15

- -

Доц. Погосбекян ю.М.

4. Основы сварочного производства

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений путем локального приложения химической физической или механической энергий. Неразъемное соединение получается за счет межатомных связей между свариваемыми частями металла.

Сварка является экономически выгодным, высокопроизводительным и в значительной мере механизированным технологическим процессом.

Доля заготовок, используемых в машиностроении, изготовленных сваркой составляет 39%.

Такое широкое применение сварочного способа изготовления связано с рядом преимуществ по сравнению с другими способами заготовок.

Преимущество сварочного способа изготовления изделий:

• экономия металла в сварных конструкциях (сварные конструкции легче клепаных на 10-20% и на 30-40% легче литых);

• более высокая производительность.

Кроме сборки конструкций, значительный объем сварочных работ выполняется для наплавки изношенных деталей и устранения дефектов в отливках.

Тенденция развития сварочного производства:

• интенсификация технологических процессов (компьютеризация, роботизация и механизация технологических процессов);

• совершенствование технологических процессов сварки в среде защитных газов и контактной сварки;

• разработка и развитие новых технологических процессов специальных способов сварки.

4. 1. Классификация способов сварки

В основу классификации способов сварки положены:

• вид энергии;

• состояние металла;

• степень механизации.

По характеру используемой энергии различают пять групп способов сварки: механическую; электрическую; электромеханическую; химическую; химико-механическую.

По состоянию металла в зоне сварки различают две группы способов сварки: плавлением и давлением.

По степени механизации способы сварки подразделяются на: ручные, полуавтоматические, автоматические.

В настоящее время основными способами сварки являются электродуговые способы сварки плавлением. До 70% сварочных работ выполняется с использованием тепловой энергии сварочной дуги. Второе место занимает электрическая контактная сварка.

В автотракторной промышленности большое применение получили дуговые способы сварки плавлением в среде защитных газов, автоматическая сварка под слоем флюса и электрическая контактная сварка.

Электрическая контактная сварка эффективна при сборке кузовов, кабин автомобилей и тракторов. За последние годы при изготовлении деталей автомобилей и тракторов начали применять сварку высокой частоты.

4. 1. 1. Ручная электрическая дуговая сварка

Основоположниками ручной сварки дуговой сварки являются русские ученые. В 1802 г. профессор физики Петров В. В. открыл явление электрической сварочной дуги.

Электрической сварочной дугой называется мощный стационарный электрический разряд в газовой ионизированной среде. Горение электрической дуги сопровождается большим выделением тепловой энергии и сильным световым эффектом. Электрическая дуга является концентрированным источником тепловой энергии.

Основоположниками использования тепла электрической дуги для сварки были русские инженеры Бенардос Н. Н. И Славянов Н. Г.

В 1882 г. Бенардос Н. Н. предложил ручную электрическую дуговую сварку неплавящимся угольным электродом, а в 18883 г. Славянов Н. Г. разработал электрическую дуговую сварку плавящимся электродом.

При ручной электрической дуговой сварке на электроды подается напряжение от 40 до 90 В, при котором электрическая сварочная дуга не горит; это напряжение называется напряжением холостого хода. Электрическая сварочная дуга зажигается коротким замыканием.

Схемы ручной дуговой сварки с плавящимся и неплавящимся электродами приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы ручной дуговой сварки: а) – с плавящимся электродом; б) – неплавящимся электродом; Uхх – напряжение холостого хода.

При электрической дуговой сварке электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая концентрированно вводится в свариваемые заготовки и оплавляет их в месте соединения, а также оплавляется присадочный стержень или плавящийся электрод.

Полная тепловая энергия, выделяемая при горении электрической сварочной дуги, может быть рассчитана по формуле:

Q_п = I∙U∙τ, Дж (1)

где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В); τ – время сварки (с).

Однако не вся тепловая энергия, выделяющаяся при горении сварочной дуги, расходуется на нагрев и расплавление основного металла и электрода; часть тепловой энергии рассеивается в окружающей среде и на плавление покрытия электрода.

Эффективной тепловой энергией (Q_эфф) называется полезно используемая при сварке теплота, которая рассчитывается по формуле:

Q_эфф = I∙U∙τ, Дж (2)

где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В); τ – время сварки (с).

Полная тепловая мощность рассчитывается по формуле:

Q_п = I∙U, Вт (3)

где I – сила сварочного тока (А); U – напряжение сварочной дуги (В).

Эффективная тепловая мощность рассчитывается по формуле:

Q­_эфф = η∙I∙U, Вт (Дж/с) (4)

где η – коэффициент полезного использования тепловой энергии сварочной дуги; I – сила сварочного тока (А); U - напряжение сварочной дуги (В).

Коэффициент полезного действия использования тепловой энергии сварочной дуги (η) зависит от конкретных условий сварки. Так, при ручной дуговой сварке величина этого коэффициента может колебаться в пределах η = 0,6 – 0,82.

В процессе сварки плавящиеся электроды нагреваются двумя источниками:

- тепловой энергией сварочной дуги Q_эфф;

- теплотой, выделяющейся при протекании электрического тока на вылете электрода (длина электрода от электродержателя до конца электрода) Ql.

Тепло, выделяемое на вылете электрода Ql, рассчитывается по формуле Джоуля-Ленца:

Q1 = I²∙R∙τ, Дж (5)

где I – сила сварочного тока (А); R – омическое сопротивление вылета электрода (Ом); τ – длительность сварки (с).

Омическое сопротивление вылета электрода R = (ρ∙lвыл∙10^-3)/S, Ом,

где ρ – удельное сопротивление (Ом∙мм²/м); lвыл – длина вылета электрода (мм); S – площадь поперечного сечения электрода (мм² ).