Техпроцессы в машиностроении_лек

тока. Источник питания обеспечивает постоянное напряжение сварки и вы-

сокочастотное импульсное напряжение зажигания дуги.

Дуговая сварка в защитном газе – дуговая сварка, при которой дуга и расплавляемый металл, а в некоторых случаях и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных уст-

ройств. В качестве защитных газов применяют инертные, активные газы или газовую смесь.

Дуговая сварка в защитном газе может выполняться в любом простран-

ственном положении. Схема дуговой сварки в защитных газах приведена на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Схема дуговой сварки в защитных газах:

1, 2 – заготовки; 3 – сварной шов; 4 – присадочный пруток;

5 – сопло; 6 – защитный газ; 7

- электродная проволока; 8 -

дуга.

Прямая дуга 8 горит между электродом (электрод-

ной проволокой) 7 и заготовками 1, 2.Питание дуги осуществляется источни-

ком сварочного тока через токопроводящий мундштук. Защитный газ 6 пода-

ется в зону сварки по специальному шлангу через кольцевой канал сопла 5.

Сварку производят плавящимся (сварочной проволокой) или неплавящимся электродом. В последнем случае в зону сварки необходимо подавать приса-

дочный пруток 4.

Международное обозначение дуговой сварки защитных газах:

o плавящимся электродом: MIG – сварка в инертном газе; MAG – сварка в активном газе;

485

o неплавящимся электродом: TIG – сварка электродом из вольфрама с примесями лантана, иттрия, тория; WIG – сварка электродом из чистого вольфрама.

При использовании плавящегося электрода, сварочная проволока, на-

мотанная на кассету, подается в зону сварки роликовым механизмом. Прово-

лока при этом методе играет двойную роль – она является и токопроводящим электродом, и служит присадочным материалом. Использование механиче-

ской подачи присадочной проволоки позволяет создавать сварочные полуав-

томаты (перемещение головки производится вручную), или сварочные авто-

маты (снабжены механизмом перемещений сварочной головки).

В качестве инертных газов применяются:

o Аргон – бесцветный, без запаха, негорючий, неядовитый газ. Газ нерас-

творим в металлах (как в жидком, так и в твердом). Выпускается (ГОСТ

10157-79) два сорта газа. Газ высшего сорта содержит 99,993 % аргона, не более 0,006% азота, не более 0,0007% кислорода. Газ рекомендуется для сварки ответственных металлоконструкций из цветных, активных и редких металлов и их сплавов. Газ первого сорта содержит 99,98% аргона, до 0,01%

азота, не более 0,002% кислорода. Газ рекомендуется для сварки стали, алю-

миния и его сплавов.

o Гелий - бесцветный, без запаха, негорючий, неядовитый газ, значи-

тельно легче воздуха и аргона. Выпускается (ГОСТ 20461-75) два сорта газа.

Газ высокой чистоты (до 99,985% гелия) и технический газ (до 99,8% гелия).

Газ используется реже, чем аргон, из-за его дефицитности и высокой стоимо-

сти. При одинаковом с аргоном сварочном токе, гелий выделяет в 1,5 … 2

раза больше энергии, что позволяет получать более глубокое проплавление металла и увеличить скорость сварки. Газ применяют при сварке химически чистых и активных металлов, сплавов на основе алюминия и магния.

o Азот - бесцветный, без запаха, негорючий, неядовитый газ. Газ исполь-

зуется только при сварке меди и ее сплавов, так как по отношению к меди

486

раскислителей (например, Св-08Г2СЦ). Смесь применяется для сварки угле-

родистых, легированных сталей.

o Смесь аргона (70 – 75%), углекислого газа (20 – 25%) и кислорода (4 – 5%) обеспечивает высокую стабильность процесса сварки и уменьшает по-

ристость сварного шва. Смесь применяется для сварки углеродистых, нержа-

веющих и высоколегированных сталей.

Для сварки плавящимся электродом применяют стальные и порошко-

вые (рис. 6.11) сварочные проволоки.

Рис. 6.11. Порошковая проволока:

1 – стальная лента; 2 –

флюс.

Порошковая проволока – трубчатая проволока, заполненная порошко-

образным наполнителем – флюсом 2. Оболочку проволоки выполняют из стальной ленты 1 толщиной 0,2 … 0,5 мм. Флюс – смесь порошков из газооб-

разующих, шлакообразующих компонентов и легирующих добавок.

При ручной сварке применяют источники сварочного тока с крутопа-

дающей вольтамперной характеристикой (как специальные, так и трансфор-

маторы для ручной дуговой сварки). При автоматической и полуавтоматиче-

ской сварке применяют источники питания с жесткой или пологопадающей характеристикой (источники постоянного тока, сварочные преобразователи,

выпрямители, инверторные источники, импульсные и специальные установ-

ки). Применение жесткой или пологопадающей характеристики объясняется т.н. саморегулированием источника питания по длине дуги при небольших сбоях механической системы подачи сварочной проволоки (рис. 6.12).

Кинематические погрешности механизма подачи проволоки приводят к небольшим колебаниям скорости подачи сварочной проволоки, и, как след-

488

ствие, нарушают стабильность процесса сварки. Для стабилизации процесса сварки необходимо автоматически изменять скорость плавления электрода.

Рис. 6.12. Схема саморегулиро-

вания сварочного тока по длине дуги:

а – вольтамперные характеристи-

ки источника сварочного тока (1)

и дуги (2); б – баланс скоростей подачи плавления проволоки; 3 –

сварочная проволока; 4 – заго-

товки; 5 – дуга; А1 и А2 – рабочие точки положения 1 и 2 конца проволоки; Lд1 и Lд2 – длина дуги в рабочих точках; Vп1 и Vп2 – ско-

рости подачи проволоки в рабо-

чих точках; Vпл.1 и Vпл.2 – скорости плавления проволоки в рабочих точках; I

– изменение сварочного тока.

Для стабильного процесса сварки характерно равенство скоростей по-

дачи и плавления сварочной проволоки. Допустим в рабочей точке А1 ско-

рость подачи проволоки (Vп1) стала меньше скорости плавления проволоки

(Vпл.1). Вследствие разности скоростей увеличилась длина дуги (от Lд1 к Lд2).

Увеличение длины дуги приводит к перемещению рабочей точки в новое по-

ложение (А2), характеризуемое уменьшением сварочного тока (ΔI). Умень-

шение сварочного т ока приведет к уменьшению скорости плавления прово-

локи (Vпл.2). Длина дуги восстановится до Lд1, и процесс автоматически пе-

рейдет в рабочую точку А1. Применение крутопадающей характеристики приводит к уменьшению величины I, что уменьшает возможности саморе-

гулирования.

489

Аргонодуговую сварку неплавящимся электродом применяют при со-

единении заготовок толщиной от 0,8 до 6 мм. При толщине заготовок до 3 мм возможна сварка без применения присадочного материала (с расплавлением только материала заготовок). При необходимости получение выпуклого шва или толщине заготовок более трех мм применение присадочного прутка

(проволоки) обязательно.

Для сварки листовых заготовок толщиной 0,2…1,5 мм применяют ав-

томатическую сварку в импульсном режиме. Между электродом и заготов-

ками постоянно горит маломощная (дежурная) дуга, которая обеспечивает ионизацию сварочного промежутка. На дежурную дугу накладывают мощ-

ные импульсы дуги заданной частоты и длительности. Импульсный режим позволяет точно дозировать тепловложения и снизить минимальную толщи-

ну свариваемого металла.

Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Дуга горит ус-

тойчиво при напряжении 10…15 В и минимальном токе 10 А, что обеспечи-

вает возможность сваривать заготовки от 0,8 мм. При применении обратной полярности возрастает напряжение дуги и уменьшается устойчивость ее го-

рения. Однако дуга обратной полярности позволяет очищать свариваемые поверхности заготовок от окисных и оксидных пленок (сварка алюминиевых и магниевых сплавов). Это явление получило название «катодное распыле-

ние» и может быть объяснено тем, что поверхности заготовок бомбардиру-

ются тяжелыми положительными ионами аргона, которые механически раз-

рушают пленки. Совместить устойчивость дуги (прямая полярность) с катод-

ным распылением (обратная полярность) позволяет применение переменного тока. Для питания дуги переменным током используют специальные источ-

ники, включающие в себя дополнительный стабилизатор горения дуги. Ста-

билизатор подает дополнительное напряжение в сварочную цепь в полупери-

од обратной полярности. Иногда применяют преобразователи, изменяющие полупериоды переменного тока по фазе и амплитуде.

490

Сварку в среде углекислого газа выполняют только плавящимся элек-

тродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности,

горелками с механической подачей сварочной проволоки.

Под действием высокой температуры дуги углекислый газ диссоцииру-

ет на окись углерода им свободный кислород: 2СО2 = 2СО+О2. Выделяю-

щийся кислород окисляет: железо (образуется растворимая в жидком металле закись железа) и легирующие элементы, входящие состав свариваемой стали.

При взаимодействии с углеродом, закись железа образует нерастворимую в металле окись углерода. В результате, металл сварного шва получается по-

ристым с низкими механическими свойствами. Для предотвращения порис-

тости сварного шва применяют электродную проволоку с повышенным со-

держанием раскисляющих примесей (марганец и кремний) марок Св–08ГС;

Св–10Г2С и тому подобное.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка (ЭШС) - сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. При ЭШС основным источником тепла слу-

жит расплавленный шлак, разогретый сварочным током, проходящим от электрода к заготовкам. Дуга при сварке отсутствует.

Схема установки для ЭШС приведена на рис. 6.13. В начале процесса сварки возбуждается электрическая дуга между сварочным электродом 6 и

вводной планкой 12. При расплавлении флюса, в пространстве между кром-

ками заготовок 2 и 8 и медными водоохлажаемыми формирующими устрой-

ствами (ползунами) 3 и 11 образуется шлаковая ванна 9. После накопления достаточного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет,

а подача электрода и подвод тока через мундштук 6 продолжаются. Шлако-

вая ванна является расплавленным электролитом. Поэтому, при прохождении тока через расплавленный шлак в нем выделяется теплота, достаточная для

491

поддержания высокой температуры шлаковой ванны (2 000оС), расплавле-

ния кромок заготовок и сварочной проволоки.

Рис. 6.13. Схема установ-

ки для электрошлаковой сварки:

1 – сварной шов; 2, 8– за-

готовки; 3, 11 – медные охлаждаемые ползуны; 4

– мундштук; 5 – механизм подачи электрода; 6 –

электрод;

7 – выходная планка; 9 –

шлаковая ванна; 10 –

сварочная ванна; 12 -

вводная планка; стрелка-

ми указано: направление вращения роликов меха-

низма подачи электрода и направление сварки.

Непрерывная подача сварочной проволоки обеспечивает подвод тока и пополнение сварочной ванны 10 жидким металлом. По мере заполнения за-

зора между заготовками, мундштук и ползуны перемещаются вверх, оставляя после себя, сварной шов 1. На начальном участке сварного шва образуется непровар кромок. На конечном участке сварного шва образуются: усадочная раковина и посторонние включения. Поэтому сварку начинают на вводной планке, а заканчивают – на выходной планке 12. По окончании сварки, план-

ки срезают газовой резкой. Металл кромок заготовок расплавляется одно-

временно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.

492

По сравнению с ДСФ, ЭШС позволяет: повысить производительность сварки за счет: непрерывности процесса сварки; выполнения сварного шва за один проход при большой толщине заготовок; увеличения сварочного тока в

1,5…2 раза. Улучшить макроструктуру сварного шва за счет отсутствия мно-

гослойности и большей однородности однослойного шва. Снизить затраты на сварку вследствие: повышения производительности; упрощения процесса подготовки кромок заготовок; уменьшения сечения сварного шва; уменьше-

ния расхода сварочной проволоки, флюса и электроэнергии. К недостаткам ЭШС можно отнести: Большие вертикальные габариты установок (рис. 6.14,

а).

Рис. 6.14. Общий вид машины для электро-

шлаковой сварки (а) и

пример сварки (б) –

траверса пресса массой

150 т.

Крупнозернистую структуру сварного шва и околошовной зоны,

получаемые вследствие замедленного нагрева и охлаждения сварного шва. После сварки необходимо провести отжиг и нормализацию готовой детали для измельчения зерна ме-

талла сварного соединения.

ЭШС широко применяется в машиностроении для изготовления кова-

но-сварных или лито-сварных конструкций - станины и детали мощных прессов (рис. 6.14, б), станков, коленчатые валы судовых двигателей, роторы и валы гидротурбин.

493