Физическая сущность процесса

Министерство образования и науки Украины

КРЫМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Симферополь 2005

Министерство образования и науки Украины

КРЫМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

для студентов специальности “Профессиональное обучение”

Симферополь 2005

Разработчик: доцент кафедры эксплуатации и ремонта

Автомобилей Измаилова Г. М.

Рецензенты:

- профессор кафедры металлоконструкций НАПКС, заслуженный изобретатель Украины Корохов В. Г.

- старший преподаватель кафедры эксплуатации и ремонта автомобилей к. т. н. Халилов В. Э.

Конспект предназначен для студентов заочной формы обучения и может быть использован студентами очной формы обучения для самостоятельной работы

Утверждено на заседании кафедры ЭРА

Протокол № 12 от 02. 03. 05

                                                Одобрено на заседании совета ИПФ

                                                                    Протокол № 6 от 06. 05. 04 г.

Сварка и родственные ей процессы широко применяются в машиностроении при производстве ракет, самолетов, судов, вагонов, автомобилей, бытовой утвари, в ремонтных целях и других областях техники

Сварка применяется в электронной, часовой промышленности, ювелирном производстве и медицине.

Сваривают металлические и неметаллические материалы: конструкцион­ные стали, чугуны, цветные металлы и их сплавы, пластмассы.

Термической резкой разделяют металлы, текстолит, оргалит, кожу, картон, древесину, ткани и многие другие материалы.

Сварка – процесс получения неразъёмных соединений путем создания межатомных связей.

Существуют более тысячи разновидностей сварки и все они делятся на два больших класса: сварку давлением и сварку плавлением.

При сварке давлением соединяемые заготовки чаще всего нагревают до пластичного состояния, затем сближают и сдавливают до возникновения межатомных связей между молекулами соединяемых заготовок что и приводит к образованию сварного соединения рис. 1а.. К сварке давлением относятся: холодная, контактная, диффузионная сварка, сварка трением, взрывом и др.

При сварке плавлением кромки соединяемых заготовок расплавляют каким-либо источником нагрева, например, электрической дугой или лазерным лучом до образования совместной жидкой сварочной ванночки. После охлаждения и кристаллизации которой и образуется сварное соединение рис. 1б.. К сварке плавлением относятся: ручная дуговая сварка, сварка неплавящимся и плавящимся электродами в среде защитных газов, электроннолучевая, плазменная, лазерная, газовая и многие другие способы сварки.

Схема процесса сварки давлением (а) и плавлением (б). Р - усилие сжатия

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

Физическая сущность процесса

Электрическая сварочная дуга – мощный стабильный электрический разряд в среде ионизированных атмосферных газов и паров металла, сопровождающийся большим тепловыделением на электродах и световым излучением. Температура дуги достигает 6000 ^оС. Дуга как источник тепла применяется для сварки, резки, наплавки. Она возбуждается между электродом 1 (рис. 2) и свариваемым изделием 2, на которые подаётся напряжение от специального сварочного источника 3. Дуга расплавляет кромки заготовок и электродный металл, который в виде мелких капель переносится в сварочную ванну. После удаления дуги металл сварочной ванны кристаллизуется, образуя сварной шов – неразъёмное соединение заготовок.

Электрические свойства дуги описываются статической характеристикой дуги (СХД), представляющей зависимость между напряжением на дуге V и током дуги I (рис.3). СХД можно разделить на три участка. Самое широкое применение имеют дуги, соответствующие второму участку (I=100…500 А), где сила тока не зависит от напряжения на дуге, а напряжение прямо пропорционально длине дуги lд.

Сварочным оборудованием является источник питания, который необходим для получения электрической сварочной дуги. Он характеризуется внешней вольт-амперной характеристикой (ВАХ), которая должна быть падающей (рис.3) в отличие от жесткой характеристики для бытовых, осветительных и других источников тока. Крутизна ВАХ регулируется.

На Рис.3 точка А соответствует режиму холостого хода сварочного источника /напряжение на внешних клеммах должно быть повышенным ( 60…80 В)/. Точка В характеризует режим возбуждения дуги, а точки С₁ и С₂ – режимы стабильного горения. Точка D соответствует режиму короткого замыкания дуги (V_к.з=0). При уменьшении крутизны ВАХ сила тока растёт.

Сварочные источники с падающей характеристикой обеспечивают:

- легкое зажигание дуги, за счёт повышенного напряжения холостого хода;

- устойчивое горение;

- сохранение практически неизменной силы тока, так как колебания длины (lд₁ ¸lд₂ на (рис.2) и напряжения дуги при крутом падении характеристики источника не приводят к значительным изменениям сварочного тока (I₁ ¸ I₂);

- ограничение тока короткого замыкания.

Инструментом при ручной дуговой сварке является электрод, т. е. металлический пруток диаметром 1,5…6 мм, длиной 350…450 мм с защитно-легирующим покрытием (качественный электрод), закрепляемый в держателе с токоподводом.

Защита зоны шва. Перегретый металл способен взаимодействовать с атмосферными газами H₂, O₂, N₂ , что приводит к снижению его прочностных и пластических свойств.

Для защиты шва от взаимодействия с атмосферой и повышения его механических свойств штучные электроды снабжены защитно-легирующим покрытием, содержащим следующие компоненты:

- шлакозащитные (CaF₂ и др.), создающие при расплавлении жидкий шлак на поверхности электродных капель и шва, который препятствует его окислению и пр.;

- раскисляющие (FeSi. FeMn), восстанавливающие окислы железа в сварочной ванне;

- легирующие (FeCr, FeMo), упрочняющие шов с крупнозернистым строением;

- ионизирующие (CaCO₃), увеличивающие степень ионизации газа в зоне дуги и повышающие стабильность её горения;

- связующие (жидкое натриевое стекло), удерживающее вышеперечисленные порошкообразные компоненты на поверхности электрода.

Технологические возможности дуговой сварки качественными электродами.

Сварка этим способом применяется для сталей всех марок, никелевых сплавов, сплавов алюминия. Сваривают заготовки толщиной 2 мм и более; если толщина более 4 мм, то необходима подготовка кромок под сварку (скос под углом 30^о).

Диаметр электрода выбирается в соответствии с толщиной свариваемого материала.

Сила сварочного тока назначается в зависимости от диаметра электрода и типа металла электродного стержня по опытной формуле

I_св=kd_э,

где d_э – диаметр электрода, мм;

k – коэффициент, равный 40 А/мм для углеродистых сталей и 30 А/мм для высоколегированных сталей.

Производительность дуговой сварки оценивают коэффициентом наплавки К_н, по которому определяют, сколько граммов наплавленного металла приходится на 1 А сварочного тока за 1 ч. Его находят экспериментально и подсчитывают по формуле

                            К_н= ,

где К_н – коэффициент, г/А^.ч;

G – масса наплавляемого металла, г;

I – сварочный ток, А;

t – время наплавки, ч.

Величину G обычно определяют по массе расплавленного электрода с учётом потерь на разбрызгивание ( 7%). Коэффициент наплавки зависит от марки электрода и изменяется в пределах 7,5…12,5 г/А^.ч. Сварка штучными электродами применяется в труднодоступных местах, в атмосфере, под водой и во всех пространственных положениях (рис. 4): нижнем – а, вертикальном – б, горизонтальном – в, потолочном – г.

Обычно электродом управляют вручную, такая сварка называется ручной дуговой. Возможна также механизированная сварка лежачим, наклонным электродом, а также вертикальным электродом, перемещаемым специальным механизмом с автоматической сменой электрода.

Главный недостаток дуговой сварки штучными электродами – низкая производительность, вызванная ограничением диаметра электрода и соответственно силы тока. Ручная дуговая сварка применяется в опытном, ремонтном, монтажном производстве.