Занятие №36 «Техника и технология ручной дуговой сварки. Сварка плавлением»

20.02.02. МДК.07.02Сварка и резка деталей из различных сталей, цветных металлов и их сплавов, чугунов во всех пространственных положениях

Сварка (welding) – это процесс соединения двух деталей и более, в результате которого полу­чают неразъемное соединение материалов заготовок, с помощью нагрева и (или) давления с при­менением или без применения присадочного материала. Сварочные процессы могут быть использованы для наплавки и переплавки (ГОСТ Р 58904-2020/ISO/TR 25901-1:2016).

В настоящее время существует более 150 различных сварочных процессов. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

В зависимости от вида энергии, подводимой для расплавления металла и образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический[1], термомеханический[2] и механический[3].

Два первых класса (термический и термомеханический) обра­зуют два основных вида сварки – плавлением и давлением, кото­рые получили наиболее широкое распространение в промышлен­ности. Все виды сварки механического класса относятся к специ­альным видам и находят ограниченное применение.

Сварка плавлением (fusion welding) – это сварка местным сплавлением сопрягаемых поверхностей без приложения внешнего давления с присадочным или без присадочного материала (ГОСТ Р 58904-2020/ISO/TR 25901-1:2016).

При сварке плавлением детали оплавляются по соединяемым кромкам под действием теплоты источника нагрева. Расплавлен­ный металл, сливаясь в общий объем, образует сварочную ванну. В процессе ее охлаждения жидкий металл затвердевает, и форми­руется сварной шов. Шов может быть образован за счет расплавления металла только свариваемых кромок либо металла кромок и дополнительного металла плавящегося электрода.

Среди большого разнообразия видов сварки плавлением веду­щее место занимает дуговая сварка, при осуществлении которой источником теплоты служит электрическая дуга.

Сварочная дуга представляет собой электрический разряд, про­исходящий в газовой среде между электродом и деталью или тре­мя электродами (трехфазная дуга). Для питания дуги переменным током применяются сварочные трансформаторы, при сварке на постоянном токе – сварочные выпрямители или сварочные гене­раторы.

Различают дуговую сварку плавящимися и неплавящимися электродами.

Плавящиеся электроды – это, как правило, электроды с покры­тием для ручной дуговой сварки и сварочная проволока из различ­ных металлов для сварочных полуавтоматов и автоматов. Неплавящиеся электроды представляют собой вольфрамовые, графитовые или угольные стержни.

При расплавлении электрода и основного металла необходима защита сварочной ванны от воздействия атмосферных газов – кислорода, водорода и азота, так как они растворяются в жидком металле и ухудшают качество металла шва.

По способу защиты сварочной ванны, самой дуги и конца нагреваемого электрода от воздействия атмосферных газов дуто­му сварку подразделяют на следующие виды: сварка покрытыми электродами, в защитном газе, под флюсом, в вакууме, самоза­щитой порошковой проволокой и с комбинированной защитой.

По степени механизации различают ручную и механи­зированную сварку (на полуавтоматах и автоматах).

Обозначение основных видов сварки по международной классификации.

MМА (Manual Metal Arc) или MMAW Manual Metal Arc Welding – ручная электродуговая сварка покрытыми электродами,

SAW (Submerged Arc Welding) – дуговая сварка под флюсом.

SMAW (Submerged Metal Arc Welding) – автоматическая дуговая сварка металлическим электродом (проволокой) под слоем флюса[4].

MIG (Metal Inert Gas) – механизированная (автоматическая или полуавтоматическая) электродуговая сварка плавящимся электродом (электродной проволокой), при которой в качестве изолирующей среды выступает инертный газ, такой как гелий или аргон;

MAG (Metal Active Gas) – механизированная (автоматическая или полуавтоматическая) электродуговая сварка плавящимся электродом (электродной проволокой) в среде активного газа (азота, углекислого газа и т.п.)

FCAW (Flux Core Arc Welding) – полуавтоматическая дуговая сварка с применением порошковой проволоки (газозащитной или самозащитой).

TIG (Tungsten Inert Gas) – электродуговая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом, чаще всего вольфрамовым[5].

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами (MМА) – наиболее распространенный способ сварки, применяемый при изготовлении сварных конструкций.

Благодаря его простоте и уни­версальности представляется возможным выполнять сварочные работы в разных пространственных положениях и труднодоступ­ных местах.

Схема ручной дуговой сварки металлическим покрытым элек­тродом показана на рис. 36.1. Возбуждение дуги 8 происходит при кратковременном замыкании электрической сварочной цепи ка­санием свариваемого металла 10 концом электрода 6.

Формирование шва 2 происхо­дит за счет расплавления металла кромок свариваемых деталей и металла стержня сварочного электрода. При этом сварщик вруч­ную выполняет основные технологические движения: подает электрод в зону сварки по мере его расплавления и перемещает дугу вдоль кромок свариваемых деталей. В процессе свар­ки по мере плавления электрода его подводят к изделию, одновре­менно перемещая вдоль соединения и поперек стыка для получе­ния необходимой формы и сечения шва.

Рис. 36.1. Схема ручной дуговой сварки покрытыми электродами: 1 – шлаковая корка; 2 – сварной шов; 3 – жидкая шлаковая пленка; 4 – газовая защита; 5 – капля электродного металла; 6 – электрод; 7 – электродное покрытие; 8 – сварочная дуга; 9 – сварочная ванна; 10 – основной металл свариваемой детали

Покрытие электродов, приготовляемое из порошкообразной смеси различных природных (растительных и минеральных) компонентов, позволя­ет повысить устойчивость горения дуги, обеспечить защиту рас­плавляемого металла от воздействия атмосферных газов, провести металлургическую обработку сварочной ванны и в конечном ито­ге повысить качество сварного шва.

При сварке покрытым электродом происходит плавление стер­жня и покрытия. Из расплавляющегося покрытия образуется шлак 1 (рис. 36.1) и газы. Шлаковый слой предохраняет металл от взаимодей­ствия с кислородом и азотом воздуха. Газы оттесняют воздух из зоны плавления (зоны дуги) и обеспечивают дополнительную за­щиту от контакта с ним.

Покрытыми электродами сваривают и наплавляют черные и цветные металлы и различные сплавы. Рациональная область при­менения дуговой сварки покрытыми электродами – изготовление конструкций из металлов с толщиной соединяемых элементов более 2 мм при небольшой протяженности швов, расположенных в труднодоступных местах и различных пространственных поло­жениях.

Основные достоинства данного способа сварки – универсаль­ность и простота оборудования; недостаток – невысокая произ­водительность, которая обусловлена малыми допустимыми значе­ниями плотности тока и тем, что формирование шва происходит в основном за счет электродного металла.

Образование дуги начинается с ее зажигания, которое может осуществляться одним из двух способов:

1) электрод приближается к заготовке на расстояние 3...6 мм, и в сварочную цепь на короткое время подключается источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (ос­циллятор);

2) зажигание дуги осуществляется в три этапа: короткое замы­кание электрода на заготовку; отвод электрода на 3...6 мм; воз­никновение устойчивого электрического разряда.

Второй способ является основным, а первый применяется только при сварке неплавящимся электродом.

При коротком замыкании (рис. 36.2, а) плотность тока в точках контакта достигает больших значений, и под действием выделяющейся теплоты металл в этих точках мгновенно расплавляется, образуя жидкую перемычку между основным металлом и элект­родом (рис. 36.2, б).

При отводе электрода от поверхности метал­ла жидкая перемычка сначала растягивается, образуя шейку (36.2, в), а затем разрывается, после чего с его разогретого торца (катода) под действием

Рис. 36.2. Схема образования дуги: а – короткое замыкание; б – образование прослойки из жидкого металла; в – образование шейки и возникновение дуги

электрического поля начинается термо­электронная эмиссия электронов.

Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева стол­ба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результа­те дуговой промежуток становится электропроводным и через него проходит разряд электрического тока (см. рис. 36.2, в).

Процесс за­жигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугово­го разряда.

На рис. 36.3 изображена схема устойчивой сварочной дуги, воз­никающей при пропускании тока между металлическим (прово­лочным) электродом 1 и основным металлом 6. Дуговой разряд 3, окруженный пламенем (ореолом) 5, имеет форму расширяющего поверхности столба, у основания которого в толще изделия обра­зуется кратер дуги, или сварочная ванна 4.

Под влиянием авто­электронной эмиссии и теплоты дуги конец электрода и находя­щийся под ним участок детали расплавляются, на детали возника­ет сварочная ванна, в которую по каплям 2 стекает расплавлен­ный металл с электрода 1. Устойчивое горение, необходимое для высокого качества сварки, достигается при длине дуги 3...5 мм. Рекомендуемая длина дуги равна диаметру электрода. При слиш­ком длинной дуге металл электрода, плавясь, образует большие шарики (крупнокапельный перенос металла); при этом дуга, час­то прерываясь, дает широкий неравномерный и забрызганный сварной шов с недостаточным сплавлением.

Рис. 36.3. Схема электрической сварочной дуги:1 – электрод;

2 – капля расплавленного металла; 3 – дуговой разряд;

4 – сварочная ванна; 5 – ореол дуги; 6 – основной металл

При слишком корот­кой дуге выделяется недостаточно теплоты для глубокого про­плавления основного металла и происходит частое прилипание электрода к основному металлу.

Наиболее широко применяется ручная сварка электрической дугой прямого действия[6].  

Основные параметры дуговой сварки.К основным парамет­рам дуговой сварки относятся: ток дуги (сила сварочного тока) I_св, напряжение дуги U_А и скорость сварки v_св.

Ток дуги – параметр, в наибольшей степени определяющий тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с уве­личением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура плазмы стол­ба дуги и стабилизируется положение активных пятен на элект­роде и на детали. С увеличением силы сварочного тока увеличи­вается длина и ширина сварочной ванны; особенно интенсивно увеличивается глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточением энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на сварочную ванну, которое пропорционально квадрату силы сва­рочного тока.

С увеличением напряжения дуги возрастает тепловая мощность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Устойчивость дуги улучшается с повышением напряжения хо­лостого хода сварочного источника (его измеряют при отключен­ной нагрузке). Однако этот параметр ограничен требованиями безопасности обслуживающего персонала и не должен превы­шать 80 В.

При постоянном значении погонной энергии увеличение ско­рости сварки вызывает повышение термического КПД процесса, а это, в свою очередь, приводит к увеличению глубины проплав­ления и снижению ширины шва.

Лучшие результаты достигаются при сварке короткой дугой, длина которой обычно не превышает 0,5...1,1 диаметра электрода, при токе 90...350 А и напряжении дуги 18...30 В. При большой длине дуги усиливаются окисление электродного металла и разбрызгивание, уменьшается глубина провара.

Вопросы и задания

1. Что называют сваркой *и что выполняют при помощи сварки?

2*. Какая бывает сварка в зависимости от вида энергии? **Подробно

3. Что собой представляет сварка плавлением?

4*. Что происходит при сварке плавлением?

5**. Самостоятельно сформулируйте определение для понятия «дуговая сварка».

6. Что представляет собой сварочная дуга? ВНИМАНИЕ: продолжение вопросов и заданий – на обратной стороне листа!

7. Какие сварочные процесс бывают в зависимости от полярности тока *и какое оборудование для них применяется?

8. Какие электроды применяются для электродуговой сварки и что они собой представляют?

9*. Какие бывают виды сварки в зависимости от способа защиты сварочной ванны?

10. Какие бывают виды сварки в зависимости от степени механизации?

11*. Как обозначаются основные виды сварки по международной классификации?

12. Нарисовать схему ручной дуговой сварки покрытыми электродами и описать процесс формирования сварного шва.

13**. Что происходит при сварке покрытым электродом?

14. Какие материалы сваривают покрытыми электродами?

15. Каковы основные достоинства и недостатки электродуговой сварки покрытыми электродами?

16. какой способ образования дуги является основным?

17**. Кратко опишите процесс образования дуги.

18. При какой длине дуги достигается устойчивое горение, необходимое для высокого качества сварки *и почему?

19**. Что собой представляет наиболее широко применяемая ручная сварка электрической дугой прямого действия и какие еще бывают виды электрической дуги?

20. Какие параметры относятся к основным парамет­рам дуговой сварки и как изменяется характер процесса сварки с изменением данных параметров?

21. При каких условиях и параметрах достигаются лучшие результаты при сварке? 

[1] Дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

[2] Контактная, диффузионная и др.

[3] Ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.

[4] В немецкоязычной литературе вместо аббревиатуры SAW используется UP – Under Pulver.

[5] Аналогом аббревиатуры TIG в немецкоязычной литературе будет WIG (Wolfram Inert Gas) ввиду того, что в качестве материала для неплавящихся электродов используется вольфрам. Также сварка TIG может иногда называться GTA (Gas Tungsten Arc). Сварка TIG может производиться с ручной или автоматической подачей присадочной проволоки или без нее. Автоматизированная (роботизированная) сварка TIG обозначается аббревиатурой GTAW – Gas Tungsten Automatic Welding.

[6] Дугой прямого действия называется дуговой разряд, который происходит между электродом и деталью (изделием). Дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка) называется косвенной дугой, а сочетание дуги прямого и дуги косвенного действия — комбинированной дугой.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры