Плавление и перенос металла

В процессе сварки происходят потери жидкого металла вследствие его окисления воздухом и через шлак, а также вследствие испарения и разбрызгивания за пределы ванны. Все эти процессы создают так называемые потери металла на угар и разбрызгивание. Приращение массы изделия в результате сварки, или вес наплавки, равняется весу расплавленного электродного металла за исключением потери на угар и разбрызгивание.

Основная часть электродного металла переходит на изделие в форме капель, причемнаблюдаются две формы переноса: крупнокапельная и мелкокапельная или струйная. Прикрупнокапельном переносе на конце электрода образуется капля жидкого металла, котораябыстро увеличивается, затем быстро движется вперед, вытягиваясь по направлению кизделию. При этом происходит или полное замыкание дугового промежутка мостикомжидкого металла, или заметное его укорочение. Затем мостик жидкого металла разрываетсятак, что большая часть металла остается на изделии, меньшая - на электроде, и дугаприобретает нормальную длину. Процесс повторяется с довольно правильнойпериодичностью и сопровождается переносом на изделие от 20 до 50 капель в секунду,приблизительно одинакового размера.

Наряду с переносом более или менее крупных капель происходит также перенос очень мелко раздробленного расплавленного жидкого металла - мелкокапельный или струйный перенос.

Металл электрода, попадая в ванну, перемешивается с основным металлом, образуя металл шва. Дутье газов дуги оказывает механическое давление на металл шва и отбрасывает его со дна на поверхность. Общий вид переноса металла приведен на рисунке 9.6.

Рисунок 9.6 – Перенос металла

Отбрасывание происходит пульсациями, что придает поверхности наплавленного металла чешуйчатость. Крупнокапельный перенос дает грубую и крупную чешуйчатость, а мелкокапельный - более гладкую и почти не заметную чешуйчатость шва.

Сварка и наплавка металла на изделие возможна как в нижнем положении, когда поверхность изделия горизонтальна и перенос металла с электрода на изделие происходит сверху вниз в направлении действия силы тяжести, так и в вертикальном или в потолочном положении. При потолочном положении сварки расплавленный металл должен переноситься с электрода в ванну снизу-вверх, против направления действия силы тяжести. Возможность вертикальной и в особенности потолочной сварки доказывает, что процесс переноса металла в сварочной дуге не является простым падением капель под действием силы тяжести. Перенос металла всегда происходит от изделий малых размеров к большим.

Нагрев металла дугой

Интенсивность нагрева металла дугой определяется в первую очередь мощностью дуги. Она зависит и от ряда других факторов, таких, как род и полярность тока, материал электрода, расположение дуги по отношению к металлу и др. Не вся мощность дуги используется для нагрева металла, неизбежны потери мощности на излучение, теплообмен с окружающей средой, потери вместе с испаряющимся и разбрызгиваемым металлом, на нагрев шлаков и т. д.

Электрод прогревается по всему объему, в основном, за счет проходящего по электроду тока.

При перемещении дуги по линии образуется валик. Сечение валика характеризуется глубиной расплавления «h» высотой валика «Н», шириной валика «Ь» и площадью поперечного сечения. Отношения b/Н и b/h - важные характеристики сечения, которые меняются в пределах от 2 до 8. Общий вид наплавления металла приведен на рисунке 9.7.

Н – высота валика

h – глубина расплавления

b – ширина валика

Рисунок 9.7 – Наплавление металла

Вследствие быстроты охлаждения наплавленный металл бывает засорен неметаллическими включениями и газом. Вследствие значительного перегрева металл теряет легко испаряющиеся и окисляющиеся составные части: марганец, углерод и кремний. Вредныепримеси(фосфори сера)практическиневыгорают.Металлокисляется иазотируется атмосферным воздухом. Улучшение состава наплавленного металла достигается введением присадок в состав обмазки электродов.

К наплавленному металлу прилегает переходная зона, лежащая между наплавленным металлом и неизмененным основным металлом. Эта зона называется зоной термического влияния. В зоне находится не расплавившийся основной металл, сохранивший свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие термической обработки. Для некоторых сталей свойства металла в зоне нормализации могут быть лучше свойств основного металла, т. е. зона улучшения металла. Для термообрабатываемых сталей, характерным является изменение твердости в зоне влияния соответственно снижение пластичности.

При нарушениях процесса сварки могут возникать различные дефекты валика.

Непровар– образуется при отсутствии сплавления расплавленного и основного металла возникает при неправильном процессе сварки, недостаточном токе, большой скорости движения электрода и т. д.

Подрез – углубление, возникает от неправильного процесса сварки или чрезмерной силы тока.

Трещины – причины их образования - повышенное содержание серы, фосфора и особенно углерода, а также большой сварочный ток и объем жидкой ванны,

Включения – это окислы, шлаки и газовые пузырьки, не успевшие всплыть на поверхность, зависит в основном от скорости затвердевания жидкой ванны.

Сварные соединения и швы

9.7.5.1 Общие сведения

Сварное соединение – это неразъемное соединение, выполненное сваркой. Сварной шов – это участок сварного соединения, образовавшегося в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением. Типы сварных соединений и швов приведены на рисунке 9.8.

Рисунок 9.8 – Типы сварных соединений

9.7.5.2 Сварка стыковых соединений

Стыковое соединение – это соединение двух деталей их торцевыми поверхностями, которые могут различаться по толщине. Такие соединения получили широкое распространение в машиностроении, при сварке трубопроводов и различных резервуаров.

Особенности сварки таких швов и подготовки кромок под сварку определяется толщиной основного металла. При толщине до 6 мм кромки не требуют особой подготовки, надо обеспечить только постоянство зазора на всем протяжении сварного шва. Для равномерного расплавления кромок электроду сообщается поперечное колебательное движение. Основной трудностью сварки стыкового соединения является правильное формирование обратной стороны шва.

9.7.5.3 Сварка угловых соединений

Угловое соединение представляет собой соединение двух плоскостей, которые находятся под углом друг к другу. Особенно широко такие соединения применяются в строительстве

Объем шва для заполнения наплавленным металлом представляет собой двугранный угол, образованный поверхностями соединяемых элементов. Кромки углового шва несимметричны в отношении отвода тепла: одна из кромок отводит тепло примерно в два раза интенсивнее, чем другая, котораянагревается значительно быстрее.Наибольшиетрудности представляет выполнение первого слоя, обеспечение полного провара, т.е. расплавление вершины угла.

По очертанию швы делят на усиленный, нормальный и ослабленный. Эти термины относятся к геометрической форме и не связаны с его прочностью. Очертание шва определяется материалом электродов, в зависимости от поверхностного натяжения расплавленного металла.

С помощью угловых швов получают два вида сварных соединений: нахлесточные и тавровые (см. ГОСТ 2601).

Нахлесточный шов – соединение, в котором один лист металла накладывается на другой, частично перекрывая его. Такие швы есть в конструкциях различных ферм, мачт, резервуаров.

Тавровый шов – это соединение, в котором торец одного изделия приваривается к боковой поверхности другого изделия (элемента). Схематично такое соединение имеет вид буквы «Т». Также, как и в угловом соединении, тавровое предполагает соединение как под прямым углом, так и любым другим углом.

9.7.5.4 Режимы ручной электродуговой сварки плавящимся электродом

Режимы сварки зависят от многих факторов – размеров изделия, формы сварных швов, пространственного положения и др. Преимущественно режимы сварки определяются типом и диаметром электрода, и величиной сварочного тока. Диаметр электрода колеблется от 2 до 7 мм, и применяются для следующих толщин сталей, приведенных в таблице 9.1.

Таблица 9.1 – Показатели электрода

При толщинах металла свыше 6 мм швы выполняются в несколько слоев (проходов). По принятому диаметру электрода подбирают сварочный ток.