Лабораторна 4

Методичні вказівки до лабораторної роботи: "зварювальне виробництво" з курсу "ТКМ" для студентів машинобудівних спеціальностей всіх форм навчання.

Укладач: ст.викл. Марченко Станіслав Вікторович

2

1 МЕТА РОБОТИ

Вивчити особливості технологічного процесу зварюван-

ня.

2 ОБЛАДНАННЯ, ПРИБОРИ ТА МАТЕРІАЛИ

Аналітичні ваги. Мірний інструмент.

3 ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

3.1 Фізична сутність процесу

Фізична сутність процесу зварювання полягає в утворенні міцних зв'язків між атомами або молекулами на поверхні заготівок, що з'єднуються.

Потрібне прикладання визначеної енергії для активації стану поверхні з метою ослаблення зв'язків поверхневих атомів з тілом. Ця енергія може бути у вигляді теплоти, пружнопластичного деформування й електронного, іонного й іншого видів опромінення.

При зварюванні плавленням (термічний клас зварювання)

відбувається розплавлювання крайок заготовок, а в разі потреби - також присадочного матеріалу для додаткового заповнення зазору між ними. У результаті утвориться загальна зварювальна ванна розплавленого матеріалу, що твердішає у виді зварювального шва.

При зварюванні тиском (механічний клас зварювання) за-

готівки з'єднуються шляхом спільної пластичної деформації з'єднувальних поверхонь. Шляхом забезпечення щільного контакту між заготівками виникають умови для міжатомних зв'язків.

3

3.2.Зварювання плавленням

3.2.1Електричне дугове зварювання

Джерелом теплоти при дуговому зварюванні є електрична дуга, що горить між двома електродами, при цьому часто один електрод являє собою заготівку, що зварюється.

4000 0С

7000 0С

3000 0С

рис.1 - Теплова характеристика дуги прямої полярності (середні значення температури)

При застосуванні постійного струму розрізняють зва-

рювання на прямій і зворотній полярностях.

У першому випадку електрод підключається до негат и- вного полюса і служить катодом, у другому — до позитивного і служить анодом

3.2.1.1Ручне дугове зварювання

Ручне дугове зварювання виконують зварювальними електродами, які подають в дугу і переміщають вздовж заготівки. Для утримання електроду і підведення до нього струму зварювальник використовує електродотримач, захищає обличчя від світлового і ультрафіолетового випромінювань дуги щитком або маскою з темним склом, а тіло і руки — брезентовим спецодягом і рукавицями.

Схема процесу зварювання металевим покритим електродом

4

надано на рис.

Дуга 8 горить між стержнем електроду 7 і основним металом 1. Стрижень електроду плавиться, і розплавлений метал краплями стікає в металеву ванну 9. Разом із стрижнем плавиться покриття електроду

рис. 2 Ручне електродугове зварювання 6, утворюючи газо-

ву захисну атмосферу 5 довкола дуги і рідку шлакову ванну 4 на поверхні розплавленого металу. Металева і шлакова ванни разом утворюють зварювальну ванну. Поступово зварювальна ванна твердне, і утворюється зварювальний шов 3. Рідкий шлак при охолодженні на поверхні шва утворює тверду шлакову корку 2.

Металургійні процеси при зварюванні

У перегрітій зварювальній ванні протікає ряд металургійних процесів: випаровування або окислення (вигоряння) деяких легуючих елементів, наприклад вуглецю, марганцю, кремнію, хрому і ін., і насичення розплавленого металу киснем, азотом і воднем з навколишнього повітря. В результаті змінюється склад зварного шва в порівнянні з електродним і основним металом, також знижуються його механічні властивості, особливо внаслідок насичення шва киснем.

Для забезпечення заданих складу і властивостей шва в пок-

риття вводять легувальні елементи і елементирозкислювачі.

Кристалізація зварного шва починається від меж оплавленого основного металу і протікає за рахунок зростання стовбчастих кристалітів до центру шва. При цьому кристаліти, як правило,

5

згинаються і витягуються у напрямі зварювання. Легкоплавкі складові сплаву, шкідливі домішки і неметалічні включення при кристалізації шва розташовуються по межах між кристалітами. Це є причиною неоднорідності хімічного складу шва, що знижує його механічні властивості і в окремих випадках приводить до утворення гарячих тріщин.

При високих швидкостях зварювання в швах деяких сплавів можливе утворення газових пір, оскільки гази, що виділилися, не встигають вийти із зварювальної ванни в атмосферу. Пори в швах порушують герметичність зварних з'єднань і знижують механічні властивості.

Електроди для ручного зварювання.

Ці електроди є дротяними стрижнями з нанесеними на них покриттями. Стрижень електроду виготовляють із спеціального зварювального дроту підвищеної якості. ГОСТ 2246—70 на сталевий зварювальний дріт передбачає 56 марок дроту діаметром 0,3—12 мм. Всі марки зварювального дроту залежно від складу розділяють на три групи: вуглецеву (Св-08; Св-10ГС і ін.), леговану (Св-18ХМА; Св-10Х5М і ін.) і високолеговану (Св06Х19Н10М5Т; Св-07Х25Н13 і ін.). У марках дроту «Св» позначає слово «зварювальна».

Зварювальний дріт використовують для виготовлення стрижнів покритих електродів, а також при автоматичного дугового зварюванні під флюсом, зварювання плавким електродом в середовищі захисних газів і як присадний матеріал при зварюванні неплавким електродом і газовій зварюванні.

Електроди класифікують по наступних ознаках: типу покриття, хімічному складу рідкого шлаку, призначенню:

За типом покриття поділяють на електроди із стабілізуючими захисним або легуючим покриттями (якісні). Стабілізуюче покриття складається з крейди (CaCO2). Кальцій у складі полегшує іонізацію дуги і сприяє стійкому її горінню. До складу якісного покриття електродів входять стабілізуючі, газотвірні, шлакоутворювальні, розкислювальні, легувальні і зв'язуючі

6

складові.

Стабілізуючі складові збільшують ступінь іонізації дугового проміжку і підвищують стабільність горіння дуги. Як стабілізуючі застосовують з'єднання калію, натрію, кальцію, барію (силікати натрію і калію, поташ, крейда, мармур).

Газотвірні складові утворюють при нагріві захисні гази довкола дуги. До газотвірних відносяться органічні речовини і карбонати (крохмаль, оксицелюлоза, мармур, магнезит).

Шлакоутворювальні складові при розплавленні утворюють рідкий шлак на поверхні зварювальної ванни. Шлак служить для захисту розплавленого металу від дії повітря, а також є середовищем, через яку здійснюється розкислювання і легування наплавленого металу. Для отримання шлаку в покриття вводять марганцеву руду, плавиковий шпат, мармур, рутил і ін.

Розкислювальні складові призначені для відновлення оксидів, що знаходяться в зварювальній ванні. Як розкислювачі у ряді випадків застосовують феросплави: феромарганець, феросиліцій і ін. З рідкого шлаку розкислювачі переходять в розплавлений метал, відновлюють оксиди і у вигляді нерозчинних оксидів самого розкислювача знову повертаються в шлак.

Легувальні складові служать для отримання наплавленого металу вимагаються хімічного складу і механічних властивостей. Легуючими складовими в покритті є ферохром, феромолібден, феротитан і ін.

Як зв'язувальні речовини в основному застосовують рідке натрієве скло (силікат натрію Na20 (Si02) ). Рідке скло зв'язує порошкоподібні складові покриття в обмазувальну масу, а після просушування і прожарювання додає покриттю електродів необхідну міцність.

За хімічним складом рідких шлаків електродні покриття можна поділити на кислі і основні.

Електроди з кислими покриттями (руднокислим, рутилом і органічним) застосовують для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей.

7

Електроди з основним покриттям (фтористокальцієвим) використовують для зварювання легованих і високолегованих сталей.

За призначенням сталеві електроди відповідно до ГОСТ

9466-75 підрозділяють на такі чотири класи: для зварювання вуглецевих і легованих конструкційних сталей; для зварювання теплостійких сталей; для зварювання високолегованих сталей; для наплавлення поверхневих шарів з особливими властивостями.

Згідно ГОСТ 9467-75 електроди для зварювання конструк-

ційних сталей (Ст3, 45, 3ОХГСА та ін.) підрозділяють на типи Э34, Э42, ..., Э145 залежно від механічних властивостей наплавленого металу. Цифри в позначенні типу електроду означають міцність наплавленого металу в кгс/мм2. Електроди для зварю-

вання теплостійких сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМФ та ін.) під-

розділяють на типи Е-ХМ, Е-ХМФБ і ін. залежно від хімічного складу наплавленого металу. Літери М, X, Ф і б означають легування відповідно молібденом, хромом, ванадієм і ніобієм, що підвищують теплостійкість зварного шва.

Електроди для зварювання високолегованих сталей

(0Х18Н9Т, Х25Н20С2, Х17 і ін.) згідно ГОСТ 10052—75 класи-

фікують по структурі і складу металу зварного шва. Так, наприклад, електроди ЕА-3М6, ЕА-2Б і ін. є електродами аустенітного типу (А — аустенітний) з добавками молібдену, ніобію і інших елементів.

Позначення наплавлювальних електродів згідно ГОСТ 10051—75 відповідає хімічному складу наплавлення і її твердості по Роквеллу. Буква У означає зміст вуглецю в десятих частках відсотка. Наприклад, ЭН-У3ОХ28С4Н4-50 — електроди наплавлювальні (ЕН), що дають наплавлення, що містить 3% С і інші легувальні елементи відповідно до марки, і володіючі твердістю HRС 50. Такі електроди застосовують для наплавлення на поверхню деталей, що випробовують при роботі сильний абразивний

8

знос при нормальній і підвищеній температурах (до 500° С); скребки скреперів, лопаті машин змішувачів і т. д.).

Крім типу електроду, важливою характеристикою є його марка, яка визначає склад покриття (УОНІ-13/45, ЦЛ-18, ЦЛ-11, ЦЛ-10 і т. д.). Марка електроду характеризує також його технологічні властивості: род і полярність струму, можливість зварювання в різних просторових положеннях і ін.

Режим ручного дугового зварювання.

Основним параметром режиму ручного дугового зварювання є сила зварювального струму. Струм (у А) вибирають залежно від діаметру і типу Icd kde ,

де к – дослідний коефіцієнт, рівний 40-60 для електродів із стрижнем з маловуглецевої сталі і 35-40 для електродів із стрижнем з високолегованої сталі, А/мм; dе – діаметр електроду, мм. При товщині стали до 6 мм зварюють по зазору без оброблення кромок заготівок.

Діаметр електродів вибирають виходячи із товщини сталі δ:

При великій товщині роблять однобічну або двобічну обробку крайок під кутом 60°. Обробка («розділ» крайок) необхідна для забезпечення повного провару по товщині. При товщині понад 10 мм зварюють багатошаровим швом.

9

рис.3 Просторові положення при зварюванні: а) – нижнє, б) - вертикальне, в) - горизонтальне, г) - стельове

Ручне дугове зварювання досить широко застосовують у виробництві металоконструкцій для різних металів і сплавів малої і середньої товщини (2—30 мм).

Ручне зварювання зручне при виконанні коротких і криволінійних швів в будь-яких просторових положеннях (нижньому, вертикальному, горизонтальному, стельовому), а також при накладенні швів в важкодоступних місцях.

Ручне зварювання забезпечує хорошу якість зварних швів, але володіє низькою продуктивністю в порівнянні з автоматичним дуговим зварюванням під флюсом. Продуктивність процесу зварювання в основному визначається силою зварювального струму. Проте струм при ручній зварюванні покритими електродами обмежено, оскільки підвищення струму понад рекомендовану величину приводить до розігрівання стрижня електроду, відшаровування покриття, сильного розбризкування і чаду розплавленого металу зварювальної ванни.

Ручне зварювання поступово замінюють напівавтоматичним

ватмосфері захисних газів.

3.2.1.6Джерела зварювального струму

10