Сварка

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

1

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. Описаны процессы, технология иоборудованиеосновныхспособовсварки, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудования. Предназначено для студентов механических и строительных специальностей.

Табл. 10. Ил. 28.

Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящийпрактикумрассчитаннастудентовмеханическихистроительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов».

Цельюлабораторныхработявляетсяизучениепроцессов, технологии и оборудованияосновных способов сварки, применяемых при изготовлении, монтаже иремонте металлических конструкций и оборудования.

Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны ознакомитьсясправиламитехникибезопасности. Квыполнениюлабораторнойработыдопускаютсятолькоподготовленныестуденты, предварительноизучившиетеоретическийматериалпоучебникуинастоящемупрактикуму.

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- ниеиеготехнико-экономическиевозможности, а такжесамостоятельно проводят экспериментальные исследования и (по возможности) выполняют сварочные операции.

Поокончаниилабораторнойработыкаждыйстудентиндивидуально оформляет отчет о проделанной работе, который должен содержать исчерпывающие текстовые и графические ответы напоставленные вопросы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя.

3

Лабораторная работа № 1

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

Цельлабораторнойработы– изучениесущностипроцессовсварочного оборудования, техники и технологии ручной дуговой сварки.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1)изучить сущность ручной сварки, оценить роль и влияние покрытия электродов на качество сварного шва;

2)изучитьсварочноеоборудованиепостоянногоипеременноготока;

3)освоить методику определения основных сварочно-технологи- ческиххарактеристикплавящихсяэлектродовиоценитьпроизводительность сварки различными электродами;

4)ознакомиться с техникой и технологией ручной дуговой сварки.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование – посты для ручной дуговой сварки на постоян-

номипеременномтоке, однопостовыесварочныетрансформаторы, электромеханические 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 425100 мм;

плакаты– схемысварочныхпостов, устройствасварочныхаппаратов, типовсварныхшвовисоединений, техникаручнойдуговойсварки;

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 теплотойэлектрической(сварочной) дуги7, горящеймеждуэлектродом и свариваемым металлом 1. Электродный металл в виде капель 10 переходитвжидкуюметаллическую(сварочную) ванну4, котораяпосле удаления дуги кристаллизуется, образуя сварной шов 2.

4

Рис. 1.1. Схема процесса ручной дуговой сварки: 1 – основной металл; 2 – сварной шов; 3 – шлаковая корка; 4 – сварочнаяваннажидкогометалла; 5 – жидкий шлак; 6 – газовая защитная атмосфера; 7 – сварочнаядуга; 8 – металлический стержень электрода; 9 – покрытие электрода; 10 – капли расплавленного

металла

Образуемая при сварке сварочная дуга является мощным устойчивым электрическим разрядом в газовой среде. Сварочная дуга состоит из трех областей: анодной, катодной и столба дуги. При коротком замыкании электрода с деталью происходит разогрев этого участка. С разогретыхучастков, восновномскатоднойобласти, начинаетсяэмиссияэлектронов, которые, сталкиваясь с молекулами газов и атомами паров металла, вызываютихионизацию. Врезультатеэтого дуговойпромежуток становится электропроводным и возникает устойчивая сварочная дуга, температура в которой достигает 6000…12 000 °С. Тепловой мощности такой дуги достаточно для плавления металла.

5

Металлическиестержниэлектродовизготавливаютизсварочнойпроволоки диаметром 0,3…12 мм. Длина стержня 250…450 мм. Для сварки сталейГОСТомпредусмотрено77 марокстальнойсварочнойпроволоки.

Покрытие электрода выполняет следующие функции:

1)защищает расплавленный металл сварочной ванны от вредного влияния кислорода, азота иводорода воздуха. Изпаров игазов материалов покрытия над жидким металлом образуется локальная газовая атмосфера, которая препятствует контакту жидкого металла с воздухом. Одновременно материал покрытия образует жидкий слой шлака, после затвердевания которого остается легкоотслаивающаясяшлаковая корка;

2)легирует, т. е. вводит в металл шва химические элементы (кремний, марганец и др.), чтобы придать ему необходимые свойства (прочность, твердость и т. д.);

3)раскисляет расплавленный металл сварочной ванны, удаляет кислород изжидкого металла. Окислыметаллов, остающиеся вметалле шва, снижают его механические свойства;

4)рафинирует расплавленный металл сварочной ванны, т. е. очищает его от серы и фосфора. Повышенное содержание серы и фосфора

вметалле шва ухудшает его механические свойства;

5)повышает устойчивость горения сварочной дуги (в покрытии содержатся элементы, обладающие низким потенциалом ионизации). Покрытиесостоитизпорошкообразныхматериалов, сцементированных клеящим раствором. В покрытие входят стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и другие вещества. Покрытия бывают кислые, основные, рутиловые, целлюлозные и пр.

Практическая часть работы раздела состоит в экспериментальном изучении влияния качества газошлаковой защиты сварочной ванны электроднымипокрытияминапластичностьметаллашваиустойчивость горения дуги. Исследование студенты проводят под руководством учебного мастера в следующей последовательности:

1)маркируют три пластины из стали Ст3сп (размер пластин

425100 мм) ипроизводятнанихнаплавкуваликовсоответственноголым электродом и электродами с меловым и качественным покрытием;

2)охлаждают пластины и исследуют металл шва (валика) на пластичность путем загиба образцов в тисках с помощью молотка, при этом загибобразцовпроизводитсядоначалаобразованиятрещинывзоненаибольших пластических деформаций растяжения;

6

3)измеряют угол загиба образцов и делают вывод о влиянии качества защиты на пластичность металла сварного шва;

4)визуально оценивают влияние качества покрытия электродов

иполярностьпостоянноготоканаустойчивостьгорениясварочнойдуги.

2.Источники питания сварочной дуги постоянным

ипеременным током

Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока, отвечающие определенным требованиям:

напряжение холостого хода Ux.x должно быть достаточным для зажигания дуги, но непревышатьзначений, безопасных для сварщиков; источники питания должны быть снабжены устройством для ре-

гулирования сварочного тока в регламентированных пределах;

источники питания должны иметь заданную внешнюю характеристику, согласованную со статистической вольт-амперной характеристикой дуги.

Внешняя вольт-амперная характеристика источника тока – это зависимость напряжения на его клеммахU от величинысварочного 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 наисточникискрутопадающей, пологопадающей, жесткойивозрастающей характеристиками. Некоторые источники при переключении режи-

7

маработымогутиметькрутопадающуюижесткуюхарактеристики(универсальные 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 источникипитанияавтоматовдлясваркиподфлюсом. Источникисжесткой ивозрастающейвнешними характеристикамиработаютсовместно с полуавтоматами для дуговой сварки в защитном газе.

По роду тока источники делятся на две группы: источники переменноготока(сварочныетрансформаторы) иисточникипостоянноготока (сварочные преобразователи и выпрямители).

Сварочная дуга, являясь потребителем электрической энергии и преобразователем ее в тепловую, образует с источником тока взаимосвязанную энергетическую систему, работающую в статическом (установившемся) идинамическом(переходном) режимах. Установившийсярежимработысистемысварочнаядуга– источниктокаопределяетсяточкой пересечения внешней вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристикиисточникатока. Приэтомследуетпомнить, чтосварочная дуга, являясьгазовымпроводникомтока, неподчиняется закону Ома.

В лабораторной работе изучаются однопостовые источники переменного 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:

W1, W2 – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора

8

Напряжениедугипринимаютравнымнапряжениюнаклеммахвторичной обмотки трансформатора:

где Ud – напряжение дуги; Ux.x – напряжение холостого хода во вторич-

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

ченным магнитным расстоянием создается за счет падения напряжения на индуктивном сопротивлении. Так, с возрастанием тока в сварочной цепи произведение I 2 X 2 увеличивается (см. формулу (1.1)), а подкоренное выражение уменьшается – напряжение дуги снижается.

Величина сварочного тока определяется из выражения (1.1):

Регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения индуктивногосопротивления, значениекоторогозависитотэлектрических и геометрических параметров трансформатора:

где – угловаячастотатока; = 2; – частотатока; W2 – числовитков во вторичной обмотке; – коэффициент магнитного рассеяния; RΠ –

эквивалент магнитного сопротивления потоку рассеяния.

Еслиучесть, чтоугловаячастотапостоянна, аэквивалентменяется незначительно, то становится ясно, что индуктивное сопротивление зависитот числавитковвовторичнойобмоткетрансформатораикоэффициентамагнитногорассеяния. Последнийнаходитсявпрямойзависимости от расстояния между первичной и вторичной обмотками. Таким образом, плавное регулированиесварочного токав этомтипе трансформаторов осуществляется за счет сближения или удаления обмоток трансформатора. Ступенчатую регулировку тока производят переключением числа витков во вторичной обмотке трансформатора.

9

Сварочныйпреобразовательсостоитиздвигателяпеременноготрехфазного 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

Крутопадающаявнешняяхарактеристикасварочногопреобразователя обеспечивается за счет взаимодействия магнитных потоков обмотокнезависимогоипоследовательноговозбуждениягенератора. Названныеобмоткивключенытакимобразом, чтосоздаваемыеимимагнитные потокинаправленывстречно. Поэтомунапряжениедуги(наклеммахгенератора) будет изменяться в зависимости от алгебраической суммы магнитных потоков независимого Фн и последовательного возбуждения Фс. В результате при увеличении тока магнитный поток Фс возрастает, аразность Фн– Фс уменьшается, напряжениенаклеммахпадает. Регулирование сварочного тока в преобразователе производится за счет изменения соотношения магнитных потоков Фн и Фс, 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 изменением числа витков в последовательной обмотке возбуждения.

Сварочный выпрямитель состоит из понижающего трансформаторатока 1, дросселя 2, обеспечивающегонеобходимые динамические характеристики источнику, и блока полупроводниковых вентилей 3 (рис. 1.5). Наиболее распространены кремниевые вентили. Внешняя характеристика выпрямителя определяется зависимостью

10