МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

к практической работе № 3

На тему:   ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС  РУЧНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

 

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы - изучить конструкцию и принцип действия сварочных аппаратов для ручной дуговой сварки. Освоить навыки выбора сварочного оборудования, электродов и параметров режима сварки.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. ПЛАВЯЩИЕСЯ И НЕПЛАВЯЩИЕСЯ ЭЛЕКТРОДЫ, ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ, ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА ЭЛЕКТРОДА

Дугой называют мощный устойчивый электрический разряд в ионизированной газовой среде между электродом и изделием.

В зависимости от того, в какой среде происходит горение электрической дуги, различают:

• • открытую дугу, горящую на воздухе (состав газовой среды в зоне дуги - воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий);
• • закрытую дугу, горящую под слоем флюса (пары основного металла, проволоки и защитного флюса)',

•          электрическую дугу, горящую в среде защитных газов (атмосфера защитного газа, пары основного металла и сварочной проволоки).

Как показано на рис. 1, сварку можно вести плавящимся (металлическим) электродом или с использованием неплавящегося ( угольного или вольфрамового) электрода.

Между торцом неплавящегося электрода и свариваемым изделием горит электрическая дуга. Присадочный металл вводится в зону горения сварочной дуги дополнительно. Он расплавляется и формирует сварной шов. Плавящийся электрод сочетает функции неплавящегося электрода и присадочного металла.

При электрической дуговой сварке электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая концентрированно вводится в свариваемые заготовки и оплавляет их в месте соединения.

Полная тепловая энергия, выделяемая при горении сварочной дуги

                                                                                                         (1)

где  - сила сварочного тока, А; U - напряжение сварочной дуги, В; - время сварки, с.

Однако не вся тепловая энергия, выделяющаяся при горении сварочной дуги, расходуется на нагрев и расплавление основного металла и электрода. Часть тепловой энергии расходуется на плавление отдельных компонентов покрытия и образование газов, а часть тепловой энергии рассеивается в окружающей среде.

Эффективной тепловой энергией называют полезно используемую при сварке теплоту

                                                                                                 (2)

где η - коэффициент полезного использования тепловой энергии сварочной дуги.

Коэффициент полезного использования тепловой энергии сварочной дуги т) зависит от конкретных условий сварки. Так, при ручной дуговой сварке величина этого коэффициента может колебаться в пределах η = 0,6...0, 82.

В процессе сварки плавящиеся электроды нагреваются двумя источниками:

• тепловой энергией сварочной дуги Qэфф;
• теплотой, выделяющейся при протекании электрического тока на вылете электрода ( длина электрода от электродержателя до конца электрода) Q.

Тепло, выделяемое на. вылете электрода Q, рассчитывается по закону Джоуля-Ленца

Дж                                                                                                         (3)

где R - сопротивление вылета электрода, ом. Сопротивление вылета электрода , ом , где ρ - удельное сопротивление, ом·см; l_выл - длина вылета электрода, мм; S - площадь поперечного сечения электрода, мм².

1.2. СВАРОЧНЫЕ АППАРАТЫ И ИХ ВНЕШНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Дуговую сварку плавлением выполняют постоянным или переменным током (рис. 2...4).

Для сварки переменным током (рис. 2) применяют сварочные трансформаторы. Трансформатор понижает напряжение сети с 380В или 220 В до 70...80 В и менее, одновременно увеличивая силу тока до нужного значения. Для регулирования силы тока используют регуляторы. Они либо выполнены отдельно от трансформатора (см. рис. 2), либо совмещены с трансформатором (см. рис. 6, 7). Амперметр и вольтметр показывают величину силы тока и напряжения при сварке.

Для сварки постоянным током применяют сварочные преобразователи (рис. 3), сварочные агрегаты или сварочные выпрямители (рис. 4). Регуляторы силы тока и здесь выполняют свою роль.

Сварочные преобразователи имеют электрический привод -электродвигатель переменного тока. Вал электродвигателя соединен с валом генератора, который преобразует механическую энергию в постоянный электрический ток. В сварочных агрегатах вал генератора вращается двигателем внутреннего сгорания.

Там, где есть сетевая электроэнергия, используют сварочный преобразователь (электродвигатель + генератор). В полевых условиях, где нет сетевой электроэнергии, используют сварочный агрегат (карбюраторный или дизельный двигатель + генератор).

В настоящее время на многих предприятиях сварочные преобразователи заменяют выпрямителями, так как последние во время работы не шумят и у них больше коэффициент полезного действия. В выпрямительных установках переменный ток с выхода понижающего трансформатора подают на выпрямитель. При сварке постоянным током обеспечивается высокая стабильность горения сварочной дуги и качество сварного соединения. Поэтому высоколегированные стали, из которых изготавливают ответственные конструкции сваривают с использованием постоянного тока.

Основным недостатком сварки постоянным током является меньший, по сравнению со сваркой переменным током, коэффициент полезного действия. Сварочный генератор постоянного тока, вырабатывающий сварочный ток, необходимо приводить в движение электрическим двигателем переменного тока (сварочный преобразователь) или двигателем внутреннего сгорания (сварочный агрегат}. В обоих случаях будут потери на трение движущихся деталей и потери в обмотках электрических машин. Оборудование для сварки постоянным током конструктивно сложнее и стоит дороже.

При ручной дуговой сварке используют источники тока с крутопадающей внешней характеристикой (рис. 5). Внешней вольтамперной характеристикой называют зависимость напряжения на клеммах источника оттока нагрузки.

К источникам тока для ручной дуговой сварки предъявляют следующие требования:

• напряжение холостого хода должно обеспечивать надежное зажигание сварочной дуги, а также отвечать правилам техники безопасности (не должно превышать Uхх = 80 В);
• ток короткого замыкания должен быть ограничен;
• внешняя вольтамперная характеристика источника тока должна быть крутопадающей для ограничения токов короткого замыкания и повышения стабильности горения сварочной дуги;
• источник тока должен быть надежным и простым в эксплуатации.

При малых значениях тока короткого замыкания затрудняется зажигание дуги, а при больших его значениях увеличивается перегрев токоведущих частей и электрода, возрастают потери металла на разбрызгивание. Поэтому у источников тока для ручной дуговой сварки отношение тока короткого замыкания Iкз и сварочного тока Iсв должно изменяться в следующих пределах

                                                                                                             (4)

Длину дуги поддерживают вручную. Поэтому в процессе сварки возможно изменение ее длины из-за непроизвольных движений руки сварщика. Источник сварочного тока должен обеспечить устойчивое горение сварочной дуги при изменении ее длины.

Дуга переменного тока зажигается и гаснет 100 раз в секунду. Поэтому для интенсивного первоначального и повторного зажигания дуги при проектировании источников сварочного тока обеспечивают условие

                         (6)

Напряжение холостого хода у разных сварочных аппаратов Uхх = 40...80 В. У сварочных аппаратов постоянного тока напряжение холостого хода и рабочее напряжение ниже, чем у трансформаторов благодаря более высокой устойчивости горения сварочной дуги постоянного тока. Более низкое напряжение уменьшает вероятность поражения сварщика электрическим током.

При слишком короткой дуге возможно возникновение режима короткого замыкания и приваривание электрода к изделию. При слишком длинной дуге происходит ее обрыв из-за недостатка подводимой энергии.

При чрезмерно большом токе короткого замыкания возможен пробой и повреждение изоляции обмоток источника сварочного тока.

При прохождении большого тока по электроду, он сильно нагревается по всей длине. При этом может растрескаться и осыпаться электродное покрытие. Тогда будет затруднено повторное зажигание дуги.

1.3. КОНСТРУКЦИЯ СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

 Пределы регулирования сварочного тока Iсв трансформатора ТД-300 составляют 60...400 А. Напряжение холостого хода 61 и 79 В. Рабочее напряжение равно 30 В.

Основными элементами сварочного трансформатора (рис. 6, 7) являются:

• сердечник (магнитопровод);
• неподвижные катушки с первичной обмоткой;
• подвижные катушки со вторичной обмоткой.

Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичными и вторичными катушками благодаря подвижным вторичным катушкам.

Катушки первичной обмотки неподвижны. Катушки вторичной обмотки лежат на большой плоской гайке. При вращении рукоятки, соединенный с ней винт вкручивается в эту гайку. Винт через упорный подшипник связан с корпусом трансформатора. При вращении рукоятки винта гайка поднимается или опускается по винту вместе с вторичной обмоткой. Происходит плавное изменение силы сварочного тока.

При увеличении расстояния между обмотками уменьшается магнитный поток, пронизывающий вторичную катушку. Чем больше зазор, тем большая часть магнитного потока теряется за счет рассеивания впространстве. Поэтому сварочный ток уменьшается. Уменьшение расстояния между обмотками приводит к увеличению тока.

1.4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Действие сварочного трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

 Режим холостого хода трансформатора (рис. 8) устанавливают при разомкнутой вторичной обмотке в момент подключения первичной обмотки к сети переменного тока с напряжением U₁. При этом по первичной обмотке идет ток I₁, который создает переменный магнитный поток Ф₁. Этот поток индуцирует во вторичной обмотке переменное напряжение U₂. Поскольку цепь вторичной обмотки разомкнута, то ток в ней не идет I₂ = 0 и никаких затрат энергии во вторичной цепи нет. Поэтому вторичное напряжение на холостом ходе максимально и эту величину называют напряжением холостого хода U₂ = Uхх.

Отношение напряжений первичной и вторичной обмоток при холостом ходе называют коэффициентом трансформации К. Он также равен отношению чисел витков первичной обмотки w₁ и вторичной обмотки w₂.

                                                                                                          (6)

В сварочных трансформаторах сетевое напряжение 220 В или 380 В преобразуется в более низкое напряжение холостого хода U₂= Uхх = 60...80В,

Режим нагрузки (см. рис. 8) устанавливают благодаря замыканию цепи вторичной обмотки в момент зажигания дуги. При этом под действием напряжения U₂во вторичной обмотке и дуге появляется ток I₂ = Iсв. Этот ток в сердечнике создает переменный магнитный поток, который стремится уменьшить величину потока, создаваемого первичной обмоткой Фк Противодействуя этому, сила тока в первичной обмотке увеличивается. Увеличение потребления энергии в первичной обмотке должно быть равно увеличению отдачи энергии дуге вторичной обмоткой в соответствии с законом сохранения энергии.

Напряжение во вторичной обмотке трансформатора при нагрузке равно

U₂ = Uд + Iсв·X_L,                                                                                                                  ( 7 )

где Uд - падение напряжения на дуге; X_L - индуктивное сопротивление сварочного контура.

Омическое сопротивление сварочного контура R, включая вылет электрода, значительно меньше индуктивного сопротивления Х_L. По этой причине при расчете U₂ величиной R пренебрегаем.

Часть магнитного потока Фр по пути от первичной обмотки ко вторичной рассеивается в пространстве. Магнитный поток рассеивания тем больше, чем больше расстояние между обмотками (см. рис. 7 и 8). В результате вторичную обмотку пронизывает магнитный поток Ф₂. Падающая внешняя вольтамперная характеристика сварочного трансформатора получается благодаря изменению величины рассеивания магнитного потока Фр.

 При этом напряжение дуги Uд уменьшается Uд = U₂^- Iсв·X_L при увеличении силы сварочного тока Iсв и индуктивного сопротивления X_L.

Как показано на рис. 9, регулировать трансформатор можно:

• изменяя индуктивное сопротивление сварочного трансформатора X_L
• измененяя напряжение холостого хода Uхх.

Первый способ более распространен и позволяет плавно регулировать сварочный ток. Второй способ применяют как дополнительный. Как правило трансформатор имеет одну или две фиксированные величины Uхх и U'хх. U'хх получают, устанавливая дополнительные секции в первичной или вторичной обмотках. При величине напряжения холостого хода U'хх, как и при Uхх можно плавно регулировать индуктивное сопротивление Х_L, а следовательно сварочный ток Iсв и ток короткого замыкания Iкз.

Плавное двухдиапазонное регулирование тока позволяет уменьшить массу и габариты трансформатора. Для получения диапазона больших токов обе катушки первичной и вторичной обмоток включаются попарно параллельно, как показано на рис. 6. Для получения диапазона малых токов катушки первичной и вторичной обмоток включаются последовательно.

Регулирование сварочного тока Iсв (как и Iкз ) при постоянном напряжении холостого хода трансформатора Uхх возможно только за счет изменения индуктивного сопротивления.

В существующих конструкциях трансформаторов регулирование индуктивного сопротивления вторичной цепи может быть выполнено:

• изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками;
• изменением зазора магнитопровода дросселя, выполненного отдельно от трансформатора.

Первый вариант интересен простой и надежной конструкцией. Однако если сваривать необходимо на расстоянии 10...40 метров от трансформатора, то отдельный регулятор будет всегда под рукой у сварщика. Он весит значительно меньше трансформатора. Поэтому его легче перемещать.

При коротком замыкании  электрод касается изделия Кд = 0. Напряжение во вторичной обмотке U₂ = Iкз • X_L.

Отсюда

Iкз = U₂/Х_L                                                                                                                (8).

Следовательно регулирование тока короткого замыкания возможно только за счет изменения индуктивного сопротивления Х_L.

1.5. СТАЛИ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ

В сварных конструкциях автомобилей, строительных и дорожных машин широко используют конструкционные стали. Стали обладают различной свариваемостью.

Под термином "свариваемость металлов" обычно понимают комплекс свойств свариваемого металла, обеспечивающих хорошую прочность и работоспособность сварного соединения в условиях эксплуатации.

В процессе сварки некоторые стали склонны к образованию трещин в шве или в зонах, прилегающих к шву. Появление этих трещин обуславливается главным образом химическим составом и внутренней микроструктурой стали. Из основных химических элементов, входящих в состав сталей, наибольшее влияние на образование трещин оказывает углерод. Поэтому в сварных конструкциях используют стали с содержанием углерода не более 0,3%.

Легирующие компоненты, вводимые в  сталь  в   небольших количествах, например молибден - 0,2...0,8%, ванадий - 0,1...0,3% и другие, наряду с улучшением механических свойств стали повышают ее свариваемость. Вредные примеси - сера и фосфор, а также оксидные включения и растворенные газы (водород, кислород и азот), ухудшают свариваемость стали.

На образование трещин влияет не только химический состав и структура стали, но также тип конструкции и характер соединения ее узлов.

В вариантах задания (глава 7) предусмотрено пять групп сталей:

• низкоуглеродистые конструкционные стали обыкновенного качества;
• качественные низкоуглеродистые  конструкционные стали;
• низколегированные конструкционные стали;
• легированные жаропрочные стали;
• легированные коррозионностойкие стали.

Обозначение низкоуглеродистой стали начинается со слова Сталь (Сталь 15, Сталь 20 - качественные стали) или начальных букв слова Сталь (Ст 1, Ст2, Ст 3, Ст 4 - стали обыкновенного качества).

Чем больше цифра в обозначении конструкционной низкоуглеродистой стали обыкновенного качества (Ст 1, Ст2, Ст 3, Ст4), тем выше содержание углерода.

Цифра в обозначении качественной низкоуглеродистой конструкционной стали показывает содержание углерода в сотых долях процента. Например Сталь 10 содержит 0,10% углерода. В табл. 1 приведены условные обозначения легирующих элементов в марках сталей и марках сварочных проволок.

В обозначении легированных сталей, например 09Г2Д цифры 09 показывают содержание углерода в сотых долях процента -

0,09% С. Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: Г - марганец; Д - медь. Цифра после буквы указывает содержание легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры указывает на содержание элемента менее 1%.

 

Таблица 1.

Условные обозначения легирующих элементов в марках сталей и марках сварочных проволок

Элемент	Обозначение		Элемент	Обозначение
Ниобий Вольфрам Марганец	NЬ W Мn	Б В Г	Бор Кремний Титан	В Si Тi	Р С Т
Медь Кобальт	Сu Сo	Д К	Ванадий Хром	V Cr	Ф X
Молибден Никель	Мо Ni	М Н	Цирконий Алюминий	Zr Аl	Ц Ю

Исследования и опыт применения сварки в промышленности позволяют оценить с некоторым приближением каждую марку стали с точки зрения свариваемости как весьма высокую, высокую, удовлетворительную и низкую. Эти оценки приводятся в справочной литературе.

В индивидуальных заданиях на практическую работу стали, из которых предложено изготовить ванну обладают весьма высокой и высокой свариваемостью.

1.6, ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Плавящийся электрод для ручной дуговой сварки представляет собой стержень из сварочной проволоки, на который нанесено электродное   покрытие   (обмазка).   Промышленность   выпускает достаточно большое число марок сварочной проволоки диаметром от 1,6 до 12 мм для изготовления электродов. Длина электродов составляет 150...450 мм. Наиболее часто используют электроды длиной 350_Г 400 и 450 мм и диаметром 3,4 и 5 мм. Металл электрода и   элементы   электродного   покрытия   участвуют   в формировании сварного шва.

Электродное покрытие.

• обеспечивает устойчивое горение дуги;
• восстанавливает окисляющийся в процессе сварки металл;
• легирует сварной шов необходимыми элементами;
• защищает зону сварки от попадания кислорода, водорода и азота из окружающего воздуха;
• образует шлаковый покров на поверхности сварного шва, уменьшая тем самым скорость охлаждения и затвердевания металла шва.

Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик сварного соединения необходимо, чтобы химический состав сварного шва был близок к химическому составу свариваемой стали.

Поэтому для сварки стали определенного химического состава рекомендуется подобрать электроды с необходимым содержанием соответствующих легирующих элементов в сварочной проволоке (см. табл. 6).

Условное обозначение марки проволоки состоит из индекса Св - сварочная и следующих за ним цифр, показывающих содержание углерода в сотых долях процента и буквенных обозначений элементов, входящих в состав проволоки. Буква А в конце обозначения указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора.

Например Св-08ХМ для сварки конструкционных сталей содержит 0,08% углерода и менее 1 % хрома и молибдена. Св-04Х19Н11МЗ для сварки жаропрочных и коррозионностойких сталей содержит 0,04% углерода, 19% хрома, 11% никеля и 3% молибдена.

В состав покрытия входят:

• стабилизирующие вещества;
• раскислители и легирующие материалы:
• газообразующие материалы;
• шлакообразующие;
• •          связующие и цементирующие.

Эти компоненты обеспечивают функции покрытия при его расплавлении в процессе сварки.

Стабилизирующие вещества предназначены для устойчивого горения дуги. К ним относятся соединения щелочных и щелочно-земельных металлов калия натрия, кальция и др.

Раскислители (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан) применяют для восстановления окисленного в процессе сварки металла. Кроме того эти же ферросплавы служат легирующими материалами и увеличивают содержание марганца, титана и других элементов в металле шва.

Газообразующие материалы (мрамор, магнезит, крахмал, оксицеллюлоза, древесная мука) образуют защитный газ, защищающий зону сварки от попадания кислорода, водорода и азота из окружающего воздуха.

Шлакообразующие (полевой шпат, кремнезем, магнезит, мрамор) образуют шлаковый покров на поверхности расплавленного металла шва. Шлак уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствует выходу из него газовых и оксидных включений. После остывания сварного соединения необходимо сколоть с него шлаковую корку.

Связующие и цементирующие (калиевое жидкое стекло К₂О·SiO₂, натриевое жидкое стекло Na₂О·SiO₂) связывают все компоненты покрытия.

Электродное покрытие образуется из хорошо размолотых и перемешанных материалов, связанных жидким стеклом. Его наносят на сварочную проволоку, предварительно нарезанную на куски длиной от 350 до 450 мм. На один из концов куска покрытие не наносят. Он служит для закрепления электродов при их сушке, а при сварке для помещения в электрододержателе.

В справочниках кроме марки сварочной проволоки указывают марку электродного покрытия, а также рекомендации по использованию электродов.

Стальные электроды для дуговой сварки классифицируют в соответствии с ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 9467-75.

По назначению в зависимости от свариваемых материалов: У - для сварки углеродистых сталей;

• Л - легированных конструкционных сталей;
• Т - легированных теплоустойчивых сталей,
• В - высоколегированнных сталей с особыми свойствами;
• Н - для наплавки поверхностных слоев.

По толщине покрытия

• М - тонкие покрытия D/d < 1,2 ;
• С - средние покрытия 1,2 < D/d < 1,45;
• Д- толстые покрытия 1,45< D/d < 1,8;
• Г - особо толстые покрытия D/d > 1,8.

D - диаметр электрода с покрытием, d - диаметр сварочной проволоки.

По виду покрытия:

• А - с кислым покрытием;
• Б - с основным покрытием;
• Ц - с целлюлозным покрытием;
• Р - с рутиловым покрытием;
• П - с прочими покрытиями.

Кроме того электроды классифицируют по технологическим особенностям (сварка в различных положениях), по роду тока и полярности применяемого тока, а также по другим признакам. Полная маркировка электрода:

Э46А - УОНИ -13/45 - 4,0 - УД2             ГОСТ 9466 - 75

Е432(5)-Б10

По ГОСТ 9467 - 75 это расшифровывается:

• Э - электроды для электродуговой сварки;
• 46 - минимальный гарантируемый предел прочности (460 МПа );
• УОНИ -13/45 - марка электродного покрытия;
• 4,0 - диаметр электрода;
• У - электроды для сварки углеродистой и низколегированной стали;
• Д2 - электроды с толстым покрытием второй группы точности;
• Е - индекс, характеризующий свойства металла сварного шва;
• 43 - предел прочности на разрыв (не менее 460 МПа );
• 2 - относительное удлинение не менее 22 %;
• 5 - индекс, характеризующий ударную вязкость металла - 34,3 Дж/см при температуре минус 40°С.
• Б - основное покрытие;
• 1 - сварка во всех пространственных положениях;
• 0 - на постоянном токе обратной полярности.

Полная маркировка не содержит сведений о марке сварочной проволоки, что вызывает необходимость повторного обращения к стандарту.

Обычно производители электродов используют сокращенную маркировку. Например марка электродного покрытия УОНИ -13/45, марка сварочной проволоки Св - 08.

 

  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Преимущества и недостатки сварки постоянным, переменным и выпрямленным током.
2. Схемы сварки постоянным, переменным и выпрямленным током.
3. Устройство сварочного трансформатора.
4. Марки сварочных электродов и их назначение.
5. Назначение и состав электродных покрытий.