книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением
..pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.И. Акулов
СУЩНОСТЬ И ТЕХНИКА РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
2-е издание, стереотипное
Москва 2006
УДК 621.791 А 44
Рецензенты: проф., д.т.н. Фролов В.А. "МАТИ" - Российский техно логическийуниверситет им. К.Э. Циолковского; проф., д.т.н. Ямпольский В.М. Московский государст венныйуниверситет приборостроения и информатики
Акулов А.И.
А44 Сущность и техника различных способов сварки плавлени ем: Учебное пособие. 2-е изд., стереотпное - М.: МГИУ, 2006.-104 с.
ISBN 5-276-00873-6
Рассмотрены сущность и техника способов сварки плавле нием: газовой, электродуговой, электродами с покрытием, под флюсом, в защитных газах, электрошлаковой, электронным лу чом и лазеро\у
Для студентов, обучающихся по направлению 651400 "Ма шиностроительные технологии и оборудование" по специально сти 150202 (120500) "Оборудование и технология сварочного производства"
ISBN 5-276-00873-6
© А.И. Акулов, 2002 © МГИУ, 2002
1. ГАЗОПЛАМЕННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Это ряд технологических процессов связанных обработкой металлов высокотемпературным газовым пламенем. Наиболее широкое применение имеет газовая сварка и резка, которые, не смотря на более низкую производительность и качество сварных соединений по сравнению с электрическими способами сварки плавлением, продолжают сохранять свое значение при сварке тонколистовой стали, меди, латуни, чугуна. Преимущества газо вой сварки и резки особенно проявляются при ремонтных и мон тажных работах ввиду простоты процессов и мобильности обо рудования. Кроме сварки и резки газовое пламя используется для наплавки, пайки, металлизации, поверхностной закалки, нагрева для последующей сварки другими способами или термической правки и т.д.
Газовая сварка. Газовое пламя чаще всего образуется в ре зультате сгорания (окисления) горючих газов технически чистым кислородом (чистота не ниже 98,5%). При горении горючих газов с использованием воздуха температура газового пламени низкая (не выше 2000°С), т.к. теплоты много расходится на нагрев азота, содержащегося в воздухе. В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, метан, пропан, пропанобутановую смесь, бен зин, осветительный керосин.
Газовое сварочное ацетиленокислородное "нормальное” пламя имеет форму схематически показанную на рис. 1. Во внут ренней части ядра пламени 1 происходит подогрев газовой смеси, поступающей из сопла до температуры воспламенения. В наруж
ной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена |
|
С2Н2 —►2С + Н2 |
(1.1) |
Выделяющиеся частицы углерода раскалены, ярко светятся, четко выделяя очертания оболочки ядра (температура газов в яд ре невелика и не превышает 1500°С).
Зона 2 является наиболее важной частью сварочного пламе ни (сварочной зоной). В ней происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего в сопло из баллона, в результате чего здесь развивается максимальная температура. В
этой зоне проходит реакция |
|
С2Н2 + 0 2 —►2СО + Н2. |
(1.2) |
з
Рис. J. Распределение температуры по оси нормального газового пламени
Содержащиеся в сварочной зоне газы обладают восстанови тельными свойствами по отношению к окислам многих металлов, в том числе и к окисям железа. Поэтому ее можно назвать вос становительной. Содержание углерода в металле шва изменяется незначительно.
В зоне 3 или факеле пламени протекает догорание газов за
счет кислорода воздуха |
|
2СО + Н2 + 1,502 -> 2С02 + Н20. |
(1.3) |
Воздух содержит азот, и эта реакция точнее выглядит так: |
|
2СО + Н2 + 1,502 + 6N2 -> 2С02 + Н20 + 6N2, |
(1.4) |
что отражает состав газов в факеле. Содержащиеся в факеле газы и продукты их диссоциации окисляют металлы, т.е. эта зона яв ляется окислительной.
Вид ацетиленокислородного пламени зависит от соотноше ния в газовой смеси подаваемой в горелку кислорода и ацетилена
О?
(/? = — - - ) . При Р = 1,1 -1,2 пламя нормальное (рис. 1). При увеС2Я 2
личении этого соотношения (например >0 = 1,5, т.е. относитель ном увеличении кислорода (окислительное пламя) форма и строение пламени изменяются (рис. 2). При этом реакции окис ления ускоряются, а ядро пламени бледнеет, укорачивается и приобретает коническую заостренную форму. В этом случае сва рочная зона утрачивает восстановительные свойства и приобре тает окислительный характер (содержание углерода в металле шва уменьшается, выжигается).
Рис. 2. Строение ацетилено-кислородного пламени ("а" - окислительное, "б" - науглероживающее)
С уменьшением Р (например, 0,5), т.е. при увеличении со держания ацетилена в газовой смеси реакции окисления замед ляются. Ядро и его очертания становятся размытыми, ядро пла мени удлиняется. Количество свободного углерода увеличивает ся, частицы его появляются в сварочной зоне. При большом из бытке ацетилена частицы углерода появляются и в факеле пламе ни (рис. 2, б). В этом случае сварочная зона становится наугле роживающей, т.е. содержание углерода в металле шва повышает ся.
Пламя заменителей ацетилена принципиально подобно аце тиленокислородному и имеет три зоны. В отличие от углеводо родных газов водородно-кислородное пламя светящегося ядра не имеет (нет светящихся частиц углерода). Одним из важнейших параметров, определяющим тепловые и значит и технологиче ские свойства пламени, является его температура. Она различна в различных его участках как по длине вдоль его оси (рис. 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, достигая максимума в сварочной зоне на расстоянии 2-3 мм от конца ядра. Эта сварочная зона яв ляется основной для расплавления металла. Состав смеси газов оказывает существенное влияние на температуру пламени. С уве личением Р его максимум возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при избытке кислорода. При избытке ацетилена ( Р менее 1) на оборот максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.
Горючие газы заменители ацетилена, дешевле и недефи цитны. Однако их теплотворная способность ниже, чем у ацети
лена. Максимальные температуры пламени также значительно ниже. Поэтому их используют в ограниченных объемах в техно логических процессах, не требующих высокотемпературного пламени (сварка алюминия, магния и их сплавов, свинца, пайка, сварка тонколистовая, газовая резка и т.д.). Например, при ис пользовании пропана и пропанобутановых смесей максимальная температура в пламени 2400-2500°С. Их используют при сварке стали, толщиной до 6 мм, сварке чугуна, некоторых цветных ме таллов и сплавов, наплавке, газовой резке и т.д.
При использовании водорода максимальная температура в пламени 2100°С.
Нагрев металла пламенем обусловлен лучистым, и в основ ном конвективным теплообменом между потоком горящих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла. При верти кальном положении от пламени ее растекающийся поток образу ет на поверхности металла симметричное относительно центра пятно нагрева. При наклоне от пламени пятно нагрева вытягива ется по направлению оси и сужается с боков. Интенсивность на грева впереди ядра выше, чем позади его.
Ввод тепла в изделие при газовой сварке происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцен трирован, чем при других способах сварки плавлением. В резуль тате обширной площади разогрева основного металла околошовная зона (зона термического влияния) имеет большие размеры, что приводит к образованию повышенных деформаций сварных соединений (коробление).
При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздействует газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны, содержащей, в основном, СО + Н2 и частично пары воды, а также С02, ТН, 0 2 и N2 и некоторое количество свободного угле рода. Состав газовой фазы определяется соотношением кислоро да и горючего газа в газовой смеси, температурой пламени и раз личен в ее различных зонах. От этого зависят металлургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Ос новные реакции при сварке - это окисление и восстановление
2Ме + 0 2 «-* 2MeO+Q. |
(1.5) |
Направление реакции зависит от концентрации кислорода в |
|
газовой фазе (см. окислительное и науглероживающее |
пламя) |
температуры взаимодействия и свойств окисла. При сварке ста лей основное взаимодействие газовой фазы происходит с желе зом, т.е. образованием его окислов или восстановлением. Эле менты, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (А1, Si, Мп, Сг и.д.) могут интенсивно окисляться тогда, как реакций окисления железа (FeO) не происходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находятся в виде легирующих доба вок, причем чем их содержание выше, тем окисление интенсив нее. Окисление таких элементов, как Al, Ti, Mg, Si и некоторых других вообще исключить не удается и для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газовой смеси использо вать флюсы.
Ввиду относительно невысокого защитного и восстанови тельного действия пламени раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигается введением в неё марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. Их действие основано на образовании жидкотекучих шлаков, способствующих самофлюсованию сварочной ванны. Образую щиеся на поверхности сварочной ванны шлаки защищают рас плавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой сре ды пламени и подсасываемого воздуха.
Содержащийся в пламени водород может растворяться в расплавленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образо вать порты. Азот, попадающий в расплавленный металл из воз духа, образует в нем нитриды. Структурные превращения в ме талле шва и околошовной зоне при газовой сварке имеют такой же характер, как и при других способах сварки плавлением (см.6.2). Однако вследствие медленного нагрева и охлаждения шва имеет более крупнокристаллическую структуру с равновес ными неправильной формы зернами. В нем при сварке сталей с 0,15-0,3 углерода при быстром охлаждении может образовывать ся видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нём зерно и тем выше механические свой ства металла шва. Поэтому сварку следует производить с макси мально возможной скоростью.
Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, как и при дуговой сварке. Однако ее ширина значи
тельно больше (до 30 мм при сварке стали больших толщин) и за висит от режима газовой сварки.
В процессе сварки происходит расплавление основного и присадочного металлов. Регулирование степени их расплавления определяется мощностью горелки, толщиной металла и его теплофизическими свойствами. Газовая сварка выполняется с исполь зованием сварных соединений различного типа. Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или, что лучше, с отбортовкой кромок без присадочного металла.
Металл толщиной 2-5 мм с присадочным металлом свари вают встык без разделки кромок с зазором между кромками. При сварке металла свыше 5 мм используется V или Х-образная раз делка кромок.
Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для металла толщиной до 3 мм. При большей толщине большой и неравномерный разогрев приводит к большим деформациям, ос таточным напряжениям и возможности образования трещин. Свариваемые кромки защищают от загрязнений на 30-50 мм ме ханическими способами или газовым пламенем. Перед сваркой детали сварного соединения закрепляются в сборочно-сварочном приспособлении или собираются с помощью прихваток (рис. 3).
|
|
|
Направление сварки |
||
|
|
20-30 300-500 |
* ------1 |
||
4 :2 :1 3 5 |
- Z 3 T — г-41 |
|
I |
||
50-100 |
4 |
2 |
1 |
3 |
5 I |
a) |
|
|
|
|
30-501 |
|
|
б ) |
|
! |
Рис. 3. Последовательность прихватки коротких швов при малой (а) и большой (б) толщине металла
Направление движения горелки и наклон ее к поверхности металла оказывает большое влияние на эффективность нагрева металла, производительность сварки и качества.
Различают два способа сварки (рис. 4). Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, т.к. сварщик видит процесс об разования шва. При толщине металла до 3 мм более производи тельным является левый способ сварки ввиду предварительного подогрева кромок. Однако при большой толщине металла при
сварке с разделкой кромок угол скоса кромок при правом способе на 10-15 меньше, чем при левом способе. Угол наклона мундшту ка может быть на 10-15 меньше. В результате повышается произ водительность сварки. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности (рис. 5).
|
Направление |
|
|
|
|
сварки^ |
|
|
|
Предворительного |
Направление |
|
||
сварки |
Дополнительного |
|||
Дополнительный |
подогрева нет |
|||
|
||||
нагрев шва |
с Предворительный |
нагревания шва не |
||
V |
получается |
|||
|
подогрев |
|||
|
|
|||
окис- |
%.г/г |
|
Защиты от окисляющего |
|
Защитасггуот |
|
|||
лающего действия |
^ |
|
действия воздуха нет |
|
воздуха |
g j |
|
Рис. 4. Правый (а) и левый (б) способы газовой сварки
ш Ш ш ш
Рис. 5. Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла
В процессе сварки горелке сообщаются колебательные дви жения и конец мундштука описывает зигзагообразный путь. Го релку сварщик держит в правой руке. При использовании приса дочного металла присадочный пруток держится в левой руке. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла.
Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигза гообразные колебания в направлении противоположном движе нию мундштука (рис. 6). Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке
вертикальных швов "на подъем" процесс удобнее вести левым способом, горизонтальных и потолочных - правым способом.
Рис. 6. Движения горелки и проволоки
а- при сварке стали толщиной более 3 мм в нижем положении,
б- при сварке угловых валиковых швов:
1 - движение проволоки; 2 - движение горелки;
3 - места задержек движений
Мощность пламени (расход горючего газа) зависит от тол щины металла и его теплофизических свойств. Чем больше тол щина металла и чем выше его температура плавления и тепло проводность, тем большей должна быть мощность пламени.
Расход ацетилена при углеродистой сварке может быть по
добран по эмпирическим формулам: |
|
При левом способе сварки |
|
Va = (100-120 )S [л/час], |
(1.6.) |
при правом способе |
|
Va = (120-150 ) S [л/час], |
(1.7.) |
где S - толщина стали в мм. |
|
Для приблизительного подбора диаметра присадочного |
|
прутка можно использовать соотношение |
|
d = | + 1 [мм]. |
(1.8.) |
При необходимости флюс наносится на свариваемые кром ки или погружается в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка, налипающим на него при погружении во флюс. Флюсы могут использоваться и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.