Материал: Технология сварочного производства

Технология сварочного производства

Контрольная работа

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Содержание

1. Физическая сущность сварки. Классификация видов сварки

. Термический класс сварки

.1 Электродуговая сварка

.2 Плазменная сварка

.3 Электрошлаковая сварка

.4 Газовая сварка и резка металлов

. Термомеханический и механический классы сварки

.1 Электрическая контактная сварка

. Новые способы сварки

. Технология сварки различных металлов и сплавов

.1 Свариваемость металлов и сплавов

.2 Сварка углеродистых и легированных сталей

.3 Сварка высоколегированных сталей

.4 Сварка чугуна

.5 Сварка алюминия и его сплавов

.6 Сварка меди и ее сплавов

.7 Сварка магниевых сплавов

.8 Сварка титановых сплавов

. Контроль качества сварных соединений

. Технологичность сварных соединений

Литература

1. Физическая сущность сварки. Классификация видов сварки

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения отдельных заготовок или узлов из твердых материалов за счет межатомных сил сцепления с применением нагрева их до жидкого или пластического состояния и с приложением механического усилия или без него. Сваривать можно как металлы, так и неметаллические материалы: пластмассы, стекло, горные породы, костное вещество и др.

Твердые тела, состоящие из элементарных частиц (атомов), связаны в одно целое силами сцепления, которые возникают вследствие взаимодействия электронных оболочек атомов. Чтобы получить из твердых частей неразъемное соединение, необходимо привести в действие силы сцепления. Для чего нужно сблизить атомы соединяемых частей на расстояние, равное параметру их кристаллической решетки (т.е. на расстояние порядка 1А=10⁸ см), а затем активизировать силы сцепления. Такому сближению атомов препятствуют, как правило, неровности поверхностей соединяемых частей, их загрязнение окислами, органическими пленками и адсорбированными газами. Чтобы устранить это препятствие, применяют нагрев соединяемых частей или давление (либо то и другое в комплексе).

Бурное развитие промышленности и всех отраслей техники вызывает появление и развитие новых видов сварки. В настоящее время современный сварочный процесс насчитывает более 60 видов.

Все виды сварки классифицируются по форме подводимой энергии. Различают термический, термомеханический и механический классы сварки.

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

К термомеханическому классу относятся виды сварки, с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, газопрессовая и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, трением, холодная и др.).

2. Термический класс сварки

.1 Электродуговая сварка

Дуговая электрическая сварка является в настоящее время наиболее распространенным видом сварки, т.к. в большинстве случаев наиболее дешева, позволяет получить высокие температуры и легко реализуется. Источником тепла при дуговой сварке является электрическая дуга, которая горит между двумя электродами. Обычно одним электродом является свариваемое изделие.

Для питания дуги используются как постоянный, так и переменный ток. Дуга может быть открытой и защищенной слоем флюса.

Различают следующие схемы электродуговой сварки.

Сварка неплавящимся электродом (по способу Бенардоса).

В качестве неплавящегося электрода используется вольфрамовый или угольный электрод.

Сварка плавящимся металлическим электродом (по способу Славянова).

Сварка дугой косвенного действия.

Свариваемая деталь не является электродом. За счёт тепла дуги, горящей между двумя электродами, оплавляется основной металл и один из электродов (или оба электрода).

Сварка трёхфазной дугой. В этом случае дуга горит между электродами и между каждым электродом и изделием.

Электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуга, используемая при сварке - так называемая сварочная дуга - является мощным, длительно существующим между находящимися под напряжением электродами электрическим разрядом в смеси паров и газов. В обычных условиях при низких температурах газы не проводят электрический ток. Для того чтобы газ был проводником электрического тока, в нем должны быть заряженные частицы - электроны и ионы. Это достигается за счет внешней энергии (тепловой и электрической). Количество энергии, необходимое для полного удаления электрона из атома, пара или газа, т.е. на получение свободного электрона и положительного иона, называется потенциалом ионизации и выражается в электрон-вольтах (Э-B). Наименьший потенциал ионизации имеют вещества, содержащие элементы щелочной группы.

Зажигание электрической дуги происходит в три этапа:

1 Короткое замыкание электрода на свариваемое изделие с целью разогрева торца электрода и зоны контакта изделия под электродом.

Отвод электрода на расстояние 3…6 мм от изделия. При этом с торца электрода происходит эмиссия (испускание) электронов.

Возникновение и поддержание устойчивого дугового разряда.

Суть процесса зажигания дуги сводится к следующему.

Движущиеся с большой скоростью электроны ионизируют газ между электродом и деталью. Газ становится электропроводным - возникает электрический разряд в газе - сварочная дуга. В дуговом промежутке различают три характерные области: катодную, примыкающую к катоду, длина её примерно 10^-5 см, анодную, примыкающую к аноду, протяженностью 10³…10^-5см, и положительный столб дуги - средняя часть дугового промежутка. При дуговом разряде на поверхности анода и катода образуются наиболее нагретые участки, так называемые анодное и катодное пятна.

Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепла и сильным лучеиспусканием. Температура столба дуги достигает 6000…8000 ⁰С, и на активных пятнах близка к температуре кипения металла. При этом в анодной области дуги выделяется, как правило, значительно больше тепловой энергии.

Полная тепловая мощность дуги, Дж/с, равна Q = KI_cвU_д, где К - коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (К = 1 - для постоянного тока, К = 0,7…0,97 - для переменного тока); I_св - сварочный ток, А; U_д - напряжение дуги, В.

Часть мощности дуги, расходуемая на нагрев заготовки, называется эффективной тепловой мощностью дуги и равна, Дж/с, q = hQ, где h - КПД дуги, h = q/Q величина его зависит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов (0,6…0,9).

К основным параметрам, характеризующим электрические свойства дуги, относятся: напряжение, ток, длина дуги. Зависимость между напряжением и током дуги при её устойчивом горении выражается статистической вольтамперной характеристикой (рис.1).

Характеристика может быть падающей (участок 1), жесткой (2), возрастающей (3). Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой.

Дугу с возрастающей характеристикой применяют при автоматической сварке под флюсом на повышенных плотностях тока и при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение.

Рисунок 1

Источники питания сварочной дуги

Должны обеспечивать возбуждение и стабильное горение дуги, ограничивать ток короткого замыкания и быть безопасными в работе. В момент зажигания дуги вследствие недостаточной степени ионизации воздушного промежутка требуется повышенное напряжение. Величина напряжения, необходимого для зажигания дуги (Uз), должна быть не ниже 30…35 В для источников постоянного тока и не менее 50…55 В для источников переменного тока, в то время как для устойчивого горения дуги в установившемся режиме достаточно напряжения 18…30 В. Из условия безопасности Ux.x (напряжение холостого хода источника) не должно превышать 80 В.

При коротких замыканиях сварочной цепи, происходящих как в момент зажигания дуги (для переменного тока 50 раз/с) и переноса электродных капель через дуговой промежуток, сварочный ток сильно возрастает. При этом для предохранения обмоток источника питания от перегрева и повреждения ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40…50%. Для ограничения тока короткого замыкания необходимо, чтобы источники питания имели так называемую падающую внешнюю характеристику.

Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующих видов: падающая 1, полого падающая 2, жесткая 3 и возрастающая 4 (рис.2).

Падающая или полого падающая внешняя характеристика обеспечивает устойчивое горение дуги с жесткой характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом).

Рисунок 2

Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристики дуги 2 и источника питания 1 (рис.3). Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги, точка А - режиму холостого хода (в период разомкнутой сварочной цепи), точка Д - режиму короткого замыкания. Для питания дуги с возрастающей статической характеристикой (обеспечения устойчивости дуги) применяют источники тока с жесткой или с возрастающей характеристикой (сварка в среде защитных газов плавящимся электродом, автоматическая под флюсом на токах повышенной плотности).

Рисунок 3

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Источники переменного тока находят большее применение, так как проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД. В тоже время при использовании постоянного тока повышается устойчивость горения дуги (особенно при сварке на малых токах), улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, есть возможность вести сварку на прямой и обратной полярности.

Сварочный трансформатор - снижает напряжение сети (220 или 380 В) до напряжения холостого хода трансформатора (60…80 В). Как правило, трансформаторы имеют падающую внешнюю характеристику и используются для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом.

Сварочные преобразователи - источники постоянного тока состоят из генератора постоянного тока и электродвигателя переменного тока или двигателя внутреннего сгорания. Подразделяют на однопостовые и многопостовые.

Сварочные выпрямители - получили большое распространение. Их основные преимущества: высокий КПД, отсутствие вращающихся частей, бесшумность в работе, небольшая масса.

Выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трёхфазного трансформатора с устройством регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока.

Выпрямление тока осуществляется по трёхфазной схеме Ларионова. Мост состоит из 6 плеч, в каждом из которых установлены диоды, обеспечивающие выпрямление обоих полупериодов переменного тока в трех фазах. Применяют различные типы сварочных выпрямителей:

б) с падающей внешней характеристикой для ручной сварки;

в) универсальные. Предназначены для питания дуги при сварке под флюсом, в защитных газах, а также при ручной сварке.

Ручная дуговая сварка

Выполняется сварочными электродами, которые подаются в зону дуги и перемещаются вдоль стыка вручную. Металлический сварочный электрод состоит из металлического стержня и электродного покрытия. В процессе сварки дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл стекает каплями в металлическую ванну. Покрытие электрода также плавится и разлагается, образуя защитную газовую атмосферу и жидкую шлаковую ванну. Жидкий металл, кристаллизуясь, образует сварной шов, жидкий шлак после остывания - твердую шлаковую корку. Таким образом, процесс сварки связан со следующими основными физическими явлениями: расплавлением основного и присадочного металла, кристаллизацией оплавленного металла. При этом в зоне сварочной дуги протекает ряд металлургических процессов, связанных с окислением или испарением легирующих элементов, поглощением газов (О, Н, N) расплавленным металлом. В результате состав сварочного шва может отличаться от составов электродного и основного металла. Кроме того, может наблюдаться снижение механических свойств шва. В связи с этим с помощью электродного покрытия и стержня электрода при сварке обеспечиваются процессы раскисления и легирования металла шва.

Электроды и электродные покрытия для дуговой сварки

Для заполнения шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка при ручной дуговой сварке или проволоки при механизированной сварке. Стальная холоднотянутая проволока, идущая на изготовление электродов или применяемая как сварочная изготовляется диаметром от 0,3 до 12 мм. Проволока диаметром 0,3…3 мм используется для механизированной сварки в среде защитных газов от 2 до 6 мм - механизированной сварке под флюсом, 1,6…12 мм - для изготовления электродов. По химическому составу ГОСТ устанавливает три группы марок сварочной проволоки: 1 - низкоуглеродистые с содержанием не более 0,12% С, 2 - легированные, 3 - высоколегированные. Маркируются: 1 - СВ08, 2 - СВ08Г2С, 3 - СВ10Х13.

Металлические сварочные электроды изготавливают диаметром 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12 мм. Длина стержня в зависимости от диаметра составляет 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450 мм.

Электроды классифицируют по назначению и виду покрытия. По назначению стальные электроды подразделяются на 5 классов: для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с s_в  600 МПа, легированных конструкционных сталей с s_в > 600 МПа, легированных жаропрочных сталей, высоколегированных сталей с особыми свойствами и для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

По виду покрытия электроды делят на электроды с кислым (А), рутиловым (Р), основным (Б) и целлюлозным (Ц) покрытием.

Электродные покрытия делят на две группы: тонкие (стабилизирующие или ионизирующие), толстые (качественные).

Тонкие покрытия не создают защиты металла, его используют для неответственных швов.

Ответственные сварные соединения выполняют электродами с качественным покрытием.

Покрытие выполняет следующие функции:

Обеспечивает устойчивое горение дуги.

Защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха.

Раскисляет металл шва.

Легирует металл шва.

Рафинирует (удаляет S и P).

Образует шлаковую корку (замедляет охлаждение металла, тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва).

Для выполнения названных функций качественное покрытие должно содержать следующие компоненты:

Ионизирующие (мел, мрамор, поташ, полевой шпат, РЗМ и др.).

Газообразующие (крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.).

Шлакообразующие (полевой шпат, кварц, мрамор, плавиковый шпат, рутил, марганцевая руда и др.).

Раскисляющие (ферросплавы, графит и др.)

Легирующие (ферросплавы).

Связующие (жидкое стекло).

В зависимости от шлаковой основы покрытия подразделяют на 4 вида:

Кислые покрытия содержат руды железа и марганца. Для уменьшения окисления вводят ферросплавы. Рутиловые в качестве шлакообразующих компонентов содержат рутил - основной компонент, а также полевой шпат и мрамор. Раскислитель - FeMn.

Основные покрытия (фтористо-кальциевые) на основе мрамора и плавикового шпата.