ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Исследование различных видов сварных соединений и швов.

Определение коэффициентов наплавки, расплавления и потерь при ручной дуговой сварке

1. Цель работы

Научить студентов определять виды сварных соединений и швов, ко­эффициенты наплавки, расплавления и потерь при ручной дуговой сварке.

Произвести классификацию сварных соединений и швов, получен­ных при ручной дуговой сварке.

2. Содержание работы

1. Ознакомиться с правилами техники безопасности при ручной электродуговой сварке.

2. Ознакомиться с устройством и принципом действия сварочного трансформатора.

3. Определить экспериментально виды сварных соединений и швов, произвести классификацию полученных сварных соединений и швов, по­лученных при ручной дуговой сварке.

4. Определить экспериментально исходные данные и выполнить расчет коэффициентов расплавления, наплавки и потерь исследуемых ма­рок электродов.

3. Теоретическая часть

Сварка - получение неразъёмных соединений посредством установ­ления межатомных связей между свариваемыми поверхностями при их ме­стном или общем нагреве или пластическом деформировании.

Для образования соединений сваркой необходимо выполнение сле­дующих условий:

• освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов;

• энергетические воздействия поверхностных атомов, облегчающее их взаимодействие друг с другом;

• сближение свариваемых поверхностей на расстояния сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

Эти условия реализуются различными способами сварки путем энер­гетического воздействия на материалы в зоне сварки.

По виду применяемой энергии сварка может быть электрической, химической, лучевой, механической, электромеханической и др.

Электрические виды сварки включают в себя следующие сварки: ду­говую (ручную, под флюсом, в защитных газах, подводную); плазменную; высокочастотную; диффузионную и электрошлаковую.

Химические виды сварки включают в себя термитную и газовую сварку.

К лучевым видам сварки относятся электронно-лучевая и лазерная сварка.

Механические виды сварки - холодная, ультразвуковая, сварка трени­ем и взрывом.

К электромеханическим видам сварки относятся все способы кон­тактной сварки - это сварка с применением давления, при которой исполь­зуется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока в месте контакта свариваемых частей.

3.1 Классы сварки

Все виды сварки, в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, разделяются на три класса: терми­ческий, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки осуществляемые с использованием тепловой энергии: дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.

К термомеханическому классу относятся виды сварки осуществляе­мые с использованием тепловой энергии и давления: контактная, стыковая, точечная, шовная, диффузионная и др.

К механическому классу относятся виды сварки осуществляемые с использованием механической энергии и давления: ультразвуковая, взры­вом, трением, холодная и т.д.

3.2 Свариваемость материалов

Свариваемость - способность материалов образовывать сварные со­единения, свойства которых близки к свойствам свариваемых материалов.

Свариваемость материалов в основном оценивается степенью соот­ветствия заданных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного материала и их склонностью к образованию сварочных дефек­тов (трещин, пор, шлаковых включений и др.)

Трещины могут появиться как результат снижения пластичности и прочности в процессе кристаллизации материала шва (горячие трещины) так и вследствие полиморфных превращений и насыщения газами после сварки (холодные трещины). Холодные трещины обычно возникают в зоне термического влияния после завершения кристаллизации. Склонность стали к образованию хо­лодных трещин оценивают по эквиваленту углерода: С_экв = С + Si/24 + Мп/6 + Сг/5 + Ni/10 + V/14 + Мо/4 + 5В. Если С_экв> 0,4%, сталь считается склонной к образованию холодных трещин.

Стали по свариваемости разделяют на четыре группы: хорошо, удов­летворительно, ограниченно и плохо свариваемые.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойст­вом структуры, формирующейся в сварном соединении. При сварке одно­родных материалов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется структура, идентичная или близкая структуре соединяемых заготовок. Этому случаю соответствует хорошая свариваемость материалов. При сварке разнородных материалов в зависимости от различия их физико­механических свойств в месте соединения образуется твердый раствор с решеткой одного из материалов или химическое соединение с решеткой отличающейся от решеток исходных материалов. Такие материалы огра­ниченно или плохо свариваемые.

Стали с содержанием углерода до 0,25% хорошо свариваются, с 0,25% до 0,45% удовлетворительно свариваются, а при более высоком со­держании углерода свариваемость ограниченная или плохая, так как в зоне термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к холодным трещинам.

3.3 Дуговая сварка

Дуговая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев осуществ­ляется электрической дугой называемой сварочной. Сварочная дуга - одна из форм электрического разряда в ионизированной смеси газов, паров ме­талла, компонентов электродных покрытий, флюсов.

В зависимости от материала и числа электродов, способа включения электродов и заготовки в электрическую цепь различают следующие спо­собы дуговой сварки:

5. сварка неплавящимся электродом (графитовым или вольфрамо­вым);

6. сварка плавящимся электродом (металлическим);

7. сварка дугой прямого действия;

8. сварка косвенной дугой горящей между двумя электродами;

9. сварка трехфазной дугой.

Схемы дуговой сварки представлены на рисунке 1.

Дуга прямого действия - дуга, при которой объект сварки включен в цепь сварочного тока (рис. 1, а). Электрическая сварочная дуга 3 горит между электродом 2 и свариваемыми заготовками 4. Сварной шов получа­ется за счет плавления электрода и (или) присадочного прутка 1.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обрат­ной полярности. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катоду), а во втором к положительному полюсу (аноду).

Дуга косвенного действия - дуга, при которой объект сварки не включен в цепь сварочного тока (рис. 1, б). В этом случае электроды 2 включены в цепь переменного тока. Дуга 3 горит между двумя, как прави­ло, неплавящимися электродами 2. Металл кромок заготовок 4 нагревается и расплавляется теплотой столба дуги между электродами.

При сварке трехфазной дугой (рис. 1, в), дуга 3 горит между элек­тродами 2, а также между каждым электродом и заготовками 4.

Рисунок 1 - Схемы дуговой сварки:

а - дуга прямого действия; <Г- дуга косвенного действия; трехфазная дуга;

1 - присадочный пруток; 2 - электрод; 3 - сварочная дуга; 4 - заготовки; Me - перенос

капель металла; е - движение электронов

Ручная дуговая сварка (РДС) - сварка с применением электродов с электродным покрытием, осуществляемая вручную. РДС позволяет вы­полнять швы в разных пространственных положениях (нижнем, верти­кальном, горизонтальном, потолочном). По схеме процесса (рис.2) дуга 10 горит между стержнем 2 электрода и металлом заготовки 3. Температура дуги 6000...7000 °С. В соответствии с полярностью показано прямое включение, когда направление движения электронов совпадает с направ­лением стекания капель 4 расплавленного металла. Температура катода (электрода) и анода составляет соответственно 2400 и 2600 °С. Вместе со стержнем плавится и покрытие 1 электрода, образуя защитную газовую атмосферу 9 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 8 на поверхности ванны жидкого металла 5. Шлаковая ванна и ванна жидкого металла обра­зуют сварочную ванну. По мере продвижения дуги в процессе сварки сва­рочная ванна затвердевает и образует сварочный шов 6 с твердой шлако­вой коркой 7.

Электрод представляет собой металлический стержень с нанесен­ным на его поверхность слоем специального покрытия (обмазки).

Свойства электрода определяются в основном химическим составом электродного стержня и покрытия. Химический состав электродной сталь­ной проволоки, из которой изготовляют электродные стержни, выбирают в соответствии с химическим составом и свойствами металла свариваемого изделия.

Рисунок 2 - Схема процесса ручной дуговой сварки покрытым электродом:

1 - покрытие (обмазка); 2 - стержень; 3 - заготовка; 4 - капли расплавленного ме­талла электрода; 5 - ванна жидкого металла; 6 - шов; 7 - шлаковая корка; 8 - шлаковая ванна; 9 - газовая атмосфера; 10 - сварочная дуга; е - электроны

Применяют электроды металлические плавящиеся (стальные, чугун­ные, алюминиевые, медные, из титановых и медных сплавов) и неплавя- щиеся (угольные, графитовые и вольфрамовые).

Угольные электроды изготавливают диаметром 6...30 мм длиной до 300 мм.

Стальные электроды для ручной сварки изготавливаются из специ­альной сварочной проволоки диаметром 0,3... 12 мм по ГОСТ 2246, где они классифицируются по группам и маркам стали. Стандарт предусматривает три группы проволок: углеродистые, легированные, высоколегированные. Обозначение марок электродной проволоки состоит из букв и цифр (Св-08, Св-12X13, Св-08ХНМ, Св-ЗОХГСА и др). Первые две буквы «Св» указы­вают на назначение проволоки - сварочная для изготовления электродов (содержание серы или фосфора <0,04%), а следующие за буквами две циф­ры и буквы с цифрами аналогичны обозначениям, принятым для углероди­стых качественных сталей.

Для ручной дуговой сварки проволоку нарезают длиной 250 ... 450 мм. Электроды диаметром 1 ... 2 мм применяют для сварки металла тол­щиной до 2 мм. Электроды диаметром 3 мм - для сварки металлов толщи­ной 5... 10 мм. Для сварки металла толщиной более 10 мм применяют элек­троды диаметром 5... 8 мм.

Электродное покрытие должно обеспечивать хорошую ионизацию дуги, раскисление и легирование металла шва и надежную защиту рас­плавленного металла сварочной ванны от воздействия воздуха.

Электродные покрытия (обмазки) применяют двух видов - тонкие и толстые. Тонкие обмазки электродов, обычно мел и жидкое стекло, состав­ляет 1... 5 % от массы электродного стержня и предназначаются для увели­чения устойчивости горения дуги.

Для сварки ответственных изделий применяются электроды с тол­стой обмазкой. Толщина слоя покрытия обычно составляет 15...35 % от массы электродного стержня. В состав покрытия входят шлакообразую­щие, газообразующие, легирующие, клеящие или связывающие вещества и раскислители (марганец, титан, кремний, алюминий).

Для защиты расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха, стальные электроды для ручной дуговой сварки покрывают специальным покрытием (обмазкой) из газообразующего вещества (крах­мал, целлюлоза), для создания газовой атмосферы оттесняющей воздух. Под действием теплоты, выделяемой дугой, газообразующие вещества сгорают, создавая собственную газовую атмосферу.

Тип электродов по ГОСТ 9467 с Э38 по Э150. Здесь буква Э - элек­трод для дуговой сварки, а следующая за буквой цифра показывает мини­мально гарантируемый предел прочности металла шва (кгс/мм²). Марки электродов отличаются по химическому составу их покрытия. Электроды марки У ОНИ-13/45 применяют для сварки ответственных деталей.