешнюю характеристику. Для получения падающей внешней характеристики в сварочную цепь последовательно включают дроссель. Дроссель состоит из магнитопровода 4, на котором помещена обмотка 6, включенная в сварочную цепь последовательно с дугой. Магнитопровод имеет подвижную часть 5. При этом воздушный промежуток а между неподвижной и подвижной частями магнитопровода может увеличиваться или уменьшаться. Когда по обмотке 6 проходит переменный ток, то в сердечнике появляется переменный магнитный поток. Этот поток будет уменьшаться с увеличением воздушного промежутка а, т. к. он создает значительное сопротивление для прохождения магнитного потока по контуру сердечника дросселя. Магнитный поток, пересекая витки обмотки дросселя, в свою очередь индуктирует в них электродвижущую силу, которая будет действовать против направления движения тока в обмотке, образуя тем самым дополнительное сопротивление прохождению тока в сварочной цепи. Это дополнительное сопротивление принято называть индуктивным, т. к. оно вызвано явлением самоиндукции. Оно будет увеличиваться с увеличением циркулирующего в сердечнике магнитного потока, т. е. у уменьшением промежутка а. Следовательно, уменьшая величину воздушного промежутка а путем вращения ручки дросселя 7, увеличиваем индуктивное сопротивление сварочной цепи и тем самым уменьшаем сварочный ток.

Сварочные выпрямители Сварочными выпрямителями (СВ) называются источники питания, в которых постоянный ток получается путём выпрямления переменного тока промышленной частоты с использованием полупроводниковых вентилей. Общими элементами для сварочных выпрямителей являются силовой трансформатор (СТ), выпрямительный блок (ВБ) и блоки пускорегулирующей, измерительной и защитной аппаратуры. Наиболее рациональным в выпрямителях для дуговой сварки является применение трехфазного тока. Поэтому для питания выпрямительных блоков обычно используют понижающие трехфазные трансформаторы. В источниках для дуговой сварки выпрямительный блок как правило собран по трехфазной мостовой схеме. В любой момент времени работают два вентиля: один из нечетной, а другой из четной группы. Каждый из вентилей пропускает ток в течение 1/3 периода переменного тока. Для кривой выпрямленного напряжения характерна шестикратная частота пульсаций по отношению к частоте переменного тока. При f = 50 Гц частота пульсаций составляет 300 Гц. Это позволяет получить выпрямленный ток, у которого пульсации напряжения меньше, чем при использовании обычной однофазной мостовой двухполупериодной схемы.

Регулирование тока сварки в сварочных выпрямителях осуществляется двумя путями: электрическим и электромеханическим. В выпрямителях для дуговой сварки применяют полупроводниковые неуправляемые вентили – диоды и управляемые полупроводниковые вентили – тиристоры. В СВ с электромеханической регулировкой изменение тока происходит до выпрямительного блока: ступенчатое за счет переключения обмоток со «звезды» на «треугольник» и плавное, например за счет изменения зазора между обмотками трансформатора. На выпрямляющие вентили в каждой фазе поступает переменный ток, имеющий силу тока и напряжение заданных сварочных параметров. В этом случае применяются выпрямители, укомплектованные силовыми трансформаторами с увеличенным магнитным, трансформаторами с секционированными обмотками и др. , а ВБ состоит из диодов. В данном случае затрудняется введение обратных связей по току и напряжению от датчика тока на регулятор тока. Выпрямители этого типа несложны в изготовлении, надежны в работе, экономичны и отличаются невысокой стоимостью. Внешняя вольтамперная характеристика выпрямителей как правило определяется вольтамперной характеристикой трансформатора.

Регулирование тока сварки в сварочных выпрямителях Электрические схемы регулировки сварочных выпрямителей построены на изменении тока сварки после выпрямительного блока или непосредственно в нем. В данном случае ВБ как правило состоит из тиристоров, ступенчатая регулировка производится за счет переключения обмоток со «звезды» на «треугольник» , плавная блоком управления. Такие схемы позволяют осуществлять плавную регулировку (в том числе и дистанционную) тока сварки и получать дугу с высокой стабилизацией по току и напряжению.

Сварочные генераторы (СГ) Сварочные генераторы – это специальные электрические машины постоянного тока, которые обеспечивают устойчивое горение дуги за счет изменения магнитных потоков в генераторе при изменении тока сварки в рабочей цепи. Сварочные установки на основе генераторов с приводом от электродвигателя называются сварочными преобразователями, с приводом от двигателя внутреннего сгорания (бензинового или дизельного) сварочными агрегатами. В зависимости от назначения генераторы имеют различные внешние вольтамперные характеристики: крутопадающие, жесткие, возрастающие и универсальные. Все генераторы имеют намагничивающие обмотки возбуждения Wн, питающиеся либо от независимого источника, либо от самого генератора. В первом случае генераторы называют с независимым возбуждением, во втором с самовозбуждением. Намагничивающие обмотки имеют большое число витков (WH = 200 – 500) и расположены на отдельных башмаках корпуса генератора. Намагничивающий ток Iн в этих обмотках невелик (2 20 А) и регулируется сопротивлением R. При протекании тока Iн по обмотке wн в генераторе наводится намагничивающий магнитный поток Фн. При холостом ходе поток определяет ЭДС и напряжение генератора. Изменением Iн осуществляется плавное регулирование Фн и Uхх, а следовательно, и режима его работы при нагрузке.

Сварочные генераторы (СГ) В большинстве генераторов для дуговой сварки имеется и последовательная обмотка возбуждения. По этой обмотке, включенной последовательно с дугой, протекает ток, равный току дуги. Последовательные обмотки возбуждения имеют небольшое число витков (3 – 5), сечение которых рассчитано по номинальному сварочному току. Магнитный поток, наводимый намагничивающей силой последовательной обмотки возбуждения, возникает только при нагрузке генератора. В зависимости от способа включения последовательной обмотки возбуждения этот поток направлен встречно или согласно с намагничивающим потоком Фн. Встречный или размагничивающий магнитный поток Фр наводится намагничивающей силой размагничивающей обмотки возбуждения Wp; согласный или подмагничивающий магнитный поток Фп – подмагничивающей обмоткой возбуждения Wп. Последовательная обмотка возбуждения секционирована. Включают либо все витки этой обмотки, либо половину. Действие магнитного потока последовательной обмотки значительно ослабляется при встречном включении, или усиливается при согласном включении.

Сварочные генераторы (СГ) При наличии в генераторе последовательной размагничивающей обмотки Wp вольтамперные характеристики генераторов будут иметь падающую форму: крутопадающая, при Wp= max, клеммы подключения дуги 1 – 2; пологопадающая, Wp= min, клеммы подключения дуги 1 – 3; жесткая (естественно пологопадающая), Wp= 0, клеммы подключения дуги 1 – 4

Сварочные генераторы (СГ) При наличии в генераторе подмагничивающей последовательной обмотки возбуждения Wп, изменяя число витков обмотки, регулируют угол наклона вольтамперной характеристики генератора. При минимальном числе витков Wп генератор имеет жесткую вольтамперную характеристику. При большем числе витков ВАХ генератора будут иметь возрастающую форму. СГ просты и дёшевы в изготовлении и эксплуатации, однако вредные условия действующего производства (высокая влажность, масляные пары, пыль) приводят к быстрому выходу из строя пары трения "щётки коллектор", поэтому более совершенной является схема вентильного генератора. В сварочных генераторах вентильного типа используется синхронный генератор (бесконтактный), который индуцирует в статоре синусоидальные трехфазные токи. Которые преобразуется в постоянный в выпрямительном блоке. Такие генераторы надёжнее в работе, но более требовательны к температурным перепадам, условиям охлаждения полупроводниковых вентилей и точности выдерживания частоты вращения привода.

Инверторные ИП дуги Инвертор электронный блок, преобразующий постоянный ток в переменный ток повышенной частоты Принцип действия инвертора: переменный ток промышленной частоты 50 Гц поступает на низкочастотный выпрямитель НВ. Полученный постоянный ток принудительно инвертируется (преобразуется) инвертором ИН в переменный, но уже частоты 20 50 к. Гц, после чего трансформатором Тр достигаются величины, необходимые для сварки. Высокочастотный выпрямитель ВВ выпрямляет переменный ток. Внешняя статическая характеристика формируется путем заведения обратных связей (ОС) по току и напряжению через блок обратных связей БОС. Характеристика делится на несколько характерных участков.

Инверторные ИП дуги 1 2 3 4 • • 1 обеспечивает высокое напряжение холостого хода, что способствует стабильному зажиганию дуги. 2 позволяет вести полуавтоматическую или механизированную сварку. 3 (падающий) реализует процесс сварки покрытым электродом или неплавящимся электродом в аргоне. 4 обеспечивает бросок тока короткого замыкания, что исключает «примерзание» электрода при окончании сварки и заварке кратера. Преимущества инверторных ИП технические: • высокий КПД 85 95%; минимальный расход дефицитных • электротехнических материалов; • ПН источников питания в рабочем диапазоне режимов сварки до 80%; • возможность параллельной работы источников на единую нагрузку; плавная регулировка сварочного режима; дистанционное управление источником; • небольшие габариты и масса; высокий уровень электробезопасности. • технологические: сварка покрытыми электродами любых марок на постоянном и переменном токе; универсальность ВАХ; стабильность зажигания дуги за счет высокого Uхх и осцилляции; возможность сварки короткой дутой, уменьшающей энергопотери и улучшающей качество сварного соединения благодаря уменьшению зоны термического влияния; качественное формирование шва во всех пространственных положениях; минимальное разбрызгивание при сварке.

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА РДС – сварка плавящимся электродом, при которой подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок производятся вручную. Принципиальная схема РДС 2 1 прямой сварочный провод; 2 –держатель электрода; 3 – электрод 4 металлический стержень электрода; 5 покрытие электрода; 6 жидкие капли расплавленного электрода; 1 3 7 электрическая сварочная дуга; 8 защитный газ; 9 жидкий шлак (шлаковая ванна); 10 шлаковая корка; 11 металл шва; 12 основной металл; 13 сварочная ванна; 4 14 14 – обратный сварочный провод 8 5 11 6 К электроду и свариваемому изделию от источника 9 10 7 сварочного тока ИП подводится переменный или постоянный ток. Сварочная дуга горит между электродом (стержнем) и основным металлом. При этом электрод и основной металл плавятся за счет теплоты сварочной дуги, образуя общую сварочную ванну. Капли жидкого металла с торца расплавляемого электродного стержня переносятся в жидкую ванну через дуговой промежуток, одновременно плавится покрытие электрода, образуя газовое облако 12 13 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности сварочной ванны. По мере движения дуги металл сварочной ванны затвердевает, образуя сварной шов, при этом жидкий шлак по мере остывания образует на лицевой поверхности шва твердую шлаковую корку, которая защищает горячий металл шва от окисления газами атмосферы и легко удаляется после остывания шва.

Электроды для РДС Плавящиеся электроды представляют собой металлические стержни длиной 0. 225 0. 450 м на которые нанесен слой электродного покрытия. Для изготовления электродов используется сварочная проволока из стали и цветных металлов. Один из концов электрода на длине 20 30 мм освобожден от покрытия для зажатия его в электрододержателе с целью обеспечения электрического контакта. Торец другого конца очищают от покрытия для возможности возбуждения дуги посредством касания изделия в начале процесса сварки. σв Сварочная проволока выпускается по ГОСТ 2246 – 70 всего 77 марок. Стандартом регламентируется только химический состав и 225 … 450 мм размеры проволоки, так как механические свойства металла шва зависят от многих покрытие других факторов. Предусмотрены диаметры сварочная проволока проволок 0, 3… 12, 0 мм. Для изготовления электродов применяют проволоки диаметром Св-08 ГА 1, 6 8 мм, остальные только для сварки или наплавки: сварочная проволока • малоуглеродистая Св 08, Св 08 А, Св содержание углерода в сотых долях 08 АА, Св 08 ГА и СВ 10 Г 2; процента – 0, 08% • легированная Св 08 ГС, Св 12 ГС, Св название легирующего элемента, и среднее 08 Г 2 С, Св 10 ГН, Св 08 ГСМТ и т. д. (всего содержание этого элемента в процентах – 30 марок); 1% Mn; • высоколегированная Св 12 Х 11 НМФ, Св «A» в конце маркировки высококачественная 10 Х 11 НВМФ, Св 12 Х 13, Св 20 Х 13, Св сталь, т. е. снижено содержание P, S. 06 Х 14, Св 08 Х 14 ГНТ и т. д. (всего 41 марка).

Электроды для РДС • • Покрытие электрода – это смесь веществ, обеспечивающие: ионизацию дугового промежутка, т. е. поддержание устойчивого горения дуги; защиту зоны сварочной дуги от воздействия О 2 и N 2 воздуха; образование на поверхности сварочной ванны и металла шва слоя шлака защищающего ванну от доступа воздуха и замедляющего охлаждение шлака; металлургическую обработку сварочной ванны – раскисление и легирование металла шва. Покрытие содержит следующие компоненты: Ионизирующие или стабилизирующие - содержащие элементы с низким потенциалом ионизации (K, Ca, Na), а также их соединения, обеспечивают легкое возбуждение дуги и устойчивое горение. Газообразующие – органические вещества: крахмал, древесная или пищевая мука, либо неорганические вещества, обычно карбонаты (мрамор Са. СО 3, магнезит Mg. CO 3 и др. ) – обеспечивают газовую защиту капель жидкого металла от газов окружающей среды. Шлакообразующие компоненты – составляют основу покрытия, обычно это руды (марганцовая, титановая), или минералы (ильменитовый и рутиловый концентраты, плавиковый и полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, и др. ) обеспечивают образование шлаковой корки на поверхности шва, что защищает его от газов окружающей среды и замедляет остывание. Раскислители – ферросплавы (сплавы Ti, Si, Mn, Al, Mo с железом) обеспечивают протекание металлургических процессов в сварочной ванне и способствуют восстановления Fe из окислов, образующихся в сварочной ванне. Связующие – водные растворы силикатов натрия и калия, называемые жидким стеклом, желатин и смола хвойных деревьев – обеспечивают связь всех компонентов. Формовочные добавки вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства – бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

Классификация электродов для РДС Согласно ГОСТ 9466 -75 Электроды для РДС подразделяются по назначению: • для сварки углеродистых и низколегированных (конструкционных) сталей обозначаются индексом «У» , различают 9 типов электродов (Э 38, Э 42 А, Э 46 А, Э 50 А, Э 55, Э 60) – обеспечивают получение металла шва с σв<600 МПа; • для сварки легированных конструкционных сталей – индекс «Л» , различают 5 типов электродов (Э 70, Э 85, Э 100, Э 125, Э 150) – обеспечивающих получение металла шва с σв>600 МПа; • для сварки легированных теплоустойчивых сталей – индекс «Т» , различают 9 типов электродов (Э-09 МХ, Э-05 Х 2 М, Э-10 Х 1 М 1 НФБ, Э-10 ХЗМ 1 БФ, Э-10 Х 5 МФ и др. ); • для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами – индекс «В» , различают 49 типов (Э-12 X 13, Э-06 X 13, Э-10 X 17 T, Э-12 Х 11 НМФ и др. ); • для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами – индекс «Н» , различают 44 типа (Э-10 Г 2, Э 30 В 5 Х 3 и др. ); Требования к покрытым электродам для сварки чугуна и цветных металлов государственными стандартами не регламентированы, их изготовляют по стандартам или ТУ на электроды конкретных марок. По виду покрытия электроды классифицируются: Если покрытие • А - кислое, марки СМ 5, ЦМ 7, МЭЗ 04; содержит железный • Б – основное, марки УОНИ 13/45, СМ 11, УП 1/45, ЦУ 1; порошок в количестве • Ц – целлюлозное, марки ВСЦ 2, ВСЦ 4 А; более 20%, к • Р - с рутиловое, марки АНО 1, 5, 6, МР 3, ОЗС 4, ЦМ 9 и др. обозначению вида • смешанного типа – соответствующее двойное обозначение; покрытия добавляют • П - прочие. букву Ж.

Условное обозначение электродов для РДС Структура условного обозначения электродов по ГОСТ 9466 -75 1 2 E 3 6 4 7 5 8 9 10 , 11 1 тип; 2 марка; 3 – диаметр электродной проволоки, мм; 4 назначение; 5 толщины покры тия; группа индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла 6 шва по ГОСТ 9467, ГОСТ 10051 или ГОСТ 10052; 7 вид покрытия; 8 допустимые пространственные положения сварки или наплавки; 9 род применяемого при сварке или наплавке тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения холостого хода источника питания сварочной дуги переменного тока; 10 ГОСТ 9466; 11 стандарт на типы электродов. Электроды подразделяют на типы: по ГОСТ 9467 75, ГОСТ 10051 75 и ГОСТ 10052 75; на марки по стандартам или тех ническим условиям. При этом каждому типу электро дов может соответствовать одна или несколько марок. Толщина покрытия – определяется отношением D/d. Э, где D - диаметр покрытия, d. Э – диаметр стержня электрода: М – с тонким D/d. Э<1, 20; С – со средним 1, 201, 80.

Условное обозначение электродов для РДС По допустимым пространственным положениям 1 – для всех положений; 2 – для всех положений, кроме сварки вертикальной «сверху вниз» ; 3 – для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального «снизу вверх» ; 4 – для нижнего и нижнего «в лодочку» . По роду и полярности применяемого Iсв, а также по номинальному напряжению UXX используемого источника питания сварочной дуги: цифры от 0 до 9. Полное условное обозначение электрода должно быть указано на этикетках или в маркировке упаковок с электродами.

Параметры режим РДС покрытым электродом Основные Диаметр электрода, d. Э; Сила сварочного тока, Iсв Род и полярность тока; Напряжение дуги, Uд; Скорость сварки Vсв. Дополнительные Положение шва в пространстве Подогрев и последующая ТО Диаметр электрода d. Э выбирают в зависимости от толщины S свариваемого изделия при сварке в нижнем положении: S, мм d. Э, мм 1 -2 3 4 -8 9 -12 13 -15 1, 6 2 3 3 4 4 5 5 16 и более 6 При сварке угловых швов d. Э выбирают в зависимости от величины катета: k, мм d. Э, мм 1 -2 3 4 -8 9 -12 13 -15 1, 6 2 3 3 4 4 5 5 16 и более 6 При сварке в других пространчтвенных положениях используют электроды d. Э ≤ 4 мм независимо от толщины стыка. При многослойной сварке корневой валик выполняют электродам d. Э = 3 – 4 мм без поперечных колебаний. Ток сварки Iсв устанавливается в зависимости от d. Э и положения шва, для сварки в нижнем положении: Iсв = k. I · d. Э, где k. I – коэффициент пропорциональности, зависит от d. Э и его типа. d. Э, мм 1 -2 3 -4 5 -6 k. I, мм 20 30 30 40 45 60 При сварке на вертикальной стенке сила тока сварки Iсв должна быть ниже на 10 – 15%, чем при сварке в нижнем положении, а при сварке в потолочном положении ниже на 15 – 20%. Максимальное значения тока для РДС ≈ 350 А, при большей силе тока наблюдается перегрев электрода, ухудшаются защитные свойства покрытия, нарушается стабильность плавления электрода.

Параметры режим РДС покрытым электродом Напряжение дуги UД изменяется в сравнительно узких пределах 16 – 30 В и выбирается на основании рекомендаций технической документации для данной марки электродов. Род и полярность тока зависят в основном от толщины и типа металла и марки электрода. Положение шва в пространстве. РДС позволяет проводить сварку в любых про странственных положениях, однако, стремятся сваривать изделия в нижнем положении. Так как, при сварке в вертикальном и потолочном положении жидкий металл сварочной ванны под действием сил тяжести стремится вытечь из сварочной ванны. Следовательно необходимо уменьшать количество жидкого металла, применять специальные технологические приемы, использовать сварщиков высокой квалификации. Скорость сварки выбирается так, чтобы сварочная ванна заполнялась электродным металлом и возвышалась над поверхностью кромок с плавным переходом к основному металлу без подрезов и наплывов. Для РДС скорость сварки не высока и лежит в пределах 2 – 5 м/ч.

Техника РДС покрытым электродом Возбуждение сварочной дуги осуществляется двумя способами: касанием – опускают электрод вертикально вниз и отводят в сторону (а); чирканьем, как спичкой (б). а Манипулированием электродом. В процессе сварке электроду сообщается движение в трех направлениях: • Поступательное – вдоль оси электрода – обеспечивает постоянство l. Д, зависит от скорости плавления электрода, следовательно, от его диаметра и тока сварки; • Прямолинейное – вдоль оси шва со скоростью сварки, зависит от режима сварки, вида шва, и других факторов; • Колебательное (поперечное) – перемещение электрода поперек оси шва для прогрева кромок. Получают швы шириной до 4 d (без колебания – до 1, 5 d). Исключается при сварке тонких листов и при выполнении первого (корневого) шва в многослойных швах. б

Техника РДС покрытым электродом Ниточные валики без поперечных колебаний. Ширина шва (0, 8+1, 5)d. Э. Сварка тонкого металла, заварка первого слоя в многослойном шве, подварка дефектов Возвратно-поступательное движение электрода Короткие колебания – для увеличения ширины шва. Длинные колебания – при сварке в потолочном и вертикальном положениях. Не способствует усиленному прогреву кромок Наплавочные валики при сварке в нижнем положении с регулированием ширины шва. Способствует хорошему провару корня шва Стыковые швы со скосом обеих кромок и угловые соединения в любом пространственном положении Усиленный прогрев кромок шва Угловые и стыковые швы за один проход, особенно при сварке высоколегированных сталей. Способствует прогреву одной кромки Элементы конструкций разной толщины, где необходимо регулировать тепловложение между кромками Улучшает прогрев корня шва Сварка толстолистовых конструкций с гарантированным проплавлением корня шва

Техника РДС покрытым электродом Способы выполнения швов различной длины Для длинных (свыше 1000 мм) швов Шов разбивается на отдельные участки по 150 – 200 мм. Сварка на каждом из них ведется в направлении, обратном общему направлению сварки. • • • Длинные швы однопроходных стыковых швов Первый проход многопроходных швов Угловые швы Сварка обратноступенчатым способом эффективно уменьшает напряжения и деформации в шве

Техника РДС покрытым электродом Сварка многопроходных сварных швов При сварке металла большой толщины швы выполняют за несколько проходов слоями или валиками, что способствует снижению сварочных напряжений и деформаций. При первом способе каждый слой шва выполняют за один проход, при втором – за несколько проходов. При сварке слоями внутренние напряжения и, следовательно, деформации снимаются в большей степени, чем при сварке валиками. Для снижения сварочных напряжений и деформаций используют также способ заполнения разделки «каскадным методом» или «горкой» . При этом швы разбивают на короткие участки, а каждый последующий шов при сварке накладывают на еще не остывший металл предыдущего слоя. При большой длине шва сварку ее ведут одновременно от середины к краям два сварщика.

Оборудование сварочного поста для РДС

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ АДСФ осуществляется с использованием плавящейся сварочной проволоки и введением в зону сварки гранулированного флюса, полностью закрывающего дугу, который расплавляясь, создает вокруг нее защитную оболочку, перемещающуюся вместе с дугой. VСВ VП 1 – подающие ролики; 2 – электродная проволока; 3 – токоподводящие ролики (мундштук); 4 – флюс; 5 – расплавленный флюс (шлак); 6 – шлаковая корка; 7 – сварной шов; 8 – сварочная ванна; 9 – флюсогазовый пузырь; 10 – сварочная дуга VСВ – направление сварки со скоростью сварки; VП – направление подачи сварочной проволоки со скоростью плавления. Сварку под флюсом можно осуществлять переменным и постоянным током. Подача электродной проволоки в дугу и перемещение ее осуществляется специальными механизмами.

Особенности АДСФ Преимущества АДСФ: высокая производительность сварки – достигается за счет высокой плотности сварочного тока: в отличие от РДС при АДСФ, так же как и при сварке плавящимся электродом в защитных газах, подвод тока к электродной проволоке осуществляется на небольшом расстоянии от дуги (до 70 мм), что позволяет без перегрева электрода использовать повышенные сварочные токи (до 2000 А), при этом плотность сварочного тока достигает 200. . . 250 А/мм 2 (при РДС не более 15 А/мм 2), в результате повышается глубина проплавления основного металла и скорость расплавления электродной проволоки, т. е. достигается высокая производительность процесса; более высокий КПД - минимальные потери на разбрызгивание и угар, т. е. более экономное использования теплоты; высокое качество сварных швов – достигается за счет надежной защиты металла шва от окружающей среды, однородности металла шва по химическому составу, улучшение формы шва и постоянства его размеров, а также снижения вероятности образования дефектов; экономия сварочных материалов – за счет снижения потерь на разбрызгивание и угар, практически отсутствие огарков и многократное использование флюса; автоматизация процесса – путем механизированной подачи сварочной проволоки в зону сварки и автоматического перемещения сварочной дуги по стыку; улучшение условий труда и техники безопасности – отпадает необходимость защиты оператора от излучения дуги и брызг металла. Недостатки АДСФ: сварка ведется только в нижнем положении, возможен наклон до 15 – 20%; не рационально использовать для сварки коротких швов затруднительно применение сварки в полевых условиях и на монтаже.

Сварочные материалы К сварочным материалам относятся флюс и сварочная проволока. Требования к сварочной проволока для АДСФ регламентируется ГОСТ 2246 – 70 (рассмотрен выше). Флюс – один из важнейших компонентов, определяющих качество металла шва и условия протекания сварки. Выполняет следующие функции: физическую изоляцию сварочной ванны от окружающей среды; поддержание стабильного дугового разряда; химическое взаимодействие с жидким металлом шва и легирование металла шва; снижение потерь электродного металла на угар и разбрызгивание. От состава флюса зависит состав жидкого шлака и газовой атмосферы; взаимодействие расплавленного флюса с металлом сварочной ванны; химический состав металла шва, его структуру и свойства. Флюсы делятся по способу изготовления на плавленые и не плавленые. Плавленые флюсы – получают сплавлением компонентов, затем расплавленную массу охлаждают и дробят на гранулы размером 0, 2 – 2, 0 мм. Не плавленые (керамические) флюсы – это механическая смесь порошкообразных компонентов, получаемая смешиванием со связующим веществом, которую после затвердевания гранулируют на зерна величиной 0, 2 – 4, 0 мм, сушат и прокаливают. Флюсы различают по содержанию окислов кремния и марганца. По содержанию Mn. O: высокомарганцевые: 30% < Mn. O среднемарганцевые: 15 < Mn. O < 30% низкомарганцевые: Mn. O ˂ 15%. По содержанию Si. O 2: высококремнистые: до 40 – 50% Si. O 2 низкокремнистые: до 30% Si. O 2 безкремнистые

Сварочные материалы Флюсы различают по назначению: • для сварки углеродистых и низколегированных сталей – средне марганцевые высококремнистые флюсы: АН 348 -А, ОСЦ-45, АНЦ-1, АН-60, АН-22 и др; • для сварки легированных сталей – низкокремнистые флюсы с повышенным содержанием Ca. O, Mn. O, Ca 2 F – АН-15, АН-17, бескремнистые – АН-30, ОФ-6, АВ-4 и др. ; • для сварки высоколегированных специальных сталей – безкремнистые флюсы на основе Ca. O, Ca 2 F, Al 2 O 3: АНФ-5, АНФ-8, АНФ-24, АН-26 и др. ; • для сварки цветных металлов и их сплавов – специальные флюсы, подбирают для каждого конкретного материала отдельно, например, для сварки титана используют флюсы, не содержащие кислород (на основе Ca 2 F Ba. Cl 2 Na. F), чтобы не допустить образования окислов Ti. O 2. Состав металла шва определяется химическим составом флюса и составом сварочной проволоки, поэтому для сварки выбирают систему «флюс - сварочная проволока» . Например для сварки углеродистых и низколегированных сталей выбирают систему «флюс - сварочная проволока» так, чтобы металл шва содержал 0, 2 – 0, 4 Si и Mn, отсюда различают три системы: 1. сварочная проволока низкоуглеродистая (Св 08, Св 08 А и др. ) флюс высокомарганцевый (35 – 45% Mn. O), высококремнистый (40 – 45% Si. O 2); 2. сварочная проволока низкоуглеродистая легированная Mn (Св 08 Г 2, Св 08 А и др. ) флюс высококремнистый (40 – 45% Si. O 2) с содержанием Mn. O ˂ 15%; 3. сварочная проволока со средним содержанием марганца (≈1% Mn) флюс среднемарганцевые (Mn. O ≈ 30%) кремнистые флюсы.

Технология АДСФ Подготовка Сборка Прихватки Сварка ПОДГОТОВКА Непосредственно перед сборкой металл в местах, указанных на позициях I и II, должен быть очищен от ржавчины, масла, влаги, рыхлого слоя, окалины, приводящих к образованию в металле шва пор и других дефектов. Особо тщательно следует зачищать торцы элементов. Зачистка элемента после сборки бесцельна, а иногда даже вредна. СБОРКА под сварку является трудоемкой и наименее механизированной операцией ее цель установление и фиксация деталей в предусмотренном проектом положении с обеспечением свободного доступа к месту сварки и возможности качественной сварки изделия. ПРИХВАТКИ При сварке под флюсом взаиморасположение деталей часто фиксируется прихватками, выполняемыми покрытыми электродами в защитных газах или под флюсом. Сечение прихваток не должно превышать 1/3 сечения шва, но не более 25 – 30 мм 2 при длине 30 – 120 мм. Расстояние между прихватками 400 – 800 мм. Рациональна замена прихваток сплошной шов небольшого сечения (технологический шов).

Технология АДСФ СВАРКА Для обеспечения качественного формирования концевых участков шва сварку начинают на входной и заканчивают на выходной планках, шириной 150 мм и длиной 250 мм которые устанавливают до сварки с помощью прихваток, а после сварки удаляют. Угловые швы при АДСФ выполняются обычно «в лодочку» , что обеспечивает технологичность, хорошее качество и формирование шва. АДСФ односторонних швов ведется с применением специальных устройств для удержания шлака и сварочной ванны и формирования обратного валика: • предварительная подварка корня шва вручную или АДСФ; • • использование съемной/несъемной стальной подкладки: толщина подкладки составляет 30 – 40% от толщины свариваемого металла при однослойной сварке и равна толщине первого слоя при многослойной использование медной съемной подкладки: качество сварки зависит от надежности поджатия к кромкам свариваемых деталей, чтобы не допустить вытекания металла • сварка на флюсовой подушке – флюс к стыку поджимают воздухом или специальной гибкой лентой • использование термостойких синтетических или керамических материалов

Технология АДСФ Сваркой под флюсом выполняют стыковые соединения швами различного типа: однослойные одно- и двусторонние, многослойные одно и двусторонние. Односторонние швы выполняют на неответственных изделиях, так как не всегда удается обеспечить хорошее формирование корня шва. Для ответственных конструкций применяют только двусторонние швы. Для большинства X - образные U - образные комбинированные ответственных конструкций применяют симметричные только двусторонние швы. Двусторонние швы могут не быть симметричными и симметричные несимметричными. По условиям формирования первого слоя и площади разделки предпочтения при сварке металла любой толщины заслуживает «рюмкообразная» форма разделки кромок. С увеличением толщины металла преимущества возрастают. 6 Порядок заполнения Х-образной разделки. 1 – корневой или два корневых валика; 2 – заполнение 1/2 или 1/3 части разделки сверху – зависит от толщины стенки; 2 3 – выборка корневой части; 1 4 – заварка выборки; 1 5 – заполнение 1/2 части или всей части нижней разделки; 5 6 – заполнение до конца верхней части разделки (или 2/3 части); 7 – заполнение оставшейся части нижней разделки; 8 – заполнение оставшейся части верхней разделки.

Оборудование для АДСФ Для АДСФ используют сварочные автоматы, основной частью которых является головка – устройство для подачи сварочной проволоки и поддержания заданного режима сварки. Делятся на два типа: самоходные и подвесные. Самоходные головки – имеющие механизм для перемещения над свариваемыми изделиями. Например самоходные автоматы тракторного типа. Подвесные головки – неподвижно закреплены над изделием или входят в состав установок, включающих в себя манипуляторы, кантователи, служащие для крепления и поворота свариваемых изделий, а также для перемещения изделия в направлении сварки. Бухта сварочной проволоки Панель управления Сварочные автоматы, как правило, имеют два типа регулирования режима сварки: саморегулирование длины дуги и автоматическое Самоходный регулирование длины дуги. аппарат Источник питания Емкость для флюса Головка

Автоматическое (принудительное) регулирование напряжения дуги АРНД Принципиальная схема регулирования напряжения дуги в автомате АДС-1000: ДЭ – электродвигатель подачи электрода; ГЭ – генератор, питающий ДЭ; Rб – балластное сопротивление; Дв – асинхронный двигатель; Ф 0 – задаваемый магнитный поток; Фд – магнитный поток, определяемый напряжением дуги (длинной дуги); Основано на изменении скорости подачи электродной проволоки VП в зависимости от напряжения дуги UД. Скорость вращения ДЭ, а значит и скорость подачи электрода, определяются напряжением генератора ГЭ, питающего якорь ДЭ. При неизменной скорости вращения ротора (от асинхронного двигателя Дв), напряжение генератора ГЭ зависит от результирующего магнитного потока в обмотках возбуждения. Он складывается из потока Ф 0, определяемого величиной опорного напряжения U 0, и потока Фд, определяемого напряжением дуги: Фр = Ф 0 + Фд. Потоки направлены встречно, и обычно Фд несколько больше, т. к. в установившемся режиме электрод подается в зону сварки по мере его плавления. При отклонении Uд соответственно изменяется поток Фд, вызывая торможение или ускорение вращения электродвигателя для восстановления режима. Резистор Rб служит для расширения диапазона регулирования.

ДУГОВАЯ СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ Особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого металла от газов окружающей среды защитными газами. Классификация способов: o по типу электрода: плавящимся, неплавящимся; o по типу защитных газов: инертные (Ar, He), активные (CO 2, N 2), смеси; o по способу защиты: местная, общая; o по степени автоматизации: ручная, полуавтоматическая, автоматическая. Плавящиеся электроды – сварочная проволока состав проволоки должен быть близок к химическому составу основного металла, или содержать повышенное количество Si и Mn (при сварке в CO 2). Неплавящиеся электроды – вольфрамовые электроды (диаметром от 0, 2 до 10 мм), редко угольные или графитовые (при сварке в CO 2). Защитный газ (ЗГ) выбирают с учетом особенностей свариваемого металла, а также требований, предъявляемых к сварным швам. По отношению к свариваемому металлу ЗГ могут быть активными или нейтральными. Например, N 2 активный по отношению к Fe и Cr, но нейтральный к Cu и Co. Практически полностью нейтральными по отношению ко всем металлам являются инертные одноатомные газы. Инертные газы (Ar, He) применяют для сварки химически активных металлов а также во всех случаях, когда необходимо получать сварные швы, однородные по состав с основным и присадочным металлом. Активные газы (СO 2, N 2, Н 2 и др. ) применяют, когда заданные свойства металла можно обеспечить металлургической обработкой: окислением, восстановлением, азотированием и др. Часто целесообразно применять смесь инертных газов с активными, чтобы повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления, уменьшить разбрызгивание, повысить плотность металла шва, воздействовать на перенос металла в дуге, повысить производительность.

Дуговая сварка в среде защитных газов: защитные газы Смеси ЗГ: Аr + (1 - 5%) О 2. Примесь кислорода к аргону способствует получению более плотного наплавленного металла, улучшает сплавление, уменьшает подрезы и увеличивает производительность. Применяют для сварки низкоуглеродистой и легированной стали. Аr + (10 - 20% СО 2). Углекислый газ при сварке малоуглеродистой и низколегированной стали способствует устранению пористости в сварных швах; добавка СО 2 к аргону повышает стабильность дуги и улучшает формирование шва при сварке тонколистовой стали. 75% Аr - 20% СО 2 - 5% О 2. Обеспечивает высокую стабильность дуги при сварке стали, минимальное разбрызгивание металла, хорошее формирование шва, отсутствие пористости. Аr+ (10 - 30% N 2). Добавка N 2 к Аr способствует повышению проплавляющей способности дуги. Применяют при сварке меди, а также аустенитной нержавеющей стали некоторых марок. 80% СО 2+ 20% О 2. Отличается высокой окислительной способностью, благодаря чему увеличивается слой шлака по сравнению со сваркой в СО 2. Обеспечивает глубокое проплавление, хорошее формирование, минимальное разбрызгивание, высокую плотность металла. Применяют для сварки малоуглеродистой и низколегированной стали. Существенное значение при выборе состава защитного газа имеют экономические соображения. Теплофизические свойства защитных газов оказывают большое влияние на технологические свойства дуги и форму швов. Например, по сравнению с Аr - He имеет более высокий потенциал ионизации и большую теплопроводность при температурах состояния плазмы. Поэтому при равных условиях дуга в He имеет более высокое напряжение, а образующийся шов имеет меньшую глубину проплавления и большую ширину. Поэтому He целесообразно использовать при сварке тонколистового металла. Кроме того, он легче воздуха и аргона, что требует для хорошей защиты зоны сварки повышенного его расхода (1, 5. . . 3 раза). Углекислый газ по влиянию на форму шва занимает промежуточное положение.

Дуговая сварка в среде защитных газов: способы защиты металла шва Основным способом сварки в среде защитных газов является сварка с местной защитой 1 электрод; 2 защитный газ; 3 наружный поток защитных газов (CO 2); 4 внутренний поток защитных газов (Ar); 5 насадка; 6 распределительная сетка. б в Подача защитных газов в зону сварки: а – центральная одним концентрическим потоком; б центральная двумя концентрическими потоками; в – с использованием подвижной камеры насадки. Сварочная дуга, горящая между электродом и свариваемыми изделиями, полностью окружена защитным газом, подаваемым под рабочим (избыточным) давлением из сопла горелки а. При сварке W электродом, с целью экономии инертных газов (Ar, He) и повышения технологических свойств защитной среды, применяют горелки с комбинированной защитой б: по внутреннему соплу подается Ar, по внешнему CO 2. Для сварки тугоплавких и активных металлов (Ti, W, Ta и др. ), для улучшения защиты расплавленного и нагретого металлов используют подвижные камеры в. При сварке в контролируемой атмосфере детали помещают в специальные камеры, откачивают воздух до создания вакуума (до 10 4 мм рт. ст. ) и заполняют инертным газом высокой чистоты. Сварку выполняют вручную или автоматически с дистанционным управлением. Могут использоваться обитаемые камеры объемом до 450 м 3. Сварщик находится внутри камеры в специальном скафандре с индивидуальной системой дыхания. Инертный газ, заполняющий камеру, регулярно очищается и частично заменяется. а

Дуговая сварка в среде защитных газов: преимущества метода Преимущества: o высокая производительность (больше чем при АДСФ в 1, 5 – 2 раза) за счет большой плотности тока и отсутствия операций удаления шлака и зачистки поверхности шва. o высокое качество сварных соединений за счет надежной защиты металла шва от окружающей среды; o возможность сварки в различных пространственных положениях и по любой сложной траектории; o возможность визуального наблюдения за образованием шва и корректировки процесса сварки, что особенно важно при полуавтоматической сварке; o отсутствие операций по засыпке и уборке флюса; o простота механизации и автоматизации; o низкая стоимость при использовании активных защитных газов; o узкая ЗТВ и небольшие деформации изделия. К недостаткам способа относится: o необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги; o необходимость защиты зоны сварки от сквозняков (при местной защите), следовательно, затруднена сварка при монтаже на открытом воздухе; o высокая стоимость при сварке вольфрамовым электродом в среде инертных газов.

Дуговая сварка в среде защитных газов: Ар. ДС (TIG) Ар. ДС (TIG Tungsten Insert Gas) Аргонодуговая сварка неплавящимся W электродом. W электроды при рабочей температуре характеризуются высокой активностью к О 2, поэтому в качестве ЗГ применяют Ar, He и N 2, являющиеся по . отношению к W инертными. Для Ар. ДС применяются электроды Ø 0, 2 - 10 мм из чистого W (ЭВЧ), с присадками выдерживают большую токовую нагрузку и имеют повышенную эрозионную стойкость : диоксида тория (ЭВТ), оксидов лантана (ЭВЛ) и иттрия (ЭВИ). Диаметр вольфрамового электрода выбирается в зависимости от величины сварочного тока. Вольфрамовые электроды используются с заточкой под углом 20 90°. Дуга возбуждается между W-электродом и изделием и защищается струей ЗГ, выходящей из сопла горелки. W-электродом находится внутри горелки, что обеспечивает его охлаждение струей ЗГ и повышает стойкость против разрушения. Дуга возбуждается кратковременными разрядами тока высокой частоты и напряжения с помощью осциллятора, ЗГ подается за 10 – 15 с до сварки. По окончании сварки дугу обрывают постепенно понижая значения сварочного тока, при этом подачу ЗГ прекращают через 10 – 15 с после снятия тока. Сварка выполняется при определенном ориентировании электрода и присадочной проволоки относительно стыка. Необходимо предусматривать скольжение торца проволоки по кромкам свариваемого стыка. Формирование шва зависит от диаметра присадочной проволоки и скорости ее подачи. При выборе режима сварки следует учитывать, что увеличение диаметра присадочной проволоки снижает глубину проплавления ванны. Ориентировочно диаметр присадочной проволоки выбирают в зависимости от мощности дуги или диаметра вольфрамового электрода d. П = (0, 5 -0, 7) d. Э.

Дуговая сварка в среде защитных газов: Ар. ДС (TIG) При описании дополняют упоминанием рода тока сварки: DC (direct current) постоянный ток или AC/DC (alternating current/direct current) переменный/постоянный ток. Большинство металлов сваривают на постоянном токе прямой полярности, сварку активных металлов и некоторых высоколегированных сталей ведут на переменном токе. Сварка постоянным током прямой полярности характеризуется лучшими условиями для термоэлектронной эмиссии, повышенной стойкостью вольфрамового электрода. Используются большие значения тока сварки. Дуга легко возбуждается и устойчиво горит при Uд = 10 – 15 В. Доля тепловой мощности, вводимой в изделие, составляет 40 - 85%, потери на нагрев W электрода 4 -6%, а лучевые потери от столба дуги 7 -30%. Сварка постоянным током обратной полярности требуются повышенные значения Uд (так как хуже условия для эмиссии электронов – происходит с изделия), следовательно снижается стойкость вольфрамового электрода (повышенная температура) и его расход. Практически не применяется. Потери на нагрев неплавящегося электрода анода составляют >50 % общей мощности дуги, т. е. энергетически сварка током обратной полярности невыгодна. Перегрев анода связан с характером теплового баланса электродов. Однако сварочная дуга при этом обладает особыми технологическими свойствами: с поверхности свариваемого изделия удаляются окислы и загрязнения, так как поверхность металла бомбардируется положительными ионами аргона и разрушают оксидную пленку, а выходящие отрицательные электроны с поверхности изделия способствуют удалению частичек оксидной пленки. Это процесс называется катодным распылением. Из за низкой стойкости W-электрода сварку (Al, Mg, Be) чаще ведут на переменном токе. Сварка переменным током является наиболее распространенным процессом при изготовлении конструкций из алюминиевых и магниевых сплавов. Разрушение оксидной пленки происходит в полупериод обратной полярности, когда основной металл является катодом.

Дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом: MIG/MAG - Metal Inert / Active Gas При сварке дуга горит между концом непрерывно расплавляемой проволоки и изделием. Проволока подается в зону дуги с помощью механизма со скоростью, равной средней скорости ее плавления. Это обеспечивает постоянство средней длины дугового промежутка. Расплавленный металл электродной проволоки переходит в сварочную ванну и участвует в формировании шва. Значительная часть тепловой энергии переносится электродным металлом. Поэтому перенос металла через дуговой промежуток обусловливает технологические характеристики дуги. От характера переноса зависят стабильность горения дуги, ее тепловой баланс, металлургические реакции в зоне сварки, размеры проплавления и формирование шва. o o Преимущества способа: высокий удельный тепловой поток, обеспечивающий относительно узкую зону термического влияния; возможность металлургического воздействия на металл шва за счет регули рования состава проволоки и защитного газа; широкие возможности механизации и автоматизации процесса сварки; высокая производительность сварочного процесса.

Дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом: Характер переноса металла Выделяют три основные вида переноса электродного металла в сварочную ванну: при периодических коротких замыканиях; перенос металла отдельными крупными каплями без к. з. ; мелкокапельный или "струйный" перенос без к. з. Перенос металла через дуговой промежуток происходит в виде капель и паров. Основными силами, обусловливающими формирование капель электродного металла и перенос его через дуговой промежуток, являются сила тяжести, аксиальная сила, возникающая в результате пинч-эффекта, и силы поверхностного натяжения. Процесс сварки с периодическими короткими замыканиями характерен для сварки электродными проволоками диаметром 0, 5. . . 1, 6 мм при короткой дуге с напряжением 15. . . 22 В. Скорость подачи электродной проволоки на всех этапах остается постоянной, а скорость ее плавления изменяется. В периоды отсутствия КЗ скорость плавления электродной проволоки меньше скорости подачи. Расплавленный металл силой поверхностного натяжения стягивается в каплю на торце электрода длина и напряжение дуги максимальны. В периоды КЗ скорость плавления проволоки больше скорости подачи, так как в на этом этапе наблюдается максимум сварочного тока – он равен току КЗ. UД IД

Дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом: Характер переноса металла При капельных типах переноса металла основными силами, влияющими на формирование капель электродного металла и перенос его через дуговой промежуток, являются аксиальная сила, возникающая в результате пинчэффекта, и силы поверхностного натяжения Fσ. Сила тяжести FТ имеет практическое значение при токе, относительно небольшом для диаметра проволоки. Расплавленный металл на конце электрода под действием Fσ собирается в капли. По мере расплавления электрода капля растет до такого объема, когда Fσ = FТ, и капля отрывается. Поверхностное натяжение изменяется при взаимодействии металла с газами и сильно зависит от температуры. Например, N 2 повышает поверхностное натяжение, а O 2 – снижает. С уве личением Д растет температура и уменьшается роль I FТ в формировании капли, увеличивается сжимающее действие электромагнитных сил, способствующих отделению капли от конца электрода. Благодаря этому по мере увеличения IД уменьшается размер капель электродного металла, меняется характер переноса металла от крупнокапельного к мелкокапельному, а затем к «струйному» . Это происходит при увеличении IД свыше «критического» для данного d. Э. Значение критического тока уменьшается при активировании электрода, увеличении вылета электрода, изменение состава защитного газа (например, добавка в Ar до 5% O 2). В результате поток газов и металла от электрода в сторону сварочной ванны резко растет, под дугой уменьшается прослойка жидкого металла, в сварочной ванне появляется местное углубление, повышается теплопередача к основному металлу, и шов приобретает специфическую форму с повышенной глубиной проплавления. При этом дуга очень стабильна колебаний IД и UД не наблюдается. Сварка возможна во всех пространственных положениях. Однако, переход к струйному переносу возможен только при сварке в инертных газах на обратной полярности.

Дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом: Выбор параметров режима сварки Сварочный ток определяет размеры шва и производительность, Основные параметры: • ток, его полярность, зависит от диаметра d. Э и состава проволоки и устанавливается в соответствии со скоростью ее подачи. В зависимости от d. Э рекомендуются • напряжение дуги, • диаметр проволоки, определенные пределы IД, при которых обеспечивается стабильность • скорость её подачи, процесса сварки. Сварку плавящимся электродом обычно выполняют на • расход и состав ЗГ, токе обратной полярности. Напряжение дуги устанавливается в соответствии с величиной IД и • вылет электрода, учетом формирования шва, разбрызгивания металла и производительности. • скорость сварки. Вылет электрода (ВЭ) благодаря высокой плотности тока оказывает существенное влияние как на энергетический баланс при сварке, так и на стабильность процесса. К примеру, оптимальные ВЭ стального электрода следующие: d , мм 0, 5 0, 8 1, 6 2, 0 3, 0 Скорость сварки плавящимся электродом Э (15 -80 м/ч) зависит от производительности и ВЭ, мм 5 -7 6– 8 11– 14 14– 17 20 - 30 качества формирования шва. При автоматической сварке и полуавтоматической сварки плавящимся электродом качественные соединения по лучают на металле толщиной более , 0 мм. Металлы толщиной 4 - 12 1 мм сваривают за два прохода с двух сторон, металлы толщиной 15 - 20 мм сваривают за два три прохода при V образной раз делке кромок с углом 0° и притуплением 2 - 4 мм. При толщине 20 - 30 6 мм применяют двухстороннюю разделку кромок с углом 60° и притуплением 2 - 4 мм. Металлы большей толщины целесообразно сваривать при узкой щелевой разделке кромок за несколько проходов. При сварке в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях используется проволока Ø 1, 2 мм, при автоматической и полуавтоматической сварке в нижнем положении проволока Ø 1, 2 - 3, 0 мм.

Дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом: Особенности сварке в CO 2 Схема процесса сварки та же. Сварку в CO 2 широко используют при изготовлении изделий из углеродистых сталей. В зависимости от толщины свариваемого металла применяют неплавящийся угольный или графитовый электрод (для толщин до 2 мм), или плавящийся электрод (для толщин свыше 0, 8 мм). При сварке в СО 2 плавящимся электродом это необходимость использовать сварочную проволоку с повышенным содержанием раскислителей Si, Mn, для компенсации выгорания данных элементов в металле шва и предотвращения образования окислов железа и дефектов в виде пор. СО 2 обеспечивает защиту металла в зоне сварки от воздуха, но окисляет защищаемый металл при непосредственном взаимодействии с металлом: Fe + CO 2 Fe. O + CO а также с О 2, образующимся в результате диссоциации 2 СО 2 СО+О 2 CO 2 в области высо ких температур: 2 Fe + О 2 2 Fe. O С повышением температуры степень термической диссоциации CO 2 увеличивается, и роль непосредственного окисления металла CO 2 понижается. Окисление жидкого металла вызывает большие потери легирующих элементов из капель электродного металла, приводит к повышению содержания кислорода в металле сварочной ванны. В результате возрастает вероятность образования пор из за выделения СО в процессе кристаллизации, и снижаются механические свойства металла шва. Для раскисления металла шва в сварочную ванну в составе электродной [Fe. O] + [Mn] Fe + (Mn. O) проволоки вводят раскислители Si и Mn, 2[Fe. O] + [Si] 2 Fe + (Si. O 2) связывающие O 2, растворенный в металле: В хвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на поверхность металла. Образование пор из за выделения оксида углерода при сварке углеродистых сталей предотвращается, если металл шва содержит до 0, 12 - 0, 14 % С, не ниже 0, 17 - 0, 20 % Si, не ниже 0, 5 - 0, 8 % Мn. Для этого при сварке необходимо использовать специальные сварочные проволоки, содержащие раскислители – Св 08 ГС, Св 08 Г 2 С, Св 10 ГС, которые предохраняют от окисления легирующие добавки свариваемого металла (защитный газ СО 2 сильный окислитель).

Дуговая сварка в среде защитных газов плавящимся электродом: Особенности сварке в CO 2 Металл шва характеризуется малой склонностью к образованию горячих трещин и достаточно высокими механическими свойствами. Увеличение содержания углерода приводит к повышению вероятности образования горячих трещин. Повышение содержания Si сверх 0, 45% понижает пласти ческие свойства металла шва и также увеличивает вероятность образования горячих трещин. Вероятность их образования сни жается при повышении содержания n до 1, 2 %. M Металл, наплавленный при сварке в струе СО 2, чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при АДСФ, при этом, процесс менее чувствителен к ржавчине на свариваемых кромках. Это обусловлено оттеснением газовой струей влаги, испаряющейся при сварке из ржавчины, и окисли тельными свойствами газовой среды. Однако эффект достигается при использовании CO 2 с малым содержанием паров воды. На свойства металла шва и образование пор большое влияние оказывают загрязнения на поверхности электродной проволоки: технологическая смазка, антикоррозионная смазка, ржавчина. Преимущества: o те же, что и при сварке в аргоне, o высокая производительность, o низкая стоимость. Недостатки: o увеличенное разбрызгивание o хуже внешний вид шва; o нельзя получить струйный перенос. Основными параметрами режима сварки в СО 2: o полярность и сила тока (50 – 450 А); o напряжение сварки (до 30 В); o диаметр (0, 5 – 3 мм), скорость подачи, вылет, наклон и колебания проволоки; o скорость сварки (20 – 80 м/ч); o расход (6 – 25 л/мин) и состав защитного газа. Сварку в CO 2 обычно выполняют на постоянном токе обратной полярности. Однако возможна сварка и на переменном токе. При прямой полярности дуга горит менее стабильно, с интенсивным разбрызгиванием, а глубина провара меньше, чем на обратной.

Электрошлаковая сварка ЭШС Электрошлаковая сварка – это сварка плавлением, которая производится путем нагрева свариваемого металла теплотой расплавленного шлака, разогреваемого проходящим через него электрическим током. 1 свариваемые детали толщиной s; 2 мундштук для подачи электрода; 3 электрод; 4 шлаковая ванна глубиной hs; 5 металлическая ванна глубиной hм; 6 формирующий ползун. bсв зазор между деталями; lс — сухой вылет электрода. Источником теплоты при электрошлаковой сварке служит расплавленный флюс (шлак). Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока через флюс: Q = 0, 24 I 2 Rв, где RB — сопротивление шлаковой ванны. Расплавленный шлак за счет прохождения электрического тока нагревается до высокой температуры (около 2000°С). Теплота, выделяющаяся в шлаковой ванне при прохождении тока, обеспечивает расплавление основного и присадочного металлов с образованием общей сварочной ванны. Так как плотность металла больше, чем шлака, шлаковая ванна находится в верхней части расплава, а в нижней части формируется сварочная ванна из жидкого металла.

Электрошлаковая сварка ЭШС Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жидкий шлак, взаимодействует с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным. Свариваемый металл, шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания формирующими устройствами 1 - электрод; 2 - свариваемые детали; 3 - шлаковая – подвижными или неподвижными ванна; 4 - металлическая ванна; 5 - формирующий медными ползунами охлаждаемыми водой, ползун; 6 – водяное охлаждение; 7 – сварной шов. или остающимися пластинами. По мере плавления основного и присадочного металлов металлическая и шлаковая ванны поднимаются, а в нижней части кристаллизуется сварной шов. Процесс ведется автоматически, причем наряду с заданной скоростью подачи присадочного металла поддерживается определенная глубина шлаковой и металлической ванны. Электрошлаковая сварка протекает в две стадии: o наведение шлаковой ванны o сварка.

ЭШС Сборка стыка под сварку А, Б - свариваемые детали; К входной «карман» ; В - выводные планки; γ = (b. В - b. Н)/h Обычно шлаковую ванну наводят с помощью дуги, возбуждаемой между плавящимся электродом и свариваемыми кромками. Основная задача навести шлаковую ванну как можно скорее и с минимальным расходом плавящегося электрода. Поскольку в период наведения шлаковой ванны металлическая ванна только возникает и развивается и свариваемые кромки еще недостаточно прогреты, на начальном участке шва образуются дефекты: непровары, шлаковые включения, поры. Поэтому электрошлаковую сварку начинают в специальном технологическом «кармане» , который после сварки удаляют. В кармане (кокиль) под флюсом возбуждается сварочная дуга. Дуга горит до тех пор, пока в кармане не расплавится флюса в таком количестве что дуга гаснет и дуговой процесс переходит в электрошлаковый, в дальнейшем электродная проволока плавится за счет тепла расплавленного флюса (шлака). Для вывода усадочной раковины за пределы рабочей части шва изделия, в верхней части стыка устанавливают выходные планки. После окончания сварки технологический карман и выходные планки удаляются. Для компенсации деформаций соединяемых частей и сохранения заданной величины сварочного зазора сборка осуществляется с клиновидным зазором γ = 1 -2°.

ЭШС Особенности В зависимости от типа электрода различают несколько способов процесса ЭШС: o электродной проволокой, o электродной пластиной, o плавящимся мундштуком. Наиболее распространен способ сварки электродной проволокой. В зависимости от толщины свариваемых элементов процесс ведут одним или несколькими электродами: до 50 мм – один неподвижный электрод; 50 – 150 мм – один электрод с возвратно поступательными колебаниями; 100 – 300 мм – 2 электрода; 150 – 500 мм – три электрода с возвратно поступательными движениями. ЭШС с использованием проволоки диаметром 2, 5 - 3, 5 мм – один из наиболее распространенных способов для соединения металла толщиной до 500 мм, при выполнении швов большой протяженности и поворотных кольцевых швов. Вылет электродов над шлаковой ванной выбирают в пределах 60 - 70 мм. Плотность тока в электродах изменяется от 1 до 160 А/мм 2.

ЭШС Сварочные материалы Для сварки углеродистых сталей в зависимости от их состава применяют специально разработанные для ЭШС низкокремнистые марганцовистые (АН-8, АН-8 М, АН-22) и фторидные (АНФ-8) флюсы. Возможно также применение флюсов, разработанных для дуговой сварки под флюсом, АН-348 -А, ФЦ-7, АНФ-7. При электрошлаковой сварке флюс в шлаковую ванну подсыпают только для восполнения потерь, поэтому состав шлаковой ванны в процессе сварки изменяется. Это приводит к замедлению реакций, развивающихся между шлаком и металлом. По этой причине не используют кремне- и марганце- восстановительные процессы для легирования металла шва указанными элементами, так как по мере выполнения шва из за развития указанных реакций шлаковая ванна будет обогащаться оксидами железа, а содержание кремния и марганца, наоборот, понижаться. Для раскисления металла шва и шлаковой ванны, а также легирования металла шва используют легированные электроды (проволоку и пластины). Низкоуглеродистые стали в основном сваривают под низкокремнистыми флюсами, например, АН-8, АН-22 в сочетании с электродной проволокой Св-10 Г 2, Св-08 ГС. Для среднеуглеродистых сталей в некоторых случаях применяют фторидные флюсы, содержащие оксиды кальция (АНФ-7, АНФ-8), в сочетании с электродной проволокой Св-12 ГС, Св -10 Г 2. Применение подобных флюсов позволяет снизить склонность металла шва к образованию горячих трещин.

ЭШС Особенности Преимущества: o высокая производительность (до 15 раз выше, чем при АДСФ): металл практически любой толщины сваривается за один проход; o не требуется разделка кромок под сварку: сварочный зазор образуется прямыми кромками; o малый расход флюса: не более 5% от наплавленного металла; o рациональный расход электрической энергии: малое количество расплавляемого флюса; o вертикальное расположение оси шва и высокая температура в верхней части сварочной ванны облегчает всплывание газовых пузырей, частиц шлака и удаление их из металла. Недостатки: o необходимость проведения последующей высокотемпературной термической обработки для получения требуемых механических свойств сварного соединения; o отсутствие возможности сварки с остановками: шов следует от начала до конца выполнять без остановок, так как при вынужденных перерывах процесса сварки в шве возникает трудноисправимый дефект. Область применения ЭШС соединяют стали разных классов и марок, жаропрочные и никелевые сплавы, титан, алюминий, медь и сплавы на их основе. Внедрение ЭШС открыло возможность получения заготовок и изделий любой формы, практически неограниченных размеров из отливок, поковок и проката сравнительно малых размеров и простой формы. Причем разработанные методы точной компен сации деформаций позволяют изготовлять сварные крупногабаритные конструкции с заданными размерами. Диапазон толщин свариваемых металлов 2 - 300 см. Наиболее экономично применение ЭШС при толщине металла более 40 мм.

Электронно-лучевая сварка ЭЛС Электронно-лучевая сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева и расплавления основного металла используется энергия, получаемая в результате бомбардировки изделия потоком электронов, сформированным в узкий пучок. При взаимодействии с обрабатываемой поверхностью электроны тормозятся, их кинетическая энергия превращается в тепловую, происходит расплавление кромок свариваемых деталей и образуется сварочная ванна. При воздействии электронного пучка с высокой концентрацией энергии, металл в зоне облучения разогревается до температуры плавления и интенсивного испарения. Под давлением пара поверхность жидкого металла прогибается, образуется углубление. Соответствующее количество жидкой фазы вытесняется на поверхность свариваемых деталей. По мере перемещения изделия или источника нагрева происходят кристаллизация расплавленного металла и образование шва. 1, 2, 3 –возмущения передней стенки 4 – электронный пучок; 5 – усиление шва; 6 – закристаллизовавшийся металл шва; 7 – ванна

Электронно-лучевая сварка В электронно лучевых установках электронный луч генерируется и управляется с помощью электронно-оптической системы, называемой электронной пушкой. Катод нагревается до высокой температуры (2000 – 3000 °С) и с его поверхности происходит эмиссия потока электронов, который ускоряется и формируется электростатическим полем в области катод – анод. Ток луча может регулироваться двумя путями: подачей отрицательного напряжения на управляющий электрод или изменением температуры катода. После анода движение электронов происходит по инерции со скоростью, соответствующей приложенной разности потенциалов. Для увеличения плотности энергии в луче, после выхода электронов из анода, они фокусируются магнитным полем в магнитной линзе в плотный пучок. Отклонение луча при необходимости совмещения пятна нагрева с линией стыка или его перемещение по изделию осуществляется электромагнитной отклоняющей системой. Положительный потенциал ускоряющего электрода (анода) 30… 150 к. В, поэтому электроны, эмитированные катодом на пути к аноду, приобретают значительную скорость и энергию (VЭ = 60 – 200 км/с). Для обеспечения свободного движения электронов к изделию, для тепловой и химической изоляции катода, а также для предотвращения возможности возникновения дугового разряда между электродами, в установке создается глубокий вакуум порядка 1× 10 -4 мм рт. ст. , который обеспечивается вакуумной системой установки. 1 – катод; 2 – управляющий электрод; 3 – анод ; 4 – фокусирующая система; 5 – отклоняющая система; 6 – обрабатываемое изделие.

Электронно-лучевая сварка Процесс сварки осуществляется в вакуумных камерах. Различают однокамерные и двухкамерные установки. В однокамерных установках пушка находится в рабочей камере в которой создается вакуум с высокой степенью разреженности (10 -2 - 10 -3 Па). В двухкамерных установках рабочая камера изолирована от электронной пушки. Высокий вакуум создается только в пространстве (камере), занятом электронной пушкой. В рабочей камере поддерживается сравнительно невысокий вакуум (10 -1 Па). Рабочая камера сообщается с камерой электронной пушки через узкое отверстие, необходимое для прохождения электронного луча. Незначительный диаметр отверстия (около 0, 5 мм) позволяет поддерживать высокий вакуум (10 -2 10 -3 Па) в камере электрон ной пушки. 1 – фланец присоединения высоковакуумного насоса; 2 – изделие; 3 – электроннолучевые пушки; 4 – вакуумная камера; 5 – направление перемещения изделия; 6 – электронные пучки. 1 – сварочная вакуумная камера; 2 – вакуумная камера пушки; 3 – электроннолучевая пушка; 4 – затвор; 5 – перемещение затвора; 6, 7 – фланцы присоединения высоковакуумных насосов; 8 – электронный пучок; 9 – изделие; 10 – направление перемещения изделия;

Электронно-лучевая сварка Применение Электронно лучевая сварка благодаря вакуумной защите шва и высокой плотности мощности, применяется в первую очередь при изготовлении конструкций из тугоплавких и активных металлов: молибдена, вольфрама, тантала, ниобия и др. , а также из высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов. Мощность электронного луча может достигать очень больших величин, что делает его перспективным для использования при сварке больших толщин (200 – 300 мм). Важным преимуществом ЭЛС высокая плотность энергии в пятне нагрева, это обеспечивает увеличение глубины проплавления, в результате шов принимает форму конуса с отношением глубины h к ширине b, достигающим 10 – 15 – эффект «кинжального» проплавления. Преимущества: o высокие значения эффективного (0, 85 0, 95) и термического (0, 35 0, 485) к. п. д. , o высокая производительность; o незначительная ЗТВ, o высокая чистота атмосферы; o незначительный расход электроэнергии и т. д. Недостатки: o высокая стоимость оборудования и его сложность, сложность в эксплуатации, o опасность облучения обслуживающего персонала; o необходима высокая квалификация обслуживающего персонала.

Электронно-лучевая сварка Технологические особенности При подготовке кромок и сборке их перед сваркой необходимо учитывать малые размеры пятна нагрева и получение узких кинжальных швов, т. е. высокие требования к точности сборки свариваемых элементов, а именно минимальный зазор и смещение по высоте: толщина зазора в стыке 0, 1 – 0, 2 мм при глубине до 30 мм, 0, 3 мм более 30 мм, но всегда меньше диаметра пучка. ЭЛС осуществляется в большинстве случаев без подачи присадочного материала. Выпуклость шва, как правило, отсутствует, следовательно, разделка кромок нежелательна. ЭЛС могут быть получены различные виды сварных соединений и типов швов. Наиболее распространены стыковые, угловые и реже тавровые соединения. Основное пространственное положение – нижнее. Допускаются значительные отклонения от нижнего с переходом в вертикальное положение по схеме формирования швов на подъем (снизу вверх). При этом создаются условия получения более глубокого проплавления, благоприятных очертаний шва и даже небольшой выпуклости. Часто встречающийся дефект – несплавление кромок в корне шва связан со смещением луча относительно стыка при клиновидной форме сечения шва. С увеличением толщины свариваемых элементов вероятность несплавлений возрастает. Исходя из этого, требуется высокая точность направления луча по стыку (отклонения не более ± 0, 15 мм) с применением систем слежения.

Электронно-лучевая сварка Основные параметры: Ускоряющее напряжение и сила тока луча определяют • Uуск ускоряющее мощность источника нагрева: напряжение; • Iп сила тока; • dл диаметр пучка; Ускоряющее напряжение оказывает большое влияние на глубину • Vсв скорость сварки. проплавления: при сохранении постоянной мощности глубина про плавления увеличивается с повышением уск. U На практике ЭЛС выполняют при Uуск = 10 – 100 к. В. В процессе сварки необходима высокая стабильность ускоряющего напряжения: колебание ± 0, 1 % приводит к существенному изменению диаметра пятна нагрева, глубины проплавления и формы шва. Сила тока оказывает большое влияние на ширину шва: увеличение Iп приводит к ее существенному возрастанию. Общее увеличение мощности электронного луча за счет повышения Iп приводит к возрастанию глубины проплавления. На практике Iп выбирают от 1 м. А до 1 А. Скорость сварки влияет на размеры сварочной ванны и шва, как и при дуговой сварке. Увеличение Vсв при сохранении постоянства погонной энергии несколько увеличивает глубину проплавления, мало влияя на ширину шва. Диаметр пучка или положение фокальной плоскости определяет конфигурацию потока электронов по отношению к свариваемому изделию, форму ванны и диаметр пятна нагрева. Регулированием тока в магнитной линзе можно в широких пределах изменять концентрацию тепловой энергии в пятне нагрева и получать различную по форме сварочную ванну и шов.

Электронно-лучевая сварка Основные параметры Выбор интенсивности энергии в электронных пучках определяется рядом факторов: теплофизическими свойствами металла, толщиной, формой сварного соединения и т. д. При сварке тугоплавких и теплопроводных металлов и сварке больших толщин целесообразно применять ЭЛ с высокой плотностью энергии. При сварке легкоплавких и легкоиспаряющихся металлов и сварке малых толщин целесообразно использование малой плотности энергии. Влияние фокусировки на конфигурацию потока электронов и форму ванны: а - недофокусировка; б - оптимальная фокусировка; в - перефокусировка Дополнительные параметры: o Остаточное давление в камере определяет стабильность процесса и качество сварных соединений. Увеличение давления в камере снижает мощность электронного луча и уменьшает его проникающую способность. При ЭЛС давление в камере поддерживается на уровне 10 -2 - 10 -4 Па. o Колебания электронного луча позволяют избежать ряда дефектов, свойственных ЭЛС (подрезов, несплавлений кромок в корне шва и др. ). Используют прямоугольные или синусоидальные поперечные и продольные колебания луча в широком ди апазоне частот ( 0 – 800 Гц) с амплитудой в пределах 0, 5 – 2 мм. 1

Контактная сварка (КС) технологический процесс образования неразъемных соединений в результате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. Контактная сварка находит широкое распространение в современной промышленности: около 30% всех сварных соединений выполняется КС. При этом сваривается большинство конструкционных материалов в широком диапазоне толщин и сечений: от нескольких микрон до 20 - 30 мм при точечной сварке. Контактная сварка объединяет большую группу различных способов соединения. Основные особенности этих способов – надежность соединений, высокий уровень механизации и автоматизации, высокая производительность процесса и культура производства. Основные способы контактной сварки o Стыковая o Точечная o Шовная Они отличаются по конструкции соединений и технологии их получения. Точечная и шовная сварки являются самыми распространенными способами контактной сварки: 90% всех соединений выполняются этими способами.

Контактная сварка Точечная 1 2 Точечная сварка – способ контактной сварки, при котором детали соединяются по отдельным ограниченным участкам касания обычно несколькими точками с определенным шагом. Детали предварительно собираются внахлестку и 2 помещаются между электродами 1 сварочной машины, изготовленными из материалов хорошо проводящих ток (как 3 правило медь). Электроды сжимают со сварочным усилием F. 1 После некоторой выдержки, необходимой для обеспечения надежного электрического контакта, на электроды подается напряжение 5 - 6 В со вторичной обмотки сварочного – трансформатора 2. Кратковременный (0, 01 - 0, 1 с) мощный импульс сварочного тока обеспечивает очень быстрый нагрев и образование зоны расплавления – жидкого ядра 3, общего для обеих деталей. Размеры ядра характеризуются его диаметром и высотой (глубиной проплавления). Номинальный диаметр ядра выбирают в зависимости от толщины свариваемых деталей. Рекомендуемая глубина проплавления при сварке деталей одинаковой толщины составляет 30 - 80%. Расплавленный металл удерживается в ядре от выплеска и надежно защищается от взаимодействия с окружающей атмосферой уплотняющим пояском, формирующимся в результате интенсивной пластической деформации металла, примыкающего к ядру. После выключения тока металл ядра быстро охлаждается и кристаллизуется. Усилие после выключения тока сохраняется некоторое время, для того чтобы кристаллизация металла происходила под давлением. Тем самым предотвращается образование дефектов усадочного происхождения – трещин, рыхлости и т. п.

Контактная сварка Рельефная сварка является разновидностью точечной сварки, когда первоначальный контакт деталей происходит по ограниченной рельефами площади. Эти рельефы 5 (выступы в сечении в форме полукруга или трапеции) предварительно механически формируются на деталях. В начальный период сварки наличие рельефа дает возможность обеспечивать концентрированный нагрев в месте контакта при больших плотностях тока. Таким способом детали соединяются одновременно в нескольких точках или образуется непрерывный герметичный шов – контурная рельефная сварка. Способом точечной сварки возможно соединять элементы жесткости и крепежные детали с листами, тонкостенными оболочками. Точечная сварка используется также при производстве силовых узлов, например ферм в строительной индустрии, гофрированных и сотовых конструкций, сваривают разнообразные по сечению профили с обшивкой крыла или фюзеляжа самолета. Большой объем занимает точечная и рельефная сварка в радиоэлектронной промышленности при монтаже элементов схем, герметизации корпусов полупроводниковых приборов и т. п. Производительность точечной сварки очень высока и может достигать 200 точек в минуту. 1 5 2 4 1 3 3

Контактная сварка Шовная сварка – образование непрерывного соединения путем постановки последовательного ряда перекрывающих друга точек. Таким образом Достигается герметичность сварного соединения. При шовной сварке подвод тока, передачу усилия к деталям н их перемещение осуществляют через вращающиеся Дисковые электроды – ролики 7. Детали, обычно, собираются внахлестку и нагреваются током без применения специальных средств защиты жидкого металла от взаимодействия с атмосферой. По положению роликов в момент прохождения тока, различают непрерывную и шаговую (прерывистую) шовную сварку. В первом случае ток проходит при вращающихся роликах, во втором – при неподвижных. Шовная сварка отличается высокой скоростью – до 5 м/мин и более, широко используется в промышленности при создании различных емкостей, резервуаров, топливных баков. Этот способ соединения находит применение и в приборостроительной промышленности, при производстве чувствительных элементов в виде сильфонов или мембран. Шаговая сварка, несмотря на меньшую производительность, имеет ряд преимуществ, заключающихся в более высокой стойкости роликов и меньшей склонности к образованию дефектов усадочного происхождения.

Контактная сварка Машины для контактной сварки

Контактная сварка Стыковая сварка - детали соединяются по всей площади касания. В зависимости от состояния металла в зоне соединения различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением. При этом детали 1 укрепляют в токоподводах 2 и 3, один из которых, является подвижным и связан с приводом усилия машины. При сварке сопротивлением детали сжимают довольно значительным усилием F и подают напряжение на первичную обмотку сварочного трансформатора 4, что вызывает появление тока I во вторичном контуре. Протекание тока через детали приводит к постепенному нагреву металла в стыке до температуры, близкой к температуре плавления (0, 8 - 0, 9) Тпл. Затем увеличивают усилие (осадка деталей). При этом возрастает перемещение S подвижной детали, происходит пластическая деформация металла в стыке и образование соединения в твердом состоянии. При сварке сопротивлением не обеспечивается достаточно полное удаление окисных пленок, и трудно добиться равномерного нагрева деталей по всему сечению. Поэтому сварка сопротивлением используется ограниченно, в основном для соединения проволочек, стержней и труб небольшого сечения (до 200 - 250 мм 2) из низкоуглеродистой стали.

Контактная сварка Стыковая При сварке непрерывным оплавлением детали сближают при очень малом усилии (штриховая линия) при включенном сварочном трансформаторе. Оплавление деталей происходит в результате непрерывного образования и разрушения контактов перемычек между их торцами. В результате оплавления на торце образуется преимущественно сплошной слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями (окисными пленками) выдавливается из стыка. Соединение при этом образуется в твердом состоянии. . Для защиты металла от взаимодействия с газами при стыковой сварке химически активных металлов используют защитные инертные газы. Помимо соединения деталей, которые расположены соосно, стыковой сваркой выполняют тавровые соединения стержней с листом, сваривают «перекрещивающиеся» про волоки или стержни (решетчатые конструкции). Сварка оплавлением находит применение при создании разнообразных конструкций малых и больших сечений (до 100 000 мм 2). Таким способом получают длинномерные изделия трубопроводы, железнодорожные рельсы и т. д. , деталей замкнутой формы ободьев автомобильных колес, колец жесткости реактивных двигателей (шпангоутов), звеньев цепей, а также сложных деталей из простых заготовок — элементов шасси летательных аппаратов, валов, кожухов карданных валов автомобилей и др.

Контактная сварка Стыковая o o o o o Основные параметры сварки сопротивлением: плотность тока определяется удельным сопротивлением металла: при сварке сталей – 100 - 150 А/мм 2, алюминия 200 - 300, меди 400 - 500; время сварки увеличивается с ростом площади сечения детали и уменьшается с ростом теплопроводности, в среднем 0, 2 - 1 с; давление при осадке (рос), зависит от сопротивления пластической деформации нагретого металла и температуры нагрева (~ 20 МПа для малоуглеродистых сталей, 125 для легированных, ~ 10 для цветных металлов); величина осадки выбирается в зависимости от площади сечения и составляет 2 – 10 мм (при недостаточной осадке в стыке возможны непровары, окислы и шлаковые включения) установочная длина – оказывает влияние на нагрев свариваемых деталей: 0, 5 – 2, 0 dизд. Основные параметры сварки оплавлением: плотностью тока рассчитывается на полное сечение детали, увеличивающейся с ростом сечения, тепло и электропроводности, меньше, чем при сварке сопротивлением: для стали 10 - 50 А/мм 2, для цветных металлов 100 -150 А/мм 2; установочная длина – как и при сварке сопротивлением; скорость оплавления и припуск ∆опл - выбирают из условия равномерного нагрева торцов и достаточного прогрева околошовной зоны. К концу процесса скорость оплавления увеличивают. Припуск ∆опл составляет до 0, 8 общего припуска, определяет градиент температур вдоль деталей. С ростом теплопроводности металла vопл возрастает: при сварке сталей средняя vопл 1 -3 мм/с, хромоникелевых сталей 2, 5 - 3 мм/с, сплавов алюминия 4 - 10, меди ~20 мм/с. давление при осадке - зависит от сопротивления деформации и степени нагрева металла (подогрева), например, при сварке малоуглеродистых сталей рос 70 МПа (50 МПа при сварке с подогревом), коррозионностойких сталей 170 (110).

Основные операции технологического процесса дуговой сварки 1. Подготовка свариваемых кромок деталей механическая обработка кромок, для придания им требуемой формы и размеров; механическая зачистка от ржавчины, масла и других загрязнений; обезжиривание химическое травление (если необходимо), протирка, просушка 2. Сборка под сварку для контроля расположения сварных элементов относительно друга используют измерительный инструмент, шаблоны и др. 3. Выполнение прихваточных швов выполняются для фиксации деталей в проектном положении в процессе сварки, при этом способы наложения прихваточных швов их расположение и длина зависят от способа сварки, толщины деталей, типа сварного соединений и др. 4. Сварка В процессе сварки контролируют параметры режима сварки, порядок заполнения разделки кромок, температуру изделия и др. 5. Очистка от шлака 6. Контроль Для контроля сварных соединений на соответствие чертежам и наличие дефектов используют визуальноизмерительный контроль (ВИК), контроль проникающими веществами, различные виды рентгеновского контроля (РГК), ультразвуковой контроль (УЗК), поиск течей методами опрессовки и течеискания и др.

Сборка под сварку

Дефекты сварных соединений

Дефекты сварных соединений

Сварка в защитных газах Особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого металла от газов окружающей среды защитными газами. Классификация способов: • по типу электрода: плавящимся электродом, неплавящимся (вольфрамовым) электродом; • по типу защитных газов: инертные (Ar, He), активные (CO 2, N 2), их смеси; • по способу защиты: местная защита и общая; • по характеру горения дуги: импульсная, непрерывная; 1 • по степени автоматизации: ручная, полуавтоматическая, автоматическая. Основным способом сварки в среде защитных газов является сварка с местной защитой: а б в Подача защитных газов в зону сварки: а – центральная одним концентрическим потоком; б - центральная двумя концентрическими потоками; в – с использованием подвижной камеры-насадки; 1 электрод; 2 - защитный газ; 3 - наружный поток защитных газов (CO 2); 4 - внутренний поток защитных газов (Ar); 5 – насадка; 6 – распределительная сетка.

Ручная аргонодуговая сварка (Ар. ДС) неплавящимся вольфрамовым электродом 1. Источник питания дуги постоянным и перемененным током 5 4 3 2 2. Прямой сварочный провод 1 3. Вольфрамовый мундштук (цанга) 4. Корпус горелки для дуговой сварки 5. Сопло горелки 6. Электрическая (сварочная) дуга 7. Струя защитного инертного газа 8 7 6 (аргона, гелия, их примесей ) 8. Присадочная проволока 9. Сварочная ванна 10. Металл шва 11. Основной металл 12. Обратный сварочный провод 9 10 11 12

Дуговая сварка в защитных газах плавящимся электродом При меняемые газы: Инертные: аргон, гелий Активные: СО 2 , Смеси с О 2, Н 2, N 2 и др. Преимущества плавящегося электрода при сварке в защитных газах: • высокий удельный тепловой поток, обеспечивающий относительно узкую зону термического влияния; • возможность металлургического воздействия на металл шва за счет регули рования состава проволоки и защитного газа; • широкие возможности механизации и автоматизации процесса сварки; • высокая производительность сварочного процесса.

По сравнению с другими способами сварка в защитных газах обладает рядом преимуществ: • высокая производительность (больше чем при АДСФ в 1, 5 – 2 раза) за счет большой плотности тока и отсутствия операций удаления шлака и зачистки поверхности шва. • высокое качество сварных соединений на за счет надежной защиты металла шва от окружающей среды; • возможность сварки в различных пространственных положениях и по любой сложной траектории; • возможность визуального наблюдения за образованием шва и корректировки процесса сварки, что особенно важно при полуавтоматической сварке; • отсутствие операций по засыпке и уборке флюса; • и легкость механизации и автоматизации; низкая стоимость при использовании активных защитных газов; • узкая ЗТВ и небольшие деформации изделия. К недостаткам способа относится: • необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги; • необходимость защиты зоны сварки от сквозняков (при местной защите), следовательно, затруднена сварка при монтаже на открытом воздухе; высокая стоимость при сварке вольфрамовым электродом в среде инертных газов.