Раздел 4. Оборудование и технология сварки

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, а также пластмассы. Сварка является экономически выгодным, высокопроизводительнымтехнологическим процессом, широко применяемым практически во всех отраслях машиностроения.

4.1. Оборудование и электроды для ручной электродуговой сварки

Пригодность источника тока для питания сварочной дуги оцени­вают внешней вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость напряжения на клеммах источника от тока во внешней (сварочной) цепи. Обычные машины и трансформаторы непригодны для дуговой сварки, так как они имеют жесткую харак­теристику (Рис.1, прямая линия С), при которой напряжение U остается постоянной величиной и не зависит от силы тока.

Источник питания сварочной дуги для ручной сварки имеет внешнюю крутопадающую характеристику (рис.4.1, кривые Ь и Ь_х), т. е. с возрастанием силы тока в цепи напряжение на клеммах источника уменьшается.

Точки пересечения (В, В_и В' и В") внешних вольт-амперных характеристик Ь и Ь_± со статическими вольт-амперными характерис­тиками дуги аи пх соответствуют режиму устойчивого горения дуги (рис.4.1).

Источники питания дуги для ручной сварки должны соответство­вать следующим требованиям:

1) напряжение холостого хода не выше 65…75 В; оно должно быть достаточным для зажигания дуги и относительно безопасным для работы сварщика;

2) сила тока короткого замыкания не должна превышать сва­рочный (рабочий) ток более чем на 40…50 %;

3) необходимо, чтобы источник питания обладал хорошими динамическими свойствами и быстро реагиро­вал на все изменения режима дуги;

4) эксплуатация ис­точника должна быть простой и надежной, а регулирование тока дол­жно осуществляться сту­пенчато и плавно.

Источником питания дуги постоянным током являются генераторы и выпрямители, а источниками питания пеое- питания и статические характеристики дуги переменным током – сварочные трансформаторы(рис.4.1 внешние характеристики источников).

Если источник предназначен для питания одной дуги, то его назы­вают однопостовым, а если от него питаются несколько дуг —«многопостовым».

Генераторы постоянного тока могут быть стационарными и пере­движными с приводом от электрического двигателя или двигателя внутреннего сгорания. Генератор вместе с двигателем образуют сварочный аппарат.

Рис.4.1 (L ~ длина дуги)

Однопостовые сварочные генераторы постоянного тока имеют падающую внешнюю вольт-амперную характеристику и хорошие динамические свойства. Они имеют ступенчатое регулирование сварочного тока, производимое смещением щеток по коллектору или включением различного числа секций одной из обмоток. Плав­ное регулирование в пределах каждой ступени осуществляется с помощью реостата.

Многопостовые генераторы имеют жесткую вольт-амперную характеристику. Получение падающей вольт-амперной характерис­тики осуществляется на каждом сварочном посту. Плавное регули­рование тока достигается включением в цепь каждого поста (дуги) балластного реостата. Схема питания сварочных постов от много-постового преобразователя показана на (рис.4.2, а).

Кроме того, питание сварочной дуги можно осуществить по­стоянным током от выпрямительных установок, собранных из по­лупроводниковых элементов. По сравнению с генераторами они более просты в эксплуатации, экономичны, имеют меньшую массу и габариты

.Динамические свойства выпрямительных установок лучше, чем у генераторов постоянного тока.

В современной сварочной технике применяют три системы сварочных трансформаторов.

Трансформатор с отдельной дроссельной катушкой (рис. 4.2, б), имеющий два самостоятельных магнитопровода и общую сва­рочную электрическую цепь. Регулирование сварочного тока производится изменением воздушного зазора L в дроссельной ка­тушке. Увеличение зазора соответствует увеличению сварочного тока и уменьшению кривизны падающей вольт-амперной характеристики сварочной цепи. Уменьшение зазора соответствует умень­шению сварочного тока и увеличению крутизны вольт-амперной характеристики.

а — от многопостового генератора: Д — синхронный двигатель; СГ — сварочный генератор; 1 — 3 — сварочные посты; б — от трансформатора с отдельной реактивной катушкой; е — от комбинированного трансформато­ра: / — первичная обмотка; 2 — вторичная; 3 — реактивная; г — схема замещения реального трансформатора с развитым магнитным рассеянием

Комбинированный трансформатор (рис.4.2, б) имеет общие магнитопровод и вторичную (сварочную) электрическую цепь. Сварочный ток регулируется изменением индуктивного сопротив­ления вследствие изменения зазора L между магнитным шунтом Ш и магнитопроводом М (сердечником). Увеличению зазора соответ­ствует увеличение сварочного тока и уменьшение крутизны вольт-амперной характеристики, а уменьшению зазора — уменьшение сварочного тока и увеличение крутизны вольт-амперной характе­ристики.

Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеиванием имеют единые магнитопровод и сварочную цепь. Изменение кривизны вольт-амперной характеристики и регулирование сварочного тока достигается за счет изменения индуктивного сопротивления, осу­ществляемого перемещением обмоток трансформатора по сердеч­нику магнитопровода. Поэтому реальный трансформатор можно представить себе в виде некоторого идеального трансформатора Т без магнитного рассеяния, соединенного с двумя реактивными катушками, включенными последовательно — одна в первичную обмотку Д₁, а другая во вторичную обмотку Д₂ (рис.4.2, г).

За последние годы нашли применение трехфазные трансформа­торы, предназначенные для питания трехфазной дуги. Их исполь­зуют для питания двух дуг сварочных самоходных автоматических головок и для электрошлаковой сварки.

Для повышения стабильности горения дуги переменного тока, а иногда и при работе маломощными дугами постоянного тока при­меняют осцилляторы, преобразующие низкое напряжение промыш­ленной частоты в импульсы высокого напряжения и высокой час­тоты. Наложение этих импульсов на дуговой промежуток способ­ствует возникновению искрового разряда, что облегчает зажигание дуги и повышает устойчивость ее горения.

Для сварки неплавящимся электродом в защитных газах при­меняют источники постоянного и переменного тока. При сварке плавящимися электродами в защитных газах используют специаль­ные преобразователи с жесткой и возрастающей внешними вольт-амперными характеристиками и сварочные выпрямители с жесткой внешней характеристикой.

При сварке малогабаритных деталей и узлов рабочее место сварщика огораживается специальными перегородками или бре­зентовыми шторами. Чтобы уменьшить отражение лучей электри­ческой дуги, перегородки окрашивают в темные матовые тона, а брезентовые шторы пропитывают огнестойкой краской.

Оборудование поста для ручной электродуговой сварки состоит из сварочного аппарата или генератора, рабочего стола или стенда, щитка, инструмента, электрододержателя с гибким кабелем и сборочно-сварочных приспособлений.

Для защиты сварщика от действия инфракрасных и ультрафиолетовых лучей электрической дуги, а также от брызг металла слу­жат щиток или шлем с защитными стеклами, специальный костюм, фартук и рукавицы.

При сварке в защитных газах кроме указанного оборудования устанавливают баллон с защитным газом и соответствующую регу­лировочную аппаратуру.

Электроды для ручной электродуговой сварки. Электрод пред­ставляет собой металлический стержень с нанесенным на его по­верхность слоем специального покрытия. Тонкое покрытие состоит из ионизирующих и связы­вающих компонентов, а в состав среднего толстого и особо толстого покрытий входят ионизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связывающие компоненты. Длина металлического стального стержня в зависимости от его диаметра по ГОСТ 9466—75 может составлять 250…450 мм.

Процесс изготовления электродов состоит в следующем. Элек­тродную проволоку необходимого диаметра и химического состава правят, очищают и режут на стержни заданной длины. Компоненты электродного покрытия, измельченные до тонкого порошка, в соот­ветствии с рецептурой взвешивают и тщательно перемешивают, а затем на растворе жидкого стекла делают замес, который наносят на стержень.

В случае, если покрытие наносят на стержень окунанием (руч­ной процесс), то паста должна иметь консистенцию густой сметаны.

Если покрытие наносят опрессовкой стержней пастой (механи­зированный процесс), то пасту приготовляют более густой. После нанесения покрытия электроды сушат, прокаливают, сортируют, упаковывают и отправляют потребителю.

Основными факторами, определяющими свойства электрода, являются химический состав электродного стержня и покрытия. Химический состав электродной стальной проволоки выбирают в соответствии с химическим составом и свойствами металла сва­риваемого изделия, и он регламентируется ГОСТ 2246—70.

В зависимости от химического состава проволоку разделяют на низкоуглеродистую (6 марок), легированную (30 марок) и высо­колегированную (39 марок). Всего в ГОСТ включено 75 марок про­волоки диаметром 0,3—12 мм. Обозначение марок электродной проволоки состоит из букв и цифр, например Св-08 или Св-З0ХГСА. Первые две буквы Св указывают на назначение проволоки — сва­рочная для изготовления электродов, а следующие за буквами две цифры и буквы с цифрами аналогичны обозначениям, принятым для углеродистых качественных машиностроительных сталей Состав электродного покрытия устанавливают в соответствии с химическим составом металлов электродного стержня и изделия. При этом электродное покрытие должно обеспечивать хорошую иони­зацию дуги, надежную защиту расплавленного металла сварочной ванны от воздействия внешней среды, раскислять и легировать металл шва.

Требования, предъявляемые к электродам для сварки углеро­дистых и легированных конструкционных сталей, содержатся в ГОСТ 9467—75, а для высоколегированных — в ГОСТ 10052—75. Правила приема и методы испытания электродов предусмотрены ГОСТ 9466—75.

При ручной сварке используют электроды, которые подразде­ляются на четыре группы в зависимости от отношения диаметра D электрода с покрытием к диаметру d металлического стержня: М — с тонким покрытием (D/d ≤ 1,20), С — со средним покрытием (1,20< D/d≤1,45), Д—с толстым покрытием (1,45 < D/d ≤1,80), Г — с особо толстым покрытием (1,45< D/d ≤ 1,80).

Электроды для сварки и наплавки разделяют на пять групп: У — для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей; Л — для сварки легированных и конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 60 кгс/мм²; Т — для сварки легированных теплоустойчивых сталей; В — для сварки высоколегированных с особыми свойствами; Н — для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

Электроды для сварки углеродистых и легированных конструк­ционных сталей классифицируют по механическим характеристи­кам металла шва и сварного соединения; электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей классифицируют по меха­ническим характеристикам металла шва и сварного соединения и по химическому составу металла шва. Первая группа содержит 14 типов электродов с Э-38 по Э-150. Здесь буква Э — электрод для электродуговой сварки, а следующая за буквой цифра пока­зывает минимально гарантируемый предел прочности металла шва (в кгс/мм²). К одному типу электрода могут быть отнесены одна или несколько марок электродов. Так, к электроду типа Э-42 относятся электроды марок АНО-1, ОЗС-3, УОНИ-13/45 и др.

Согласно ГОСТ 9467—75 предусмотрены следующие основные виды покрытий: А—кислое; Б — основное; Ц—целлюлозное; Р — рутиловое; П — прочие виды; при покрытии смешанного вида используют соответствующее двойное обозначение.

Кислые покрытия А на основе железных или марганцевых руд. При использовании электродов с руднокислыми покрытиями металл шва содержит больше кислорода, азота и водорода, чем при исполь­зовании покрытия другого типа. Этим объясняется повышенная склонность металла шва к «старению», т. е. с снижению вязкости и сопротивления удару в процессе эксплуатации. Этот вид покры­тий применяют для сварки малоуглеродистых сталей. Типичными электродами этой группы являются электроды ОММ-5 и ЦМ-7.

Рутиловые покрытия Р содержат большое количество рутила TiO₂.

Это соединение титана с кислородом очень устойчиво в плавиль­ном пространстве дуги и не насыщает металла шва кислородом и азотом в такой степени, как электроды с руднокислым покры­тием. К рутиловым электродам относят электроды ОЗС-3, МР-3 и др.

Фтористокальциевые покрытия содержат в основе мрамор СаСО₃ и плавиковый шпат CaF₂, которые являются шлакообразующими компонентами покрытия этого типа электродов. В плавиль­ном пространстве дуги мрамор распадается на оксид кальция и оксид углерода (IV), которые создают надежную газовую защиту плавильного пространства.

Плавиковый шпат при высоких температурах частично распа­дается и выделяет фтор, который, соединяясь с водородом свароч­ной ванны, очищает металл шва от водорода. Фтористокальциевые покрытия позволяют легировать металл шва в широких пределах и обеспечивают получение металла с высокими прочностными свойст­вами и высокой ударной вязкостью. К этой группе относят электро­ды УОНИ-13, УП-1/45, УП-2/45. Сварка электродами этого типа проводится преимущественно постоянным током обратной поляр­ности. Электроды с фтористокальциевым покрытием применяют для сварки конструкционных, нержавеющих, окалиностойких, жаропрочных и других специальных сталей.

Целлюлозные покрытия Ц содержат значительное количество органических соединений (до 50—60 %). Эти соединения, сгорая, выделяют СО₂, Н₂ и другие вещества, защищающие плавильное пространство дуги. В качестве газообразующего вещества в этих покрытиях используется электродная целлюлоза. К электродам этого типа относят электроды ВСНБ; ОЗЦ-1 и др.

Требования, предъявляемые к электродам для сварки высо­колегированных сталей с особыми свойствами, содержатся в ГОСТ 10052—75. Он регламентирует следующие свойства наплав­ленного металла: химический состав, механические свойства, содер­жание ферритной фазы и стойкость против межкристаллитной кор­розии. Эти электроды изготавливают только с покрытием типа Ф. Сварка производится постоянным током обратной полярности на минимально короткой дуге и на пониженной погонной энергии.

Технология ручной электродуговой сварки. Ручную электродуговую сварку можно осуществлять металли­ческим (плавящимся) электродом, угольным электродом без защи­ты, а также угольным или вольфрамовым электродами в среде за­щитных газов.

Зажигание дуги производится прикосновением конца электрода к металлу свариваемого изделия с последующим быстрым отводом электрода на расстояние 3—4 мм.При касании электрода с изделием создается ток короткого замыкания, а напряжение в сварочной цепи с 60—70 В падает почти до нуля. После отвода электрода от металла изделия на расстояние 3—4 мм возбуждается электрическая дуга. При этом по сварочной цепи протекает рабочий (сварочный) ток, а на дуге поддерживается напряжение 20—25 В в зависимости от длины дуги и марки элект­рода.

Зажигание дуги производится двумя способами: 1) касанием изделия электродом и последующим отводом его перпендикулярно вверх и 2) движением электрода подобно зажиганию спички. В про­цессе сварки необходимо поддерживать длину дуги постоянной.

Ориентировочно длину дуги можно определить по формуле

l_д = (0,5∕1,1)d_э, где l_д — длина дуги, мм; d_э — диаметр электрода, мм.

Длина дуги влияет на качество сварного шва и его геометри­ческую форму. При длинной дуге ослабляется защита сварочной ванны и металл шва интенсивно насыщается кислородом и азотом воздуха. С увеличением длины дуги увеличивается разбрызги­вание и в металле шва мо­гут появиться поры.

Рис.4.3. Положение швов в пространстве

В процессе сварки элек­трод совершает одновремен­но три движения:

1) по ме­ре плавления электрод по­дают в сварочную ванну

Для поддержания постоянной длины дуги;

2) одно­временно его перемещают вдоль оси шва;

3) концом электрода со­вершают поперечные колебания, необходимые для получения шва заданной ширины.

Для получения провара и хорошо сформированного шва ам­плитуда поперечных колебаний конца электрода не должна превышать двух-трех диаметров электрода.

При сварке тонкого металла и первых слоев многослойного шва электрод ведут без поперечных колебаний.

По положению в пространстве швы разделяют (Рис.3) на нижние (а), вертикальные (б) и потолочные (с). Наиболее удобным для выполнения является шов в нижнем положении. Сварку сты­ковых швов без подготовки кромок производят наложением с одной стороны соединения уширенного валика с проплавлением кромок стыка по всей толщине. С обратной стороны после вырубки зубилом натеков металла и шлака производят подварку шва узким бэликом.

Сварку стыковых швов с У-образной подготовкой кромок вы­полняют в один или несколько слоев в зависимости от толщины свариваемого металла. При многослойной сварке первым валиком проваривают вершину шва, затем после тщательной зачистки ме­талла шва зубилом и проволочной щеткой накладывают остальные валики по порядку, указанному на (рис.4.3, а). При этом сечение первого слоя определяется по формуле

F_Cl = (6/8)d_э, где F_C1 - площадь поперечного сечения 1-го слоя, мм².Для обеспечения провара корня шва сварку первого слоя вы­полняют электродом, диаметр которого не более 4 мм. Сечение по­следующих слоев определяют по формуле

F_Cl = (8/12)d_э

После окончания заполнения всей разделки производят вырубку и подварку шва с обратной стороны.

Сварку стыковых Х-образных швов производят наложением слоев с обеих сторон разделки в последовательности, указанной на (рис. 4.4, б).

Рис. 4.4. Технологические приемы сварки, снижающие деформации.

При сварке нахлесточных, тавровых и угловых соединений валиковыми швами возникают трудности, связанные с возмож­ностью получения брака в виде непровара вершины угла и наплы­вов металла по вертикальной плоскости. Поэтому такие соединения рекомендуется выполнять при положении «в лодочку» (рис. 4.4, в). В этом случае шов выполняют так же, как и при V-образной разделке стыкового шва.

Сварка вертикальных и горизонтальных швов на вертикальной плоскости труднее сварки швов в нижнем положении. Расплавлен­ный металл шва под действием силы тяжести стремится стекать вниз. Сварку вертикальных швов производят главным образом снизу вверх.

При сварке швов в потолочном положении возможность стека-ния металла увеличивается. Удержание ванночки расплавленного металла достигается благодаря давлению дуги и сил поверхно­стного натяжения. Перенос капель металла с электрода на основ­ной металл при потолочной сварке возможен только при короткой дуге.

Основными причинами возникновения сварочных деформаций и остаточных напряжений являются неравномерность распределе­ния температуры в изделиях при сварке. Шов и околошовная зона испытывают пластические и упругопластические деформации сжа­тия при нагреве и растяжения при охлаждении. Их величина зависит от ширины зоны пластических деформаций, а ширина зоны в свою очередь зависит от погонной энергии, жесткости кон­струкции и других причин.

Для уменьшения деформации и остаточных напряжений в свар­ных конструкциях швы следует сваривать отдельными участками длиной 100—350 мм (рис.4.3). Многослойные швы следует выполнять так называемым кас­кадным методом (рис.4.4, е).

Если при сварке перечисленные мероприятия не уменьшают деформации, то для конструкций балочного типа применяют способ обратных деформаций. Для этого изделие перед сваркой деформи­руют в обратном направлении на величину, которая вызывается сваркой (рис. 4.4, ж). В ряде случаев листовые конструкции при сварке закрепляют в жестком приспособлении — кондукторе или манипуляторе (рис. 4.4, з). Иногда шов и зону термического влияния изделия в процессе сварки или после сварки прокаты­вают роликами (Рис.4, и); этот способ разработан в МВТУ им. Баумана. Он особенно эффективен при правке тонколистовых конструкций.

К термическим методам снижения остаточных напряжений и деформаций относят предварительный подогрев изделия перед сваркой, высокий отпуск, нормализацию и отжиг.

Следует отметить, что чрезмерный рост внутренних напряжений и деформаций получается вследствие нарушения элементарных норм проектирования сварных конструкций и нарушения рекомен­дации технологического процесса при их изготовлении. Выбор оптимального режима при разработке технологического процесса проводится обычно на основании опытных данных и реже расчетом, т. е. на основе уравнений распространения теплоты при сварке.

Режимы ручной дуговой сварки. Основные параметры технологического режима (диаметр элект­рода, напряжение на дуге, силу сварочного тока и скорость сварки) устанавливают в соответствии с формой и размерами изделия. При этом необходимо обеспечить требуемое качество сварного сое­динения, максимальную производительность и минимальную стои­мость изготовления конструкции. Ниже дано примерное соотноше­ние между диаметром электрода и толщиной свариваемого изделия (для стыковых соединений):

s,мм	1..2	3	4…5	6…12	13 и более
dэ,мм	1,5…2,5	3	3…4	4…5	5 и более

В ряде случаев это соотношение следует учитывать и произ­водить соответствующую корректировку.

Правильный выбор сварочного тока имеет большое значение для качества сварки. Для электродов диаметром 3…6 мм при выборе величины сва­рочного тока можно пользоваться формулой

I=k d_э,А, (4.1)

где k — коэффициент, зависящий от марки электрода и его диамет­ра, А/мм; d_э — диаметр электрода, мм.

Для электрода с толстым покрытием и стержнем из низкоугле­родистой стали k применяют 35…60_А/мм, а для электродов со стерж­нем из высоколегированной стали — 35…40 А/мм.

При сварке угловых швов силу тока увеличивают по сравнению со сваркой стыковых швов на 10…15 %. Сварку вертикальных и горизонтальных швов ведут при силе тока на 10…15 %, а потолоч­ных на 15…20 % меньше, чем при сварке швов в нижнем положении.

Для определения напряжения U_д используют справочные дан­ные или рекомендации сертификатов, которыми сопровождается каждая марка электрода.

Для электродных покрытий большинства марок, используемых для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей, f/д составляет 20…28 В. Общее количество наплавленного металла, необходимое для изготовления конструкции, можно определить исходя из сечения и длины швов по формуле

G_H = F_H ρ L, (4.2)

где G_H — масса наплавленного металла; F_H — доля наплавленного металла в общей площади сечения шва; ρ — плотность наплавлен­ного металла; L — длина шва.

Время τ_M (в ч), потребное для сварки шва длиной L, можно оп­ределить из формулы

G_H=a_H I_Д τ_M, (4.3)

откуда τ_M= G_H/a_HI_Д, (4.4)

где а_н—коэффициент наплавки (г/А-ч) *; I_д — сварочный ток, А.

Скорость сварки (в см/с) однослойного шва определяют по формуле

v_CB = L/τ_M или v_CB = a_HI/(F_Hρ). (4.5)

Расход электроэнергии А без учета потерь холостого хода определяют по формуле

A=U_дI_дτ_м, Вт (4.6)

Производительность сварки определяют количеством наплавленного металла в единицу времени.

Из формулы (4.4), следует, что производительность сварки можно увеличивать за счет применения электродов с высоким коэффициентом наплавки и использования максимально допустимых величин сварочного тока.

Однако наиболее эффективным методом повышения производительности ручного процесса следует признать направление по разработке электродов с повышенным коэффициентом наплавки а_а. Введение в состав электродного покрытия железного порошка (электроды АНО-1 и ОЗС-3) повышает коэффициент наплавки до 16…18 Г/А·ч, что позволяет в два раза повысить производитель­ность. В этом случае образование шва происходит не только за счет металлического стержня, но и за счет железного порошка, содер­жащегося в покрытии. Сварку такими электродами можно выпол­нять на переменном или постоянном токе преимущественно в нижнем положении.

Практически для повышения производительности применяют сварку сдвоенным электродом, трехфазной дугой и сварку с глубоким проплавлением.