close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Основы электрогазосварки учеб. пособие. Герасименко А.И. (www.PhoenixBooks.ru)

код для вставкиСкачать
Серия
«Начальное профессиональное образование»
А. И. Герасименко
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОГАЗОСВАРКИ
Учебное пособие
РостовнаДону
«Феникс»
2013
Издание десятое
переработанное
Рекомендовано Международной академией науки и практики
организации производства в качестве учебного пособия,
для образовательных учреждений начального
профессионального образования
Герасименко А.И.
Г37 Основы электрогазосварки : учебное пособие /
А.И. Герасименко. — Изд. 10е,перераб. — Ростов н/Д :
Феникс, 2013. — 380 c. : ил. — (Начальное профессио
нальное образование).
ISBN 9785222199381
Учебное пособие соответствует Государственному образо
вательному стандарту Министерства образования РФ.
В пособии изложены теоретические основы электрогазо
сварки и резки металлов и их сплавов. Рассматриваются
устройство, принцип действия и правила эксплуатации ис
точников питания, приводятся их характеристики и области
применения; даются технология и техника сварки наиболее
распространенных металлов; рассматриваются вопросы ав
томатизации и механизации сварочного производства, а так
же обеспечения необходимого качества сварных соединений.
Учебное пособие предназначено для учащихся училищ,
лицеев и студентов колледжей, а также может быть исполь
зовано для подготовки сварщиков на производстве.
УДК 621.7(075.32)
ББК 34.641я722
© Герасименко А.И., 2012
© Оформление, ООО «Феникс», 2013
УДК 621.7(075.32)
ББК 34.641я722
КТК 2360
Г37
ISBN 9785222199381
Введение
Сварка металла представляет собой технологический
процесс получения неразъемного соединения за счет уста
новления межатомных или межмолекулярных связей или
диффузии. Применяют ее для соединения однородных и
разнородных металлов и их сплавов, металлов с некоторы
ми неметаллическими материалами (керамикой, стеклом
и др.), а также пластмасс.
Впервые сварка металлов плавлением была осуществлена
в России в конце прошлого столетия. В 1882 г. русский ин
женер Н.Н. Бенардос использовал электрическую дугу, от
крытую в 1802 г. академиком В.В. Петровым, для сварки и
резки металлов с применением угольного электрода. В 1888 г.
другой русский инженер Н.Г. Славянов разработал способ
дуговой сварки металлическим электродом.
Широкое промышленное применение в нашей стране свар
ка получила после Октябрьской революции в годы первых
пятилеток. В основном применяли ручную дуговую сварку при
сооружении строительных конструкций на предприятиях ме
таллургической и машиностроительной промышленности,
а также при изготовлении деталей и узлов машин в вагоно
строении, автомобилестроении, при изготовлении котлов,
кранов и других изделий.
Крупным вкладом в развитие сварочной техники явилась
разработка в конце 30х гг. коллективом Института элект
росварки АН УССР во главе с академиком И.О. Патоном ав
томатической дуговой сварки под флюсом. Этот способ
имеет высокую производительность и обеспечивает более
высокое качество сварных соединений по сравнению с руч
ной дуговой сваркой.
В следующем периоде сварочная техника развивалась в
направлении совершенствования ранее известных способов
и разработки новых, эффективных с точки зрения их техно
логических возможностей и производительности, с примене
нием современных источников энергии, таких как электрон
ный луч, высокотемпературная плазма, ультразвук и т. д.
В результате появились дуговая сварка в защитной атмосфере
аргона и углекислого газа, электрошлаковая, а также авто
матизированные способы контактной сварки.
Основы электрогазосварки
4
Разработаны и внедрены в производство сварочных кон
струкций из специальных сталей, цветных и тугоплавких ме
таллов и сплавов следующие способы сварки: электроннолу
чевая, дуговая в вакууме, плазменной струей, ультразвуковая
и другие. В последнее время для сварки начали применять
оптические квантовые генераторы — лазеры. Большое вни
мание уделяют разработке и совершенствованию способов
сварки материала в твердом состоянии без расплавления: хо
лодной, диффузионной в вакууме, термокомпрессионной,
взрывом и других.
Сварка является экономически выгодным, высокопроиз
водительным и в значительной степени механизированным
технологическим процессом. Сварку широко применяют
практически во всех отраслях машиностроения и строитель
ной промышленности. Сварку как один из основных техно
логических процессов используют в судостроении при изго
товлении цельносварных корпусов судов, при строительстве
домн, резервуаров для хранения жидкости и газов, нефте
и газопроводов; в транспортном машиностроении — при из
готовлении цистерн, цельнометаллических вагонов; в энер
гомашиностроении — при производстве котлов, паровых
и гидравлических турбин и многих других машин и конст
рукций.
Внедрение сварки в технологический процесс изготовле
ния новых изделий часто связано с заменой литых и кова
ных конструкций и деталей машин на прокатносварные
или комбинированные, включающие литые, кованые и
штампованные элементы, соединенные сваркой. Такая за
мена является экономически целесообразной, особенно,
если конструкция имеет сложную геометрическую форму,
а также при единичном и мелкосерийном производстве.
Применение сварки в таких случаях приводит к экономии
металла, сокращению трудоемкости, снижению себестоимо
сти и улучшению условий труда.
Программа промышленного строительства в нашей стра
не предусматривает дальнейшее развитие сварочной техни
ки и ее широкое внедрение во все отрасли машиностроения.
Особое внимание будет уделено повышению уровня комп
лексной автоматизации и механизации сварочного произ
водства, увеличению производительности труда и обеспече
нию высокого качества сварных соединений.
Глава 1. Общие сведения о сварке
5
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРКЕ
1.1. Физические основы получения
сварного соединения
Физическая сущность процесса сварки заключается в об
разовании прочных связей между атомами или молекулами
на поверхности соединяемых заготовок.
Определение сварки относится к металлам и неметалли
ческим материалам (пластмассы, стекло, резина и т.д.).
Свойства материала определяются его внутренним стро
ением — структурой атомов. Все металлы в твердом состо
янии являются телами с кристаллической структурой. Аморф
ные тела (стекло и др.) имеют хаотическое расположение
атомов. Для соединения свариваемых частей в одно целое
нужно сблизить их элементарные частицы (ионы, атомы)
настолько, чтобы между ними начали действовать межатом
ные связи. Это достигается местным или общим нагревом,
или пластическим деформированием, или тем и другим.
В зависимости от условий, при которых осуществляется
сваривание (образование межатомных связей) частиц метал
ла, различают сварку плавлением и сварку давлением.
Сущность сварки плавлением (рис. 1.1) состоит в том, что
металл по кромкам свариваемых деталей 1 и 2 подвергается
плавлению от нагрева сильным концентрированным источ
ником тепла: электрической дугой, газовым пламенем, хи
мической реакцией, расплавленным шлаком, энергией
электронного луча, плазмой, энергией лазерного луча. Во
всех этих случаях образующийся от нагрева жидкий металл
одной кромки самопроизвольно соединяется с жидким ме
таллом другой кромки. Создается общий объем жидкого ме
талла, который называется сварочной ванной. После засты
вания металла сварочной ванны получается металл шва 4.
Металл шва может образоваться только за счет переправле
Основы электрогазосварки
6
ния металла по кромкам 3 или дополнительного присадоч
ного металла, введенного в сварочную ванну.
Зона частично оплавившихся зерен металла на границе
кромки свариваемой детали и шва называется зоной плавле
ния; в этой зоне достигается межатомная связь. При этом
металл шва тесно соприкасается с металлом свариваемых ча
стей, а загрязнения, находившиеся на поверхностях свари
ваемых частей, всплывают наружу, образуя шлак.
Сущность сварки давлением (рис. 1.1, в) состоит в плас
тическом деформировании металла в месте соединения под
действием силы Р. Находящиеся на соединяемых поверхно
стях различные загрязнения вытесняются наружу, а поверх
ности свариваемых частей будут чистыми, ровными и сбли
женными по всему сечению на расстояние атомного
сцепления. Зона, в которой установилась межатомная связь,
называется зоной соединения. Ширина зоны соединения из
меряется десятками микрон.
Пластическую деформацию кромок деталей осуществить
легче, если нагревать место соединения. Источником тепла
(при сварке с местным нагревом) служат электрический ток,
газовое пламя, химическая реакция, механическое трение;
при сварке с общим нагревом — кузнечный горн, нагрева
тельная печь.
Рис. 1.1. Схема соединения деталей сваркой плавлением:
а — детали перед сваркой; б — детали после сварки;
в — сварка деталей пластическим деформированием
4
23
1
4
23
1
Р
б
а
в
Глава 1. Общие сведения о сварке
7
1.2. Классификация сварки
Процесс сварки делят на три класса (ГОСТ 1952174):
термический, термомеханический и механический.
Термический класс объединяет виды сварки, осуществля
емые плавлением металла. К этому классу относят все виды
дуговой, газовой, электрошлаковой, плазменной, электрон
нолучевой, лазерной, термитной и световой сварки.
Термомеханический класс включает виды сварки, осуще
ствляемые давлением с использованием тепловой энергии.
К этому классу относят все виды контактной, диффузионной,
высокочастотной и кузнечной сварки.
К механическому классу относятся виды сварки, выпол
няемые давлением с дополнительной механической энерги
ей. К этому классу относят холодную, ультразвуковую, маг
нитноимпульсную сварку и сварку трением и взрывом.
Многие из указанных видов сварки в свою очередь под
разделяются по различным техническим и технологическим
признакам. Например, дуговая сварка по техническим при"
знакам подразделяется в зависимости от способа защиты ме
талла в зоне сварки, от степени механизации видов дуговой
сварки, от непрерывности процесса и т.п.; по технологиче"
ским признакам — в зависимости от формы сварного соеди
нения, рода и полярности сварочного тока, вида плавяще
гося или неплавящегося электрода, характера воздействия
дуги на металл и т.п. Аналогично подразделяются по ука
занным признакам контактная, газовая и электрошлаковая
сварка. Такое подразделение процесса сварки предусмотре
но ГОСТ 260184 и др.
Специальные виды сварки применяют для выполнения
специфических сварочных работ. К их числу относятся элек
троннолучевая и разрезная виды сварки.
Электроннолучевая сварка (рис. 1.2) — сварка плавлени
ем, при которой используют энергию ускоренных электро
нов. Для получения сварочного луча электронов применя
ют электронную пушку.
Она состоит из вольфрамового или металлокерамическо
го катода, который размещен в фокусирующей головке, на
некотором расстоянии находится ускоряющий электрод
анод с отверстием. При пропускании переменного тока низ
кого напряжения нагретый катод эмитирует (испускает)
поток электронов, который, проходя через отверстие анода,
Основы электрогазосварки
8
приобретает мощное ускорение, а затем формируется маг
нитной линзой и отклоняющей магнитной системой, в ре
зультате чего образуется узкий уплотненный пучок электро
нов, направленных на небольшую площадку изделия.
Положительный потенциал анода достигает нескольких де
сятков тысяч вольт. При ударе о поверхность металла энер
гия электронов превращается в тепловую, проплавляя металл
узким швом. Сварку выполняют в вакууме, создаваемом в
специальной камере, куда помещают пушку и изделие; в ос
новном ее применяют для соединения тугоплавких, химиче
ски активных металлов.
Лазерная сварка основана на том, что при большом уси
лении световой луч способен плавить металл. Для получения
такого луча применяют устройства, называемые лазерами.
Схема действия рубинового лазера такова: искусственный
рубиновый кристалл расположен в кварцевой трубке, кото
рая представляет собой спиральную газоразрядную лампу,
наполненную газом ксеноном. При замыкании выключате
ля происходит разряд высоковольтного конденсатора и в
Рис 1.2. Электроннолучевая сварка:
1 — катод; 2 — фокусирующая головка; 3 — анод; 4 — поток
электронов; 5 — магнитная линза; 6 — магнитная система;
7 — пучок электронов; 8 — изделие
8
7
6
5
4
3
2
1
Глава 1. Общие сведения о сварке
9
кварцевой лампе появляется вспышка света, в результате
чего рубиновый кристалл испускает импульс мощного све
тового луча. Импульсы светового луча фокусируются и на
правляются в зону сварки. В фокусе луча возникает темпе
ратура, соизмеримая с температурой плавления металла.
При перемещении фокуса по разделке свариваемых кромок
происходит их оплавление и соединение.
Достоинством лазерной сварки является поверхностный
нагрев, вплоть до оплавления, конкретных участков метал
ла, что позволяет производить сварку металла больших тол
щин без разделки кромок, сварку внутренних трещин, не
выходящих на поверхность.
Контрольные вопросы
1.Что называется сваркой?
2.В чем заключается сущность сварки плавлением?
3.Как происходит сварка давлением?
4.Назовите виды сварки плавлением, давлением.
Основы электрогазосварки
10
Глава 2
СВАРОЧНАЯ ДУГА
2.1. Основные сведения о сварочной дуге
Сварочной дугой называется длительный электрический
разряд между двумя электродами в ионизированной смеси
газов и паров, характеризующийся высокой плотностью
тока и малым напряжением.
Под электрическим разрядом понимают прохождение
тока через газовую среду. Существует несколько форм или
видов электрического разряда: дуговой, тлеющий, искровой
и другие. Один разряд отличается от другого длительностью,
напряжением, силой тока и т. д.
В зависимости от материала и числа электродов, а также
способа включения электродов и заготовки в цепь электри
ческого тока различают следующие схемы дуговой сварки:
сварка неплавящимся (угольным или вольфрамовым) элект
родом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 2.1, а), при которой
соединение выполняется путем расплавления только основ
ного металла 3 либо с применением присадочного метал
ла 4; сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 ду
гой прямого действия 2 (рис. 2.1, б) с одновременным рас
плавлением основного металла 3 и электрода, который по
полняет сварочную ванну жидким металлом; сварка косвенной
дугой 5 (рис. 2.1, в), горящей между двумя, как правило, не
плавящимися электродами 1; при этом основной металл 3
нагревается и расплавляется теплотой столба дуги; сварка
трехфазной дугой 6 (рис. 2.1, г), при которой дуга горит меж
ду электродами 1, а также между каждым электродом и ос
новным металлом 3.
При применении постоянного тока различают сварку на
прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод
подключается к отрицательному полюсу и служит катодом,
во втором — к положительному и служит анодом.
Условия горения сварочной дуги. В обычных условиях газы
не проводят электрического тока. Для образования и под
Глава 2. Сварочная дуга
11
держания горения дуги необходимо иметь в пространстве
между электродами электрически заряженные частицы (по
ложительные и отрицательные ионы и электроны). Ионы в
газовом промежутке между электродами образуются в ре
зультате потери или присоединения к атомам электронов,
а электроны испускаются сильно нагретым катодом.
Процесс образования электрически заряженных частиц
в междуэлектродном пространстве называется ионизацией,
а энергия, затраченная на отрыв электрона от атома, а сле
довательно, и на образование положительного иона,— ра
ботой ионизации. Эта работа выражается в электронвольтах
(эВ) и называется потенциалом ионизации. Для отрыва
электрона от атома требуется сообщить ему некоторую энер
гию. Энергия, затраченная на сообщение электрону этой
скорости, носит название потенциала возбуждения и изме
ряется в эВ.
Величины потенциалов ионизации и возбуждения зависят
от природы атома и колеблются от 3,9 до 24,5 эВ. Наимень
шими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные
металлы (калий, кальций) и их соединения. Элементы, об
Рис. 2.1. Схемы дуговой сварки
1
3
5
3
2
4
1
3
2
1
6
3
1
г
в
б
а
Основы электрогазосварки
12
ладающие малыми потенциалами ионизации и возбужде
ния, вводят в состав электродных покрытий, так как они
способствуют устойчивому горению дуги. Это первое усло
вие устойчивого горения дуги. Второе условие — напряже
ние холостого хода источника питания должно быть боль
ше напряжения дуги.
Третье условие горения дуги — поддержание высокой
температуры нагрева катода. Эта температура зависит от ма
териала катода, состава газового промежутка между элект
родами, диаметра электрода и температуры окружающей
среды.
2.2. Строение сварочной дуги
В сварочной дуге дуговой промежуток разделяется на три
основные области: анодную, катодную и столб дуги. В про
цессе горения дуги на электроде и основном металле име
ются активные пятна, представляющие собой более нагре
тые участки электрода и основного металла, через которые
проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на ка
тоде, называется катодным, а пятно, находящееся на ано
де,— анодным.
Общая длина сварочной дуги (рис. 2.2) равна сумме длин
всех трех областей:
L
д
= L
к
+ L
c
+ L
a
,
где L
д
— общая длина сварочной дуги, см; L
к
— длина катод
ной области, равная примерно 10
—5
см; L
c
— длина стол
ба дуги, см; L
a
— длина анодной области, равная пример
но 10
–3
· 10
–4
см.
Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы
падений напряжений в отдельных областях дуги:
U
д
= U
к
+ U
c
+ U
a
,
где U
д
— общее падение напряжения на дуге, В; U
к
и U
а
—
падение напряжения в катодной и анодной областях, В;
U
c
— падение напряжения в столбе дуги, В.
Электрическая дуга — концентрированный источник теп
лоты с очень высокой температурой. Температура столба
дуги достигает 6000–7000 °С, а температура катодного и
анодного пятен стальных электродов — соответственно 2400
и 2600 °С.
Глава 2. Сварочная дуга
13
Дуга переменного тока не имеет выраженной катодной
и анодной областей, так как в течение одной секунды про
исходят многократное изменение направления тока и сме
на катода на анод и обратно. Падение напряжения дуги пе
ременного тока такое же, как дуги постоянного тока,
и составляет 16–30 В. Устойчивость горения и зажигания
дуги переменного тока хуже, чем дуги постоянного тока, так
как в начале и в конце каждого полупериода прохождения
тока дуга угасает, падает температура активных пятен и для
зажигания дуги вновь требуется повышенное напряжение.
Для улучшения условий горения дуги переменного тока
применяют покрытия, способствующие повышенной иони
зации. Большое значение при ручной дуговой сварке имеет
длина дуги. При длинной дуге увеличивается возможность
контакта столба дуги и расплавляемого металла с воздухом,
который вредно влияет на качество сварки, увеличивается
напряжение дуги. В зависимости от применяемых электро
дов устанавливают длину дуги, которую необходимо выдер
живать для получения качественного сварного шва.
Рис. 2.2. Схема распределения падений напряжений
в электрической дуге:
1 — изделие; 2 — столб дуги; 3 — электрод
d
э
d
к
d
с
L
с
U
д
U
а
U
с
U
к
d
а
L
а
L
к
2
1
3
Основы электрогазосварки
14
2.3. Статическая вольт5амперная
характеристика сварочной дуги
Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и
величины сварочного тока, называемую вольтамперной ха
рактеристикой сварочной дуги, можно описать уравнением
U
д
= а + bL
д
,
где а — сумма падений напряжения на катоде и аноде (а =
= U
к
+ U
а
); b — удельное падение напряжения в газовом
столбе, отнесенное к 1 мм длины дуги (величина b зави
сит от газового состава столба дуги); L
д
— длина дуги, мм.
При малых и сверхвысоких величинах тока U
д
зависит от
величины сварочного тока.
Статическая вольтамперная характеристика сварочной
дуги показана на рис. 2.3. В области I увеличение тока до
80 А приводит к резкому падению напряжения дуги, кото
рое обусловливается тем, что при маломощных дугах увели
чение тока вызывает увеличение площади сечения столба
дуги, а также его электропроводности. Форма статической
характеристики сварочной дуги на этом участке падающая.
Сварочная дуга, имеющая падающую вольтамперную ха
рактеристику, имеет малую устойчивость. В области II (80–
800 А) напряжение дуги почти не изменяется, что объясня
ется увеличением сечения столба дуги и активных пятен
пропорционально изменению величины сварочного тока,
поэтому плотность тока и падение напряжения во всех уча
стках дугового разряда сохраняются постоянными. В этом
Рис. 2.3. Статическая вольтамперная характеристика дуги (а)
и зависимость напряжения дуги U
д
от ее длины L
д
(б)
L
д
1
> L
д
2
> L
д
3
L
д
1
L
д
2
L
д
3
U, В
I, А
I, А
U, В
U
д
1
U
д
2
U
д
3
60
50
40
30
20
10
10
3
10
2
10
а
б
III
II
I
Глава 2. Сварочная дуга
15
случае статическая характеристика сварочной дуги жесткая.
Такая дуга широко применяется в сварочной технике: при
ручной дуговой сварке, автоматической под флюсом и га
зоэлектрической сварке неплавящимся электродом.
У дуги с жесткой характеристикой напряжение U
д
про
порционально ее длине L
д
и может быть рассчитано по при
веденной выше формуле, приняв а = 10 В, b = 2 В/мм для
стальных электродов.
При увеличении сварочного тока более 800 А (область
III) напряжение дуги снова возрастает. Это объясняется уве
личением плотности тока без роста катодного пятна, так как
поверхность электрода уже оказывается недостаточной для
размещения катодного пятна с нормальной плотностью
тока. Дуга с возрастающей характеристикой широко приме
няется при сварке под флюсом и в защитных газах.
2.4. Магнитное дутье и меры борьбы с ним
В сварочной дуге столб дуги можно рассматривать как
гибкий проводник, по которому проходит электрический
ток и который под действием электромагнитного поля мо
жет изменять свою форму. Если будут созданы условия для
взаимодействия электромагнитного поля, возникающего
вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными поля
ми, с собственным полем сварочной цепи, а также с ферро
магнитными материалами, то в этом случае наблюдается от
клонение дугового разряда от первоначальной собственной
оси. При этом иногда нарушается и сам процесс сварки. Это
явление получило название магнитного дутья.
Рассмотрим несколько примеров, показывающих воздей
ствие внешнего магнитного поля на сварочную дугу:
1. Если вокруг дуги создано симметричное магнитное
поле, то дуга не отклоняется, так как созданное поле ока
зывает симметричное действие на столб дуги (рис. 2.4, а).
2. На столб сварочной дуги действует несимметричное
магнитное поле, которое создается током, протекающим в
изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону,
противоположную токопроводу (рис. 2.4, б).
Существенное значение имеет и угол наклона электро
да, который также вызывает отклонение дуги. Сильным
фактором, действующим на отклонение дуги, являются фер
ромагнитные массы: массивные сварные изделия (ферро
Основы электрогазосварки
16
магнитные массы) имеют большую магнитную проницае
мость, чем воздух, а магнитные силовые линии всегда стре
мятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопро
тивление, поэтому дуговой разряд, расположенный ближе к
ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону.
Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно
устранить путем изменения места токоподвода, угла накло
на электрода, путем временного размещения ферромагнит
ного материала для создания симметричного поля и заме
ной постоянного тока переменным.
2.5. Перенос электродного металла
на изделие
При сварке плавящимся электродом на его конце под
действием высокой температуры происходят плавление ме
талла, образование капли, отрыв и перенос ее на изделие.
В зависимости от размера и скорости образования капель
можно различать капельный и струйный перенос (рис. 2.5).
При ручной сварке в виде капель переносится до 95% элек
тродного металла, остальные 5%— брызги и пары, значи
тельная часть которых осаждается на изделии. Диаметр ка
пель и скорость их образования зависят от вида дуговой
сварки, диаметра электрода, силы тока, длины дуги и дру
гих условий.
Рис. 2.4. Зависимость отклонения дуги от положения токопровода
б
а
Глава 2. Сварочная дуга
17
При переносе расплавленного металла действуют силы
тяжести, поверхностного натяжения, электромагнитного
поля и внутреннего давления газов.
Сила тяжести проявляется в стремлении капли под дей
ствием собственного веса переместиться вниз. При сварке
в нижнем положении сила тяжести играет положительную
роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в
вертикальном и особенно в потолочном положениях она
затрудняет процесс переноса электродного металла.
Сила поверхностного натяжения проявляется в стремле
нии жидкости уменьшить свою поверхность под действием
молекулярных сил, стремящихся придать ей такую форму,
которая обладала бы минимальным запасом энергии. Такой
формой является сфера. Поэтому сила поверхностного на
тяжения придает капле расплавленного металла форму шара
и сохраняет эту форму до момента соприкосновения ее с по
верхностью расплавленной ванны или отрыва капли от кон
ца электрода без соприкосновения, после чего поверхност
ное натяжение металла ванны «втягивает» каплю в ванну.
Сила поверхностного натяжения способствует удержанию
жидкого металла ванны при сварке в потолочном положе
нии и создает условия для формирования шва.
Сила электромагнитного поля заключается в том, что
электрический ток, проходя по электроду, образует вокруг
него магнитное силовое поле, которое оказывает на поверх
ность электрода сжимающее действие, стремящееся умень
Рис. 2.5. Процесс переноса электродного металла
на изделие при короткой дуге:
а — крупнокапельный, б — струйный; I–IV — последовательные
этапы процесса; d
к
— диаметр капли; d
э
— диаметр электрода
б
а
d
э
d
э
d
к
1
/
2
d
э
d
к
d
э
Основы электрогазосварки
18
шить поперечное сечение электрода. На твердый металл
магнитное силовое поле результирующего влияния оказать
не может, но действующее нормально к поверхности рас
плавленной капли, имеющей сферическую форму, оказыва
ет на нее значительное влияние. С увеличением количества
расплавленного металла на конце электрода под действием
сил поверхностного натяжения, а также сжимающих маг
нитных сил на участке между расплавленным и твердым
электродным металлом образуется перешеек (рис. 2.6). По
Рис. 2.6. Схема сжимающего действия
силовых магнитных линий на электрод
мере уменьшения сечения перешейка резко возрастает плот
ность тока и усиливается сжимающее действие магнитных
сил, стремящихся оторвать каплю от электрода. Магнитные
силы имеют минимальное сжимающее действие на шаровой
поверхности капли, обращенной к расплавленной ванне.
Это объясняется тем, что плотность тока в этой части дуги
и на изделии небольшая, поэтому сжимающее действие маг
нитного силового поля также небольшое. Вследствие этого
металл переносится всегда в направлении от электрода ма
лого сечения (стержня) к электроду большого сечения (из
делию). Следует отметить, что в образовавшемся перешей
ке вследствие увеличения сопротивления при прохождении
тока выделяется большое количество тепла, ведущее к силь
ному нагреву и кипению перешейка. Образовавшиеся при
этом перегреве пары металла в момент отрыва капли оказы
вают на нее реактивное действие — ускоряют ее переход в
ванну. Электромагнитные силы способствуют переносу ме
талла во всех пространственных положениях сварки.
Сила внутреннего давления газа возникает в результате хи
мических реакций, протекающих тем активнее, чем больше
будет перегрет расплавленный металл на конце электрода.
PP
Глава 2. Сварочная дуга
19
Исходными продуктами для образования реакций явля
ются газы, причем объем образующихся газов в десятки раз
превосходит объем участвовавших в реакции соединений.
Отрыв крупных и мелких капель от конца электрода про
исходит как следствие бурного кипения и удаления образо
вавшихся газов из расплавленного металла. Образование
брызг на основном металле также объясняется взрывообраз
ным дроблением капли, когда последняя переходит через ду
говой промежуток, так как в этот момент усиливается вы
деление из нее газов и некоторая часть капли вылетает за
пределы сварочной ванны. Сила внутреннего давления га
зов перемещает каплю от электрода к изделию.
Процессу переноса капель металла в дуге способствует га
зовое дутье, представляющее собой поток газов, направлен
ный вдоль дуги в сторону сварочной ванны. При сварке
электродом с толстым покрытием стержень электрода пла
вится быстрее и торец его оказывается в небольшом «чехоль
чатом» покрытии. Интенсивное газообразование в неболь
шом объеме «чехольчика» приводит к явлению газового
дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную
ванну.
Перенос металла каплями без замыкания ими дугового
промежутка происходит при сварке штучными покрытыми
электродами. В этом случае большинство капель заключе
но в оболочку из шлака, образовавшегося от плавления по
крытия. Так же переносится металл электрода в шов при
сварке порошковой проволокой и в защитном газе.
При струйном переносе образуются мелкие капли, кото
рые следуют одна за другой в виде непрерывной цепочки —
струи (см. рис. 2.5, б). Струйный перенос электродного ме
талла возникает при сварке проволокой малого диаметра с
большой плотностью тока. Например, при полуавтоматиче
ской сварке в аргоне проволокой диаметром 1,6 мм струй
ный перенос металла осуществляется при критическом токе
300 А. При сварке на токах ниже критического наблюдает
ся капельный перенос металла. Обычно струйный перенос
электродного металла приводит к меньшему выгоранию ле
гирующих примесей в сварочной проволоке и к повышен
ной чистоте металла капель и шва. Скорость расплавления
сварочной проволоки при этом увеличивается. Поэтому
струйный перенос электродного металла имеет преимуще
ства перед капельным. При сварке штучными электродами
Основы электрогазосварки
20
струйный перенос электродного металла невозможен ввиду
низкой плотности тока на электроде (10–20 А/мм
2
).
2.6. Тепловая характеристика дуги
Энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбар
дирующих катод и анод, превращается в тепловую энергию
электрической дуги. Суммарное количество теплоты Q (Дж),
выделяемое дугой на катоде, аноде и самим столбом дуги,
определяется по формуле
Q = IUt,
где I — сварочный ток, А; U — напряжение дуги, В; t — вре
мя горения дуги, с.
При питании дуги постоянным током наибольшее коли
чество теплоты выделяется в зоне анода (42–43%). Это
объясняется тем, что анод подвергается более мощной бом
бардировке заряженными частицами, чем катод, а при стол
кновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля об
щего количества теплоты.
При сварке угольным электродом температура в катод
ной зоне достигает 3200 °С, в анодной — 3900 °С, а в столбе
дуги среднее значение температуры составляет 6000 °С. При
сварке металлическим электродом температура катодной
зоны составляет около 2400 °С, а анодной — 2600 °С.
Разная температура катодной и анодной зон, а также и
разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах, ис
пользуются при решении технологических задач. При сварке
деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева
кромок, применяют прямую полярность, при которой анод
(плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали,
а катод (минусовая клемма источника тока) — к электроду.
При сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конст
рукций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержа
веющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.), применя
ют сварку постоянным током обратной полярности. В этом
случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод —
к электроду. При этом не только обеспечивается относитель
но меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется про
цесс расплавления электродного материала за счет более вы
сокой температуры анодной зоны и большего подвода
теплоты.
Глава 2. Сварочная дуга
21
При питании дуги переменным током различие темпера
тур катодной и анодной зон и распределение теплоты сгла
живаются вследствие периодической смены катодного и
анодного пятен с частотой, равной частоте тока.
Практика показывает, что в среднем при ручной сварке
только 60–70% теплоты дуги используется на нагревание и
плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается
в окружающую среду через излучение и конвекцию.
Количество теплоты, используемое на нагрев и плавку
свариваемого металла в единицу времени, называется эф
фективной тепловой мощностью дуги q. Она равна полной
тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный ко
эффициент полезного действия нагрева металла дугой :
q = 0,24I · U
д
· ,
где I — величина сварочного тока, А; U
д
— напряжение дуги, В.
Коэффициент полезного действия зависит от способа свар
ки, материала электрода, состава электродного покрытия и
других факторов. При ручной дуговой сварке электродом
с тонким покрытием или угольным электродом он состав
ляет 0,5–0,6, а при качественных электродах — 0,7–0,85.
При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и
составляют 0,5–0,6. Наиболее полно используется теплота
при сварке под флюсом.
Для характеристики теплового режима процесса сварки
принято определять погонную энергию дуги, т.е. количество
теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроход
ного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна от
ношению эффективной тепловой мощности к скорости
сварки
8
71
8
G
´ ,
где V — скорость сварки, см/с.
Величина погонной энергии необходима для определе
ния рационального режима легированных термообрабаты
ваемых сталей.
Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют
примерно 25%, из которых 20% уходят в окружающую сре
ду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а ос
тальные 5%— на угар и разбрызгивание свариваемого ме
талла. Потери теплоты при автоматической сварке под
флюсом составляют только 17%, из которых 16% расходу
0,24
Основы электрогазосварки
22
ются на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание за
трачивается около 1% теплоты.
Производительность сварки в значительной степени за
висит от скорости расплавления электродного металла, ко
торая оценивается коэффициентом расплавления:
J1
/
F
F
, г/А·ч,
где p
— коэффициент расплавления; G
р
— масса электрод
ного металла, расплавленного за время t, г; t — время го
рения дуги, ч; I — сварочный ток, А.
Коэффициент расплавления зависит от состава проволо
ки и покрытия электрода, веса покрытия, а также рода и по
лярности тока.
При обратной полярности коэффициент расплавления
больше, чем при прямой полярности, так как на аноде выде
ляется больше теплоты и температура анода выше, чем у ка
тода. Состав покрытия и его толщина влияют на коэффици
ент расплавления. Это объясняется, во"первых, значением
эффективного потенциала ионизации газов; во"вторых, из
менением баланса теплоты дугового промежутка. Коэффи
циент расплавления при ручной дуговой сварке составляет
6,5–14,5 г/(А·ч). Меньшие значения имеют электроды с тон
ким покрытием, а большие — электроды с толстым покры
тием.
Для оценки скорости сварки шва пользуются коэффици
ентом наплавки. Этим коэффициентом оценивают количе
ство электродного металла, введенного в свариваемый шов:
J1
/
, г/А·ч,
где н
— коэффициент наплавки; G
н
— масса металла, на
плавленного за время t, г (с учетом потерь).
Коэффициент наплавки зависит от рода и полярности
тока, типа покрытия и состава проволоки, а также от про
странственного положения, в котором выполняют сварку.
Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплав
ления на величину потерь электродного металла изза угара
и разбрызгивания:
Глава 2. Сварочная дуга
23
`
F
F
/
//
,
где — коэффициент потерь; G
н
— масса наплавленного
металла, г; G
р
— масса расплавленного металла, г.
Коэффициент потерь зависит не только от состава про
волоки и ее покрытия, но также и от режима сварки и типа
сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при
увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько
меньше при сварке втавр, с разделкой кромок, чем при на
плавке.
Потери при ручной сварке достигают 25–30%; при ав
томатической сварке под флюсом потери составляют толь
ко 2–5% от количества расплавленного электродного метал
ла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести
расчет необходимого количества электродного металла для
сварки шва установленного сечения и определить скорость
сварки шва.
Величина коэффициента наплавки указывается в паспорт
ных данных на каждой пачке электродов, что позволяет оце
нивать производительность процесса сварки при выборе той
или иной марки электрода.
Контрольные вопросы
1.Что называется сварочной дугой?
2.Какие основные виды сварочных дуг вы знаете?
3.Объясните строение сварочной дуги.
4.Что называют ионизацией?
5.Как возникает электрическая сварочная дуга?
6.Что такое вольт"амперная характеристика дуги?
7.Как происходит перенос металла электрода в сварочную
ванну?
8.Что характеризуют коэффициенты расплавления и на"
плавки металла?
9.Как определить коэффициенты расплавления, наплавки
и потерь?
10.Что называется погонной энергией?
100
Основы электрогазосварки
24
Глава 3
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
3.1. Условия устойчивого горения дуги
Важным условием получения сварного шва высокого ка
чества является устойчивость процесса сварки. Для этого ис
точники питания дуги должны обеспечить возбуждение и
стабильное горение дуги.
Эти условия процесса сварки и определили требования,
предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Для
обеспечения устойчивого процесса сварки источники пита
ния дуги должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Напряжение холостого хода должно быть в 2–3 раза
выше напряжения дуги. Это необходимо для легкого зажи
гания дуги; в то же время оно должно быть безопасным для
сварщика при условии выполнения им необходимых правил.
Напряжение холостого хода обычно равно 50–70 В. Государ
ственный стандарт устанавливает максимальное напряжение
холостого хода не более 80 В для источников питания пере
менного тока и 90 В для постоянного тока.
2. Сила тока при коротком замыкании должна быть ог
раничена. Нормальный процесс дуговой сварки обеспечи
вается, если
```
1
1
,
где I
к.з
— сила тока короткого замыкания; I
св
— сила свароч
ного тока.
В некоторых случаях это отношение может достигать 2.
3. Изменения напряжения дуги, происходящие вследствие
изменения ее длины, не должны вызывать существенного
изменения силы сварочного тока, а следовательно, измене
ния теплового режима сварки.
к.з
св
1,1 1,5,
I
I
Глава 3. Источники питания для дуговой сварки
25
4. Время восстановления напряжения от 0 до 25 В после
короткого замыкания не должно превышать 0,05 с, что по
зволит обеспечить устойчивость дуги.
5. Источник питания должен иметь устройство для регу
лирования силы сварочного тока. Пределы регулирования
тока должны быть (приблизительно) от 30 до 130% к номи
нальному сварочному току. Это необходимо для того, что
бы от одного источника питания производить сварку элек
тродами разных диаметров.
Источники тока для питания сварочной дуги должны
иметь специальную внешнюю характеристику. Внешней ха
рактеристикой источника называется зависимость напряже
ния на его выходных клеммах от тока в электрической цепи.
Внешние характеристики (рис. 3.1) могут быть следующих
основных видов: крутопадающая — 1, пологопадающая — 2,
жесткая — 3 и возрастающая — 4. Источник тока выбирают
в зависимости от вольтамперной характеристики дуги, со
ответствующей принятому способу сварки.
Рис. 3.1. Внешние характеристики источников сварочного тока
I
U
4
3
2
5
1
Источники сварочного тока с крутопадающей характери
стикой (1, 2) необходимы для облегчения зажигания дуги за
счет повышенного напряжения холостого хода и обеспече
ния устойчивого горения дуги при колебаниях ее длины.
Они используются для ручной дуговой сварки и сварки под
флюсом.
Оптимальным для этих условий горения сварочной дуги
является источник тока с идеализированной внешней харак
теристикой 5. Такую характеристику имеют источники тока
на основе применения полупроводниковых тиристорных
схем.
Основы электрогазосварки
372
Оглавление
Введение.............................................................................3
Глава 1. Общие сведения о сварке......................................5
1.1. Физические основы получения
сварного соединения.................................................5
1.2. Классификация сварки.............................................7
Глава 2. Сварочная дуга....................................................10
2.1. Основные сведения о сварочной дуге....................10
2.2. Строение сварочной дуги........................................12
2.3. Статическая вольтамперная характеристика
сварочной дуги........................................................14
2.4. Магнитное дутье и меры борьбы с ним.................15
2.5. Перенос электродного металла на изделие...........16
2.6. Тепловая характеристика дуги................................20
Глава 3. Источники питания для дуговой сварки.............24
3.1. Условия устойчивого горения дуги........................24
3.2. Сварочные трансформаторы...................................29
3.3. Сварочные выпрямители........................................36
3.3.1. Однопостовые сварочные выпрямители......37
3.3.2. Многопостовые сварочные выпрямители....43
3.4. Сварочные инверторы.............................................44
3.5. Сварочные агрегаты................................................53
3.6. Правила эксплуатации источников
сварочного тока.......................................................57
Глава 4. Металлургические процессы при сварке............60
4.1. Особенности металлургии сварки..........................60
4.2. Взаимодействие расплавленного
при сварке металла с газами...................................61
4.3. Взаимодействие металла
со шлаком и газами.................................................63
4.4. Структура сварных соединений..............................66
Оглавление
373
4.5. Свариваемость и причины возникновения
трещин в стали........................................................69
Глава 5. Электроды для дуговой сварки стали.................76
5.1. Назначение покрытых
металлических электродов......................................76
5.2. Проволока стальная сварочная..............................77
5.3. Порошковая проволока..........................................80
5.4. Электроды для ручной дуговой сварки..................81
5.5. Классификация стальных
покрытых электродов..............................................87
5.6. Технологические свойства электродов...................94
Глава 6. Сварные соединения и швы................................98
6.1. Виды сварных соединений.....................................98
6.2. Классификация сварных швов.............................104
6.3. Условные обозначения швов
сварных соединений.............................................106
Глава 7. Сварочные напряжения и деформации.
Термическая обработка сварных швов........................111
7.1. Причины возникновения
напряжений и деформаций..................................111
7.2. Методы борьбы со сварочными деформациями
и напряжениями....................................................112
7.3. Термическая обработка сварных соединений.....117
7.3.1. Влияние термической обработки
на качество сварных соединений
и ее виды........................................................117
7.3.2. Аппаратура термической обработки............120
7.3.3. Предварительный и сопутствующий
нагрев сварных деталей.................................123
Глава 8. Посты для ручной дуговой сварки....................125
8.1. Сварочный пост для ручной дуговой сварки
плавящимся электродом.......................................125
8.2. Принадлежности и инструмент сварщика...........128
Глава 9. Технология ручной дуговой сварки...................133
9.1. Подготовка металла под сварку............................133
Основы электрогазосварки
374
9.2. Сборка сварного соединения...............................134
9.3. Основные параметры режима
ручной дуговой сварки..........................................142
9.4. Сварка в различных
пространственных положениях............................145
9.5. Сварка стыковых швов..........................................152
9.6. Сварка металла большой толщины......................153
9.7. Сварка угловых швов............................................155
9.8. Сварка тонколистового металла...........................156
9.9. Сварка сталей ручной дуговой сваркой...............157
Глава 10. Механизированная сварка под флюсом..........162
10.1. Сущность процесса..............................................162
10.2. Сварочные материалы.........................................164
10.3. Оборудование для механизированной
сварки под флюсом.............................................167
10.4. Технология механизированной
сварки под флюсом.............................................179
10.4.1. Техника выполнения механизированной
сварки под флюсом....................................185
10.4.2. Сварка углеродистых и легированных
сталей под флюсом.....................................189
10.5. Электрошлаковая сварка.....................................193
10.5.1. Сварочные материалы и оборудование......195
10.5.2. Технология основных способов ЭШС.......197
Глава 11. Дуговая сварка в защитных газах...................201
11.1. Сущность сварки в защитных газах....................201
11.1.1. Сварочные материалы.................................205
11.1.2. Оборудование для сварки
в защитных газах..........................................207
11.1.3. Технология сварки в защитных газах.........213
11.1.4. Аргонодуговая сварка..................................215
11.2. Сварка в среде углекислого газа.........................219
11.2.1. Сущность способа.......................................219
11.2.2. Технология и техника сварки
в среде углекислого газа..............................221
Оглавление
375
11.2.3. Сварка сталей в среде углекислого газа.....226
11.3. Сварка порошковой проволокой
и проволокой сплошного сечения
без дополнительной защиты дуги......................228
11.3.1. Сущность сварки порошковой
проволокой...................................................228
11.3.2. Техника и технология
полуавтоматической сварки
порошковой проволокой.............................229
11.4. Сварка и обработка материалов
плазменной струей..............................................232
Глава 12. Газовая сварка и резка металлов....................238
12.1. Аппаратура для газовой сварки..........................238
12.2. Горелки для газопламенной обработки..............247
12.3. Газы для сварки и резки металлов......................250
12.4. Технология газовой сварки.................................252
12.4.1. Сварочное пламя.........................................253
12.4.2. Технология сварки.......................................255
12.5. Кислородная резка металлов..............................261
12.6. Аппаратура и машины
для кислородной резки.........................................263
12.6.1. Резаки для кислородной резки...................263
12.6.2. Установки для кислородной резки.............268
12.6.3. Машины для кислородной резки...............270
12.7. Техника и технология кислородной резки.........272
12.8. Ручная кислородная резка..................................275
12.9. Машинная разделительная
кислородная резка................................................278
12.10. Поверхностная кислородная резка...................279
Глава 13. Сварка чугуна..................................................280
13.1. Применение чугуна.............................................280
13.2. Особенности сварки чугуна................................281
13.2.1. Горячая сварка.............................................282
13.2.2. Холодная сварка..........................................284
Основы электрогазосварки
376
Глава 14. Сварка цветных металлов...............................287
14.1. Сварка титана и его сплавов...............................287
14.2. Сварка алюминия и его сплавов.........................289
14.3. Сварка меди и ее сплавов...................................292
Глава 15. Сварка давлением...........................................296
15.1. Электрическая контактная сварка.
Сущность процесса..............................................296
15.2. Стыковая сварка..................................................297
15.3. Точечная сварка...................................................300
15.4. Шовная сварка.....................................................302
15.5. Оборудование для контактной сварки...............304
Глава 16. Наплавочные работы......................................308
16.1. Виды и назначение наплавки.............................308
16.2. Технология наплавки...........................................309
16.3. Ручная дуговая наплавка.....................................311
16.4. Наплавка под флюсом.........................................314
16.5. Наплавка в среде углекислого газа.....................318
16.6. Вибродуговая наплавка.......................................320
16.7. Плазменная наплавка..........................................321
Глава 17. Дуговая резка металлов и их сплавов.............324
17.1. Воздушнодуговая резка......................................324
17.2. Кислороднодуговая резка..................................328
17.3. Плазменная резка................................................329
Глава 18. Механизация и автоматизация сварочных
процессов...................................................................335
18.1. Механизация сборочных работ...........................336
18.2. Автоматизация процесса сварки........................337
18.3. Устройство и характеристика
сборочносварочных установок, поточных
автоматизированных линий................................342
Глава 19. Контроль качества сварки...............................345
19.1. Контроль качества исходных материалов..........345
19.2. Контроль сборки..................................................347
Оглавление
377
19.3. Контроль технологического процесса сварки...347
19.4. Проверка качества сварки в готовом изделии...348
19.4.1. Классификация дефектов...........................348
19.4.2. Методы устранения дефектов
сварных швов...............................................353
19.5. Методы неразрушающего контроля
сварных швов.......................................................353
Глава 20. Безопасность труда при сварке
и резке металлов........................................................360
Введение.......................................................................360
20.1. Общие требования безопасности.......................360
20.2. Электробезопасность при выполнении
сварочных работ...................................................362
20.3. Техника безопасности при газовой сварке
и резке..................................................................367
20.4. Требования безопасности в аварийных
ситуациях.............................................................368
20.5. Противопожарные мероприятия........................369
Литература......................................................................371
Основы электрогазосварки
378
Герасименко Александр Иванович
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОГАЗОСВАРКИ
Учебное пособие
Ответственный редактор В.Кузнецов
Технический редактор Г. Логвинова
Подписано в печать 10.08.2012.
Формат 84х108 1/32. Бумага тип №2. Гарнитура NewtonC.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 20,16. Тираж 2500 экз.
Заказ № 218
ООО «Феникс»
344082, г. РостовнаДону, пер. Халтуринский, 80.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ЗАО «Книга»
344019, г. РостовнаДону, ул. Советская, 57.
Серия
«Начальное профессиональное образование»
Автор
phoenixbooks
Документ
Категория
Методические пособия
Просмотров
6 181
Размер файла
193 Кб
Теги
phoenixbooks, www, www.phoenixbooks.ru, Книги издательства Феникс
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа