Гордиенко В.Е., Степанов С.А., Кнышев Ю.В. Сварка. Часть 1 Основные способы сварки

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный университет

Кафедра технологии конструкционных материалов и метрологии

В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО,

С. А. СТЕПАНОВ, Ю. В. КНЫШЕВ

СВАРКА

Часть I

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2009

УДК 621.791.07

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ПГУПС);

канд. техн. наук, доцент А. П. Орлов (СПбГАСУ)

Гордиенко, В. Е.

Сварка: учеб. пособие: лабораторный практикум / В. Е. Гордиенко,

Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев ; СПбГАСУ. – СПб., 2009.

Ч. I . Основные способы сварки. – 64 с.

ISBN 978-5-9227-0164-8

Приведены указания по выполнению шести лабораторных работ. Описа-

ны процессы, технология и оборудование основных способов сварки, применя-

емых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и обо-

рудования. Предназначено для студентов механических и строительных специ-

альностей.

Табл. 10. Ил. 28.

Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве

учебного пособия

ISBN 978-5-9227-0164-8 © В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко,

С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, 2009

архитектурно-строительный университет,

2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий практикум рассчитан на студентов механических и стро-

ительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конст-

рукционных материалов».

Целью лабораторных работ является изучение процессов, техноло-

гии и оборудования основных способов сварки, применяемых при изго-

товлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудова-

ния.

Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны озна-

комиться

с правилами техники безопасности. К выполнению лаборатор-

ной работы допускаются только подготовленные студенты, предваритель-

но изучившие теоретический материал по учебнику и настоящему прак-

тикуму.

В ходе выполнения лабораторных работ студенты группами

по 4–6 человек под руководством преподавателя или учебного мастера

изучают технику и технологию способов сварки, сварочное оборудова-

ние и его технико-экономические

возможности, а также самостоятельно

проводят экспериментальные исследования и (по возможности) выпол-

няют сварочные операции.

По окончании лабораторной работы каждый студент индивидуаль-

но оформляет отчет о проделанной работе, который должен содержать

исчерпывающие текстовые и графические ответы на поставленные воп-

росы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя.

Лабораторная работа № 1

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

Цель лабораторной работы – изучение сущности процессов свароч-

ного оборудования, техники и технологии ручной дуговой сварки.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1) изучить сущность ручной сварки, оценить роль и влияние по-

крытия электродов на качество сварного шва;

2) изучить сварочное оборудование постоянного и переменного тока;

3) освоить методику

определения основных сварочно-технологи-

ческих характеристик плавящихся электродов и оценить производитель-

ность сварки различными электродами;

4) ознакомиться с техникой и технологией ручной дуговой сварки.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование – посты для ручной дуговой сварки на постоян-

ном и переменном токе, однопостовые сварочные трансформаторы, элек-

тромеханические преобразователи (генераторы), выпрямители, макеты

аппаратов, защитные маски со светофильтрами, керн, молоток, зубило,

линейка металлическая, цифровые маркеры, весы, секундомер;

материалы – электроды различных марок диаметром 3…5 мм,

пластины из низкоуглеродистой стали Ст3сп размером 4

25 100 мм;

плакаты – схемы сварочных постов, устройства сварочных аппа-

ратов, типов сварных швов и соединений, техника ручной дуговой сварки;

справочная литература – справочники, ГОСТы.

1. Сущность ручной дуговой сварки. Исследование влияния

покрытия электродов на качество сварного шва

Для ручной дуговой сварки обычно применяют металлические

электроды, состоящие из стержня 8 и покрытия 9 (рис. 1.1). Плавление

электрода и свариваемого металла в процессе сварки осуществляется

теплотой электрической (сварочной) дуги 7, горящей между электродом

и свариваемым металлом 1.

Электродный металл в виде капель 10

переходит в жидкую металлическую (сварочную) ванну 4, которая после

удаления дуги кристаллизуется, образуя сварной шов 2.

Рис. 1.1. Схема процесса ручной дуговой сварки:

1 – основной металл; 2 – сварной шов; 3 – шлаковая

корка; 4 – сварочная ванна жидкого металла; 5 – жид-

кий шлак; 6 – газовая защитная атмосфера; 7 – сва-

рочная дуга; 8 – металлический стержень электрода;

9 – покрытие электрода; 10 – капли расплавленного

металла

Образуемая при сварке сварочная дуга является мощным устойчи-

вым электрическим разрядом в газовой среде. Сварочная дуга состоит

из трех областей: анодной, катодной и столба дуги. При коротком замы-

кании электрода с деталью происходит разогрев этого участка. С разог-

ретых участков, в основном с катодной области, начинается эмиссия элек-

тронов, которые, сталкиваясь

с молекулами газов и атомами паров ме-

талла, вызывают их ионизацию. В результате этого дуговой промежуток

становится электропроводным и возникает устойчивая сварочная дуга,

температура в которой достигает 6000…12 000 °С. Тепловой мощности

такой дуги достаточно для плавления металла.

Металлические стержни электродов изготавливают из сварочной про-

волоки диаметром 0,3…12 мм. Длина стержня 250…450 мм. Для сварки

сталей ГОСТом предусмотрено 77 марок стальной сварочной проволоки.

Покрытие электрода выполняет следующие функции:

1) защищает расплавленный металл сварочной ванны от вредного

влияния кислорода, азота и водорода воздуха. Из паров и газов материа-

лов покрытия над жидким металлом образуется

локальная газовая ат-

мосфера, которая препятствует контакту жидкого металла с воздухом.

Одновременно материал покрытия образует жидкий слой шлака, после

затвердевания которого остается легкоотслаивающаяся шлаковая корка;

2) легирует, т. е. вводит в металл шва химические элементы (крем-

ний, марганец и др.), чтобы придать ему необходимые свойства (проч-

ность, твердость и т. д.);

раскисляет расплавленный металл сварочной ванны, удаляет

кислород из жидкого металла. Окислы металлов, остающиеся в металле

шва, снижают его механические свойства;

4) рафинирует расплавленный металл сварочной ванны, т. е. очи-

щает его от серы и фосфора. Повышенное содержание серы и фосфора

в металле шва ухудшает его механические свойства;

5) повышает устойчивость горения сварочной дуги (

в покрытии

содержатся элементы, обладающие низким потенциалом ионизации).

Покрытие состоит из порошкообразных материалов, сцементированных

клеящим раствором. В покрытие входят стабилизирующие, шлакообра-

зующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и другие веще-

ства. Покрытия бывают кислые, основные, рутиловые, целлюлозные

и пр.

Практическая часть работы раздела состоит в эксперименталь-

ном изучении влияния качества газошлаковой защиты сварочной ванны

электродными

покрытиями на пластичность металла шва и устойчивость

горения дуги. Исследование студенты проводят под руководством учеб-

ного мастера в следующей последовательности:

1) маркируют три пластины из стали Ст3сп (размер пластин

25 100 мм) и производят на них наплавку валиков соответственно го-

лым электродом и электродами с меловым и качественным покрытием;

2) охлаждают пластины и исследуют металл шва (валика) на плас-

тичность путем загиба образцов в тисках с помощью молотка, при этом

загиб образцов производится до начала образования трещины в зоне наи-

больших пластических

деформаций растяжения;

3) измеряют угол загиба образцов и делают вывод о влиянии каче-

ства защиты на пластичность металла сварного шва;

4) визуально оценивают влияние качества покрытия электродов

и полярность постоянного тока на устойчивость горения сварочной дуги.

2. Источники питания сварочной дуги постоянным

и переменным током

Для питания сварочной дуги применяют специальные источники

тока, отвечающие определенным требованиям:

напряжение холостого хода U

x.x

должно быть достаточным для

зажигания дуги, но не превышать значений, безопасных для сварщиков;

источники питания должны быть снабжены устройством для ре-

гулирования сварочного тока в регламентированных пределах;

источники питания должны иметь заданную внешнюю характе-

ристику, согласованную со статистической вольт-амперной характерис-

тикой дуги.

Внешняя вольт-амперная характеристика источника тока – это за-

висимость напряжения на его клеммах U от величины сварочного тока I

(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Внешние характеристики сварочных источников тока:

1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая

По виду внешней характеристики источники тока подразделяются

на источники с крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастаю-

щей характеристиками. Некоторые источники при переключении режи-

ма работы могут иметь крутопадающую и жесткую характеристики (уни-

версальные источники тока). В зависимости от количества постов они

могут быть однопостовыми и многопостовыми.

Источники тока с крутопадающей характеристикой используются

при ручной дуговой сварке. Пологопадающую характеристику имеют

источники питания автоматов для сварки под флюсом. Источники с жес-

ткой и возрастающей внешними характеристиками работают

совместно

с полуавтоматами для дуговой сварки в защитном газе.

По роду тока источники делятся на две группы: источники пере-

менного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока

(сварочные преобразователи и выпрямители).

Сварочная дуга, являясь потребителем электрической энергии

и преобразователем ее в тепловую, образует с источником тока взаимо-

связанную энергетическую систему, работающую в

статическом (уста-

новившемся) и динамическом (переходном) режимах. Ус т а н о в и в ш и й с я ре-

жим работы системы сварочная дуга – источник тока определяется точкой

пересечения внешней вольт-амперной характеристики дуги и внешней

характеристики источника тока. При этом следует помнить, что сварочная

дуга, являясь газовым проводником тока, не подчиняется закону Ома.

В лабораторной работе изучаются однопостовые источники пере-

менного

и постоянного тока с крутопадающей характеристикой.

Сварочный трансформатор состоит из трансформаторного пакета

с первичной (сетевой) и вторичной (сварочной) обмотками (рис. 1.3).

В конструкции трансформатора предусмотрено перемещение одной из

обмоток относительно другой.

Рис. 1.3. Схема сварочного трансформатора с увеличенным магнитным

рассеянием:

, W

– число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора

Напряжение дуги принимают равным напряжению на клеммах вто-

ричной обмотки трансформатора:

222

х.х2

XIUUU



, (1.1)

где U

– напряжение дуги;

x.x

– напряжение холостого хода во вторич-

ной обмотке; I – сварочный ток; X – индуктивное сопротивление.

Крутопадающая внешняя характеристика трансформатора с увели-

ченным магнитным расстоянием создается за счет падения напряжения

на индуктивном сопротивлении. Так, с возрастанием тока в сварочной

цепи произведение

увеличивается (см. формулу (1.1)), а подко-

ренное выражение уменьшается – напряжение дуги снижается.

Величина сварочного тока определяется из выражения (1.1):

x.x



(1.2)

Регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения

индуктивного сопротивления, значение которого зависит от электричес-

ких и геометрических параметров трансформатора:

, (1.3)

где

– угловая частота тока; = 2 ; – частота тока; W

– число витков

во вторичной обмотке;

– коэффициент магнитного рассеяния;

–

эквивалент магнитного сопротивления потоку рассеяния.

Если учесть, что угловая частота постоянна, а эквивалент меняется

незначительно, то становится ясно, что индуктивное сопротивление за-

висит от числа витков во вторичной обмотке трансформатора и коэффи-

циента магнитного рассеяния. Последний находится в прямой зависимо-

сти от расстояния между первичной и вторичной обмотками. Таким об-

разом

, плавное регулирование сварочного тока в этом типе трансформа-

торов осуществляется за счет сближения или удаления обмоток транс-

форматора. Ступенчатую регулировку тока производят переключением

числа витков во вторичной обмотке трансформатора.

Сварочный преобразователь состоит из двигателя переменного трех-

фазного тока и генератора постоянного тока (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема сварочного преобразователя постоянного тока:

Д – трехфазный двигатель; Г – генератор постоянного тока;

В – выпрямитель; R – регулировочный реостат

Крутопадающая внешняя характеристика сварочного преобразова-

теля обеспечивается за счет взаимодействия магнитных потоков обмо-

ток независимого и последовательного возбуждения генератора. Назван-

ные обмотки включены таким образом, что создаваемые ими магнитные

потоки направлены встречно. Поэтому напряжение дуги (на клеммах ге-

нератора) будет изменяться в зависимости от алгебраической суммы

магнитных потоков независимого Ф

и последовательного возбуждения

. В результате при увеличении тока магнитный поток Ф

возрастает,

а разность Ф

– Ф

уменьшается, напряжение на клеммах падает. Регули-

рование сварочного тока в преобразователе производится за счет изме-

нения соотношения магнитных потоков Ф

и Ф

, определяемых током

и числом витков в обмотке возбуждения. Обычно плавная регулировка

осуществляется изменением тока в цепи независимого возбуждения

с помощью реостата R. Ступенчатое регулирование выполняется изме-

нением числа витков в последовательной обмотке возбуждения.

Сварочный выпрямитель состоит из понижающего трансформато-

ра тока 1, дросселя 2, обеспечивающего необходимые динамические ха-

рактеристики источнику, и блока

полупроводниковых вентилей 3

(рис. 1.5). Наиболее распространены кремниевые вентили. Внешняя ха-

рактеристика выпрямителя определяется зависимостью