Технология сварного соединения металлов

Сварка является одним из ведущих технологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сварки обеспечили ее широкое применение в народном хозяйстве; без нее сейчас немыслимо производство судов, турбин, котлов, самолетов, мостов, реакторов и других конструкций. Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Сварное соединение металлов характеризуется непрерывностью структур. Для получения сварного соединения необходимо осуществить межмолекулярное сцепление между свариваемыми деталями, приводящее к установлению атомарной связи в пограничном слое. Наибольшее распространение получили различные способы электрической сварки плавлением, а ведущее место занимает дуговая сварка, источником теплоты служит электрическая дуга. В 1802 г. русский ученый В. В. Петров (1761−1834гг.) открыл электрический дуговой разряд и указал на возможность его использования для плавления металлов. Своим открытием Петров положил начало развитию новых отраслей технических знаний, получивших впоследствии практическое применение сначала в электродуговом освещении, а затем при электрическом нагреве, плавке и сварке металлов. В 1882 г. русский инженер Н. Н. Бенардос (1842−1904гг.) работая над созданием крупных аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им были также разработаны способы дуговой сварки в защитном газе, дуговой резке и другие. Способ дуговой сварки получил дальнейшее развитие в работах русского инженера Н. Г. Славянова (1854−1897гг.), предложившего в 1888 г. производить сварку плавящимся металлическим электродом. С именем Славянова связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, создание первого автоматического регулятора длины дуги и первого сварочного генератора. Им предложены флюсы, позволяющие получить высококачественный металл сварных швов.

Изобретения Бенардоса и Славянова были запатентованы и использованы не только в России, но и во всех промышленно развитых странах. Отсталая промышленность дореволюционной России не могла в должном объеме использовать дуговую сварку. Широкое промышленное применение и развитие сварки в нашей стране началось после победы Великой Октябрьской социалистической революции. В конце 40-х годов получил промышленное применение способ дуговой сварки в защитных газах. Газ для защиты зоны сварки впервые использовал американский ученый А. Александер еще в 1928 г, однако в те годы этот способ не нашел серьезного промышленного применения из-за сложности получения защитных газов. Положение изменилось после того, как для защиты были использованы пригодные для массового применения газы (гелий и аргон в США, углекислый газ в СССР) и различные смеси газов. Сварку неплавящимся (угольным) электродом в углекислом газе впервые осуществил Н. Г. Остапенко. Затем усилиями коллективов ЦНИИТМАШа, института электросварки им. Е. О. Патона и ряда промышленных предприятий был разработан способ дуговой сварки в углекислом газе плавящимся электродом. Использование дешевых защитных газов, улучшение качества сварки и повышение производительности процесса обеспечили широкое применение этого способа главным образом при полуавтоматической сварке различных конструкций. Объем применения полуавтоматической сварки в защитных газах из года в год возрастает. Ее широко используют вместо ручной сварки покрытыми электродами и автоматической сварки под флюсом.

1. Описательная часть

1.1 Описание конструкции балки

В машиностроении балки являются основными элементами рамных конструкций, кроме того балки являются элементами кранов, разных перекрытий, мостов и других сооружений. Сварные двутавровые балки изготавливаются высотой от 0,6 до 2 м, с толщиной стенки 10−16мм и с толщиной полок от 16 до 50 мм. Такие балки при высоте до 800 мм, не имеют ребер жесткости, при большей высоте обязательно устанавливают вертикальные ребра жесткости. Для коротких балок длиной 4−5м, для жесткости возможна установка только косынок. Сварные двутавровые балки имеют преимущество по сравнению с прокатными, т. к. они имеют меньший вес. Кроме того сваркой можно получить тонкостенные двутавровые балки с облегченной стенкой или с не симметричными полками. Изготовление балок со сплошной стенкой позволяет широко применять механизированные способы сварки. Очень технологичны сварные балки из гнутых элементов, они могут свариваться контактной сваркой. В строительстве применяют двутавровые балки с вырезами. Такие балки имеют следующие преимущества:

· экономия веса;

· возможность изготовления балок различной высоты и прочности из одного и того же профиля (листа);

· красивый вид в архитектурном отношении;

уменьшение окрашиваемой поверхности; Балки коробчатого сечения чаще всего используются при изготовлении конструкций крановых мостов и могут иметь большую длину. В этом случае полки и стенки составляются из нескольких листовых элементов, свариваемых встык. На общую сборку полки обычно поступают в виде полосы требуемой длины, а боковые стенки или подают в готовом виде или набирают из отдельных листов. Для повышения жесткости и предотвращения скручивания внутри балки устанавливаются ребра жесткости, которые называют диафрагмы, причем существует определенная схема расстановки, согласно которой между 2 большими диафрагмами устанавливают 3 малых, высота которых в половину меньше высоты больших диафрагм. Рассматриваемая в дипломном проекте коробчатая балка (рисунок 1) состоит из 2 горизонтальных и 2 вертикальных листов, каждый горизонтальный лист состоит из 5 листов размерами 10*450*2000 мм, каждый вертикальный лист состоит из 5 листов размерами 8*1080*2000 мм. Для повышения жесткости установлены 4 большие диафрагмы размерами 4*400*1080 мм и 11 малых диафрагм размерами 4*400*540 мм. Коробчатые балки относятся к линейным конструкциям, так как имеют прямолинейные швы, учитывая большой объем сварочных работ и значительную протяженность сварных швов, с целью предотвращения деформаций необходимо соблюдать определенную последовательность наложения швов особенно поясных, кроме того нужно выполнять правку после сварки отдельных узлов балки, эти мероприятия позволяют снизить сварочные деформации и повысить работоспособность конструкции.

Обоснование выбора материала Низколегированными называются стали, содержащие до 0,2% С и до 2−3% в основном недефицитных легирующих элементов. Они не намного дороже углеродистых, но обладают рядом важных преимуществ: более высоким пределом текучести, что позволяет снизить расход металла на 15−30%, пониженной склонностью к механическому старению; повышенной хладостойкостью, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью; возможностью значительно повысить после закалки и отпуска прочность, вязкость, изностойкость и чувствительность к надрезу. Все это в сочетании с хорошей свариваемостью обусловило широкое применение этих сталей при изготовлении трубопроводов и аппаратов, всевозможных сварных конструкций в вагоностроении, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении и других. Стали не флокеночувствительны и не склонны или мало склонны к отпускной хрупкости. Для изготовления коробчатой балки используется сталь 14Г2, характеристики которой указаны в таблицах 1 и 2.

Таблица 1- Механические свойства стали

Таблица 2- Химический состав стали в %

Входящие элементы влияют на свойства стали. Углерод находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличивается, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается. Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель. Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний тем самым затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости. Марганец снижает критическую скорость охлаждения, уменьшает вязкость феррита. Марганец используется для частичной замены никеля с целью получения нужного сочетания механических свойств стали, а также с учетом меньшей стоимости марганца. Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения.

Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также замедлению процесса распада мартенсита. Никель увеличивает пластичность, и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений; Сера находится в стали главным образом в виде сульфида железа FeS и является вредной примесью. Она сообщает стали хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости, уменьшает коррозионную стойкость. Фосфор образует с железом соединение FeP, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки, обычно они располагаются по границам зерен, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии.

2. Расчетно — технологическая часть

2.1 Особенности сварки в среде углекислого газа

Сущностью и отличительной особенностью дуговой сварки в защитных газах является защита расплавленного и нагретого до высокой температуры основного и электродного металла от вредного влияния воздуха защитными газами, обеспечивающими физическую изоляцию металла и зоны сварки от контакта с воздухом и заданную атмосферу в зоне сварки. Используют инертные и активные защитные газы. При дуговой сварке применяют два основных способа газовой защиты: местную и общую в камерах (сварка в контролируемой среде). Наиболее распространенной является струйная местная защита в потоке газа, истекающего из сопла сварочной горелки. Качество струйной защиты зависит от конструкции и размеров сопла 1, расхода защитного газа и расстояния L от среза сопла А-А до поверхности свариваемого материала (рисунок 5). В строении газового потока различают две области: ядро струи 2 и периферийный участок 3. При истечении в окружающую воздушную среду в ядре потока 2 сохраняются скорость и состав газа, имеющиеся в сечении А-А на срезе сопла. Периферийная же часть потока 3 представляет собой область, в которой защитный газ смешивается с окружающим воздухом, а скорость в любом сечении по длине потока изменяется от первоначальной (с имеющейся на срезе сопла) до нулевой на внешней границе струи, поэтому надежная защита металла может осуществляться только в пределах потока ядра. Чем больше высота Н этого участка, тем выше его защитные свойства. Максимальная высота Н наблюдается при ламинарном истечении газа из сопла. При турбулентном характере истечения газа такое строение потока нарушается, и защитные свойства его резко падают. Характер истечения зависит от конфигурации проточной части сопла, его размеров и расхода газа. На практике применяют 3 вида сопл: конические, цилиндрические и профилированные (рисунок 6).

Рисунок 6 Виды сопл а) конические б) цилиндрические в) профилированные

Преимущество этого вида сварки перед сваркой под флюсом состоит в том, что сварщик может наблюдать за ходом процесса и горения дуги, которая не закрыта флюсом, не нужны приспособления для подачи и отсоса флюса, усложняющие сварочное оборудование, отпадает необходимость в последующей очистке швов от шлака и остатков флюса, что особенно важно при многослойной сварке. Основными достоинствами способа сварки в углекислом газе являются:

· хорошее использование тепла сварочной дуги, вследствие чего обеспечивается высокая производительность сварки;

· высокое качество сварных швов;

· возможность сварки в различных пространственных положениях с применением аппаратуры для полуавтоматической и автоматической сварки;

· низкая стоимость защитного газа;

· возможность сварки металла малых толщин и сварки электрозаклепками;

возможность сварки на весу без прокладки. Коэффициент наплавки при сварке при сварке в углекислом газе выше, чем при сварке под флюсом. При сварке постоянным током прямой полярности этот коэффициент в 1,5- 1,8 раза выше, чем при обратной полярности. Процесс сварки отличается высокой производительностью, достигающий 18кг/ч наплавленного металла. Скорость достигает 60 м/ч. Производительность сварки в углекислом газе в 1,5−4 раза выше, чем производительность ручной сварки покрытыми электродам, и в 1,5 раза выше, чем при сварке под флюсом.

2.2 Подготовка металла к сварке

Подготовка включает резку металла, правку, разметку и очистку от различных загрязнений. Резка может быть заготовительной и как операция изготовления деталей без последующей механической обработки. Она осуществляется различными способами: механическим, термическим и другие. Механическая резка осуществляется ножницами, пилами и пригодна для всех металлов. Листовой металл режут на пресс-ножницах, гильотинных, дисковых и вибрационных ножницах. Ввиду больших пластических деформаций в месте реза на кромках появляется наклеп. В зависимости от толщины металла область наклепа распространяется до 4−6 мм. В ответственных сварных конструкциях явление наклепа на кромках не допускается, а поэтому строгание кромок производят с целью удаления всей области наклепанного металла. Резка листов на пресс-ножницах осуществляется в поперечном и продольном направлениях. Длина реза 500−700 мм. Толщина металла 13−32 мм. Число ходов 13−20 в минуту. На пресс-ножницах для продольной обрезки листов возможна резка листов с небольшой кривизной. Заготовки из листов после резки на пресс-ножницах требуют правки. Узкие полосы приобретают спиральную и серповидную форму и их правят на ребрах. Поэтому для прямолинейной резки длинных листов до 3 м и толщиной до 32 мм применяют гильотинные ножницы с числом проходов 10−11 в минуту. Они более производительны, дают чистый рез, а заготовки меньше деформируются, чем при резке на пресс-ножницах. Резка листов одинаковой ширины на гильотинных ножницах ведется по упорам, что сокращает трудоемкость и устраняет разметку.

На гильотинных ножницах можно производить поперечную резку, резку кромки листов на фаску. Правка листов производится в холодном состоянии путем местной пластической деформации, как правило, до разметки, наметки и резки. Если необходима резка металла с целью грубого его деления на части, то правку производят после такой резки. Правка основана на растяжении металла до пределов текучести с целью сохранения его пластических свойств. Правка производится многократным пропусканием листов между двумя рядами валков. Правка металла осуществляется на гибочных вальцах или прессах, в зависимости от сортамента металла, а иногда вручную на чугунных или сварных плитах. Разметка деталей является трудоемкой операцией и требует высокой квалификации рабочего. Она производится с помощью штангенциркуля, рулетки, линейки и чертилки. При изготовлении коробчатой балки, разметка выполняется для установки стенок на полку и для установки диафрагм. Очистка от окалины, ржавчины и других загрязнений, является трудоемкой операцией и зависит от марки материала, способа сварки и требований к качеству конструкции, кроме того учитывается объем выполняемых работ. Для удаления окалины в единичном производстве используют метод механической очистки кромок напильником или шлифовальной машинкой, если производство серийное можно использовать зачистку иглофрезой, которая представляет собой круглую щетку из нержавеющих самозатачивающихся проволок. Иглофреза вращается и может снимать слой металла толщиной от 0,5 до 5 мм. Этот способ является высокопроизводительным и используется только для углеродистых сталей с невысоким качеством отделки поверхности. К химическим способам относится:

· обезжиривание;

травление; Травление применяют для подготовки цветных металлов и высоколегированных сталей. Для низколегированной стали марки 14Г2 используется метод обезжиривания в растворе следующего состава:

· технический тринатрийфосфатNa2PO4 50г/л

· кальцинированная содаNa2CO3 25г/л

· едкий натрNaOH 40г/л температура 60−70 С. После обезжиривания ведется промывка в горячей воде при температуре 70−800 С, затем в холодной проточной воде. Химическая очистка может выполняться в ваннах методом окунания или методом струйной обработки. Струйный метод производительней ванного он заключается в том, что детали перемещаются вдоль ванны и при этом их поверхность обливается струями раствора под давлением, этот метод требует обязательной механизации травильного отделения, поэтому чаще всего применяется в крупносерийном и массовом производстве. Так как коробчатые балки изготавливаются в условиях мелкосерийного производства, то более целесообразным является обезжиривание методом окунания в ваннах.

2.3 Сварочные материалы

Сварочными называют материалы, обеспечивающие возможность протекания сварочных процессов и получения качественных сварных соединений. Сварочными материалами для автоматической и полуавтоматической сварки в среде углекислого газа является углекислый газ и сварочная проволока. Углекислый газ (двуокись углерода). В природе широко распространен углекислый газ. Его используют в пищевой промышленности, для тушения пожаров, при сварке, в литейном производстве. Углекислый газ бесцветный, со слабым запахом, хорошо растворяется в воде и придает ей кислый вкус. При 00 С и 760 мм рт. ст. удельный вес углекислого газа равен 1,97 686*10−3кгс/л, плотность по отношению к воздуху составляет 1,524. Температура кипения 78,90 С, температура затвердевания -56.60 С, критическая температура +310 С, критическое давление 75 кгс/см2. Жидкая углекислота — бесцветная жидкость. При температуре ниже +110С, она тяжелее воды, а выше +110С — легче. Удельный вес углекислоты значительно изменяется с температурой, поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой углекислоте в интервале температур 5,8 — 22,90С не более 0,05%. Углекислота хорошо растворяет машинное масло. Твердая двуокись углерода — «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег или лед. Удельный вес технического сухого льда равен г=1,4*10−3 кгс/л. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое — 99,93−99,99%; содержание влаги в пределах 0,06−0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для хранения и транспортировки его используют контейнеры емкостью 100−1500 кг. Потери сухого льда в этих контейнерах составляют 3−9,54% в сутки. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Жидкая углекислота превращается в газ при подводе к ней тепла. При нормальных условиях (200С и 760 мм рт. ст.) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509л газа. При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе тепла углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении тройной точки (давлении 5,28кгс/см2 и температуре -56,60С) она превращается в сухой лед. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше тепла, чем для испарения углекислоты; поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно. Для получения швов высокого качества необходим углекислый газ высокой чистоты. Поэтому при сварке используют только сварочный углекислый газ или пищевой с дополнительной осушкой (таблица 3).

Таблица 3- Состав углекислого газа по ГОСТ 8050–79

Углекислота не должна содержать масел, кислот, органических соединений, аммиака и моноэтаноламина. Углекислый газ получают в промышленности несколькими способами, из которых наиболее распространены следующие:

· из газов, образующихся при брожении спирта, пива, расщепления жиров;

· из отходящих газов химического производства, в первую очередь при производстве синтетического аммиака и метанола, отходящие экспанзерные газы содержат примерно 90% углекислого газа;

· из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих уголь, природный газ и другое топливо, дымовой газ содержит 12−20% углекислого газа. Жидкая углекислота хранится и транспортируется в баллонах, причем в стандартные баллоны емкостью 40 литров летом заливают 25 литров углекислоты, при испарении которой образуется 12 600 литров газа, а зимой заливают 30 литров углекислоты, при испарении которой образуется 15 120 литров газа. Сварочную углекислоту не разрешается заливать в баллоны из-под пищевой и технической в связи с тем, что последние порции газа, выходящие из баллона могут содержать повышенное количество паров воды. Нельзя использовать сварочный углекислый газ при давлении меньше 4 атмосфер. Для изготовления выбираю углекислый газ первого сорта по ГОСТ 8050–79. Сварочная проволока. При сварке сталей используют холоднотянутую стальную сварочную проволоку по ГОСТ 2246–80, который предусматривает изготовление проволоки 75 марок. В зависимости от уровня легирования, сварочная проволока подразделяется на низкоуглеродистую, легированную, высоколегированную. Для изготовления коробчатой балки из стали марки 14Г2 используется легированная проволока марки Св-08Г2С. Химический состав проволоки указан в (таблице 4).

Таблица 4- Химический состав проволоки %

В зависимости от назначения стальную сварочную проволоку подразделяют на проволоку для сварки и проволоку для изготовления электродов. По виду поверхности проволоку подразделяют на неомедненную и омедненую. Необходимость поставки проволоки с омедненой поверхностью оговаривается в заказе. Для сварки коробчатой балки выбираю омедненую проволоку, которая обеспечивает лучший электрический контакт, а следовательно повышаются сварочно — технологические свойства. Проволоку с омедненой поверхностью поставляют в мотках прямоугольного сечения, размеры которых должны соответствовать указанным в (таблице 5).

Таблица 5- Размеры мотков прямоугольного сечения, мм

Проволока в мотках должна состоять из одного отрезка, свернутого не перепутанными рядами и плотно увязанного таким образом, чтобы исключить возможность распушивания или разматывания мотка, концы проволоки должны быть легко находимы, допускается контактная стыковая сварка отдельных кусков проволоки одной плавки, при этом поверхность проволоки в зоне сварного соединения должна соответствовать требованиям ГОСТ 2246–80. Временное сопротивление разрыву проволоки должно соответствовать нормам указанным в таблице 6.

Таблица 6- Временное сопротивление разрыву кг/мм2

Колебания временного сопротивления разрыву в одном мотке проволоки диаметром более 1,4 мм не должны превышать 10кг/мм2. Поверхность проволоки должна быть чистой и гладкой, без трещин, расслоений, раковин, забоин, окалины, ржавчины, масла и других загрязнений, на поверхности проволоки допускаются риски, царапины и отдельные вмятины, глубина которых не превышает предельное отклонение по диаметру проволоки. По требованию потребителя, проволока может поставляться с улучшенной поверхностью, в этом случае на поверхности проволоки допускаются мелкие волочильные риски, царапины, отдельные вмятины, глубина которых не более ј предельного отклонения по диаметру. На поверхности проволоки не допускается наличие технологических смазок за исключением следов мыльной смазки без графита и серы. Проволока поставляется партиями. Каждая партия должна состоять из проволоки одной марки, одной плавки, одного диаметра, одного назначения и одного вида поверхности. Стальная сварочная проволока, применяемая в небольших количествах, может изготавливаться по технологическим условиям, которые разработаны, согласованы и утверждены в установленном порядке.

2.4 Режимы сварки

К основным параметрам режимов сварки в защитных газах относятся: диаметр электродной проволоки, марка проволоки, сила сварочного тока, род тока и полярность, напряжение дуги, скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки, расход защитного газа. Дополнительными параметрами являются: наклон электрода вдоль оси шва, вылет электрода. Рассмотрим влияние отдельных факторов режима сварки на форму и размеры шва, а также его качество. Диаметр электродной проволоки выбирают в пределах 0,5−3мм в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. С уменьшением диаметра проволоки при прочих равных условиях повышается устойчивость горения дуги, увеличивается глубина провара и коэффициент наплавки, уменьшается разбрызгивание жидкого металла. С увеличением диаметра проволоки должна быть увеличена сила сварочного тока. Марка электродной проволоки. Углекислый газ является окислителем. При сварке в его среде происходит окисление железа и примесей, находящихся в стали. Для восстановления их, сварка должна производиться специальными электродными проволоками, в состав которых входят раскислители. Для сварки низкоуглеродистых сталей такими проволоками является Св08ГС, Св08Г2С, Св12ГС (ГОСТ 2246−70) с повышенным содержанием марганца и кремния. Сила сварочного тока. С увеличением силы сварочного тока повышается глубина провара, что приводит к увеличению доли основного металла в шве. Ширина шва сначала несколько увеличивается, а затем уменьшается. Силу сварочного тока устанавливают в зависимости от выбранного диаметра электрода. Сила тока также зависит от диаметра и состава электрода и скорости подачи электродной проволоки, полярности, вылета электрода и состава газа. Силу тока регулируют путем изменения скорости подачи проволоки, подогрева проволоки на вылете и изменения напряжения дуги. Стабильный процесс сварки с хорошими технологическими свойствами можно получить только в определенном диапазоне токов, который зависит от диаметра электрода. Сила тока является одним из основных факторов, определяющих глубину и форму провара, а также производительность расплавления проволоки.

Глубина провара при сварке в углекислом газе несколько больше, чем при сварке под флюсом. Это обусловлено, по-видимому, большим давлением дуги в углекислом газе, меньшим гидростатическим давлением жидкого металла, уравновешивающим давление дуги благодаря отсутствию слоя флюса на жидком металле, а также избыточного давления внутри флюсового пузыря. В результате при сварке в углекислом газе, дуга интенсивнее оттесняет металл из-под основания дуги. Сварку в углекислом газе плавящимся электродом производят на постоянном токе обратной полярности. Это объясняется тем, что при прямой полярности процесс сварки характеризуется большим разбрызгиванием даже при сварке значительно меньшими величинами тока. Это приводит к уменьшению глубины провара. Хотя коэффициент плавления электродной проволоки при сварке на обратной полярности в 1,5−1,8 раза меньше, чем при сварке на прямой полярности, это преимущество в большинстве случаев не удается использовать, т.к. при сварке на прямой полярности ширина шва значительно меньше, а высота выпуклости больше, чем при сварке на обратной полярности. Кроме того, сварка на прямой полярности характеризуется увеличением окисления элементов и повышением склонности шва к образованию пор. Но в некоторых случаях при сварке угловых швов в соединениях впритык и многопроходных стыковых швов применяют прямую полярность. Напряжение дуги и всего процесса является важнейшим элементом режима сварки. Особенно велика роль напряжения дуги Uд при сварке в углекислом газе с частыми короткими замыканиями. При уменьшении диаметра электрода влияние возрастает. С повышением Uд увеличивается общая длина дуги и ее внешняя составляющая, а также ширина шва, уменьшается высота усиления и улучшается форма шва. Однако одновременно с повышением Uд увеличиваются потери на разбрызгивание и окисление металла. С целью получения хорошей формы провара и внешнего вида шва и небольших потерь на разбрызгивание, а также высокой производительности, сварку следует вести на оптимальных напряжениях дуги. Величина их зависит от рода защитного газа, силы сварочного тока, пространственного выполнения сварки, диаметра и состава электрода, динамических свойств источника питания и других факторов. Скорость подачи электродной проволоки связана с силой сварочного тока. Ее устанавливают с таким расчетом, чтобы в процессе сварки не происходило коротких замыканий и обрывов дуги, а протекал устойчивый процесс плавления электрода. Скорость сварки. С увеличением скорости сварки уменьшаются все геометрические размеры шва. Она устанавливается в зависимости от толщины свариваемого металла и с учетом обеспечения хорошего формирования шва. Сварку металла большой толщины лучше выполнять более узкими валиками на большей скорости. При слишком большой скорости сварки конец электрода может выйти из зоны защиты и окислиться на воздухе. Медленная скорость сварки вызывает чрезмерное увеличение сварочной ванны и повышает вероятность образования пор в металле шва.

Расхода газа. Количество расходуемого углекислого газа в значительной степени влияет на качество сварного шва. Необходимое для сварки количество газа зависит от режима сварки и от формы и размеров свариваемого изделия. С увеличением расхода газа снижаются значения коэффициентов расплавления и наплавки, так как при этом столб дуги охлаждается поступающим в зону сварки углекислым газом. Но малый расход газа не удовлетворяет требованиям газовой защиты. Следовательно, величина расхода углекислого газа должна быть минимальной, но достаточной для создания надежной защиты расплавленного металла от окружающей атмосферы. При сварке проволокой диаметром 0,8−1,2 мм расход углекислого газа составляет 6−10 л/мин, а проволокой диаметром 1,6−2,0 мм составляет 10−20 л/мин. При этом наименьшее количество газа расходуется при сварке тавровых соединений и соединений в лодочку, при сварке стыковых — среднее, при сварке угловых соединений наибольшее. Это связано с тем, что условия защиты сварочной ванны в значительной мере зависят от типа соединения и положения шва. На расход углекислого газа существенное влияние оказывает и скорость перемещения дуги. С повышением скорости перемещения дуги расход углекислого газа надо увеличить, чтобы улучшить защиту сварочной ванны углекислым газом. При большой скорости перемещения дуги и недостаточном количестве углекислого газа сварочная проволока и ванна расплавленного металла не будут иметь нужной защиты. Повышение расхода углекислого газа при прочих постоянных факторах приводит к некоторому увеличению выгорания раскислителейкремния и марганцаи практически не влияет на количество углерода в металле шва. Вылет электрода. С увеличением вылета электрода ухудшаются устойчивость горения дуги и формирование шва, а также увеличивается разбрызгивание жидкого металла. Очень малый вылет затрудняет наблюдение за процессом сварки, вызывает частое подгорание газового сопла и токоподводящего контактного наконечника. Кроме вылета электрода необходимо выдерживать определенное расстояние от сопла горелки до поверхности металла, так как с увеличением этого расстояния ухудшается газовая защита зоны сварки и возможно попадание кислорода и азота в расплавленный металл, что приводит к образованию газовых пор. Величину вылета электрода, а также расстояние от сопла горелки до поверхности металла устанавливают в зависимости от выбранного диаметра электродной проволоки. Наклон электрода вдоль оси шва оказывает большое влияние на глубину провара и качество шва. При сварке углом вперед труднее вести наблюдение за формированием шва, но лучше видны свариваемые кромки и легче направлять электрод точно по зазору между ними. Ширина шва при этом возрастает, а глубина провара уменьшается. Сварку углом вперед рекомендуется применять при небольших толщинах металла, когда существует опасность сквозных прожогов.

При сварке углом назад улучшается видимость зоны сварки, повышается глубина провара и наплавленный металл получается более плотным. Режимы подбираются в зависимости от толщины металла и типа соединения, они указаны в таблице 7 и 8.

Таблица 7- Режимы сварки стыковых соединений

Таблица 8- Режимы сварки угловых соединений

2.5 Сборочно-сварочное оборудование и инструмент

К оборудованию для сварки предъявляются многочисленные и разнообразные требования, связанные с технологическими особенностями способов сварки,

спецификой сварных конструкций различных классов и технико-экономическими особенностями сварочного производства. Наиболее общими требованиями, предъявляемыми к рассматриваемому оборудованию, являются обеспечение высокого качества и производительности технологического процесса, надежности работы и эргономических показателей оборудования, а также рационального расходования материалов и электроэнергии, минимальных затрат на его изготовление. Обеспечение высокого качества сварных соединений требует:

· точной сборки и фиксации свариваемых соединений в рабочей зоне с учетом особенностей заготовок (значительные допускаемые отклонения от номинальных размеров и форм, возможные заусенцы, задиры, окалина, прилипшие брызги металла) и сварочных деформаций;

· надежной защиты сварочной ванны от воздействия атмосферы путем подачи в зону сварки защитного газа, флюса, использование самозащитных проволок, вакуумных;

· обеспечение заданного положения и ориентации источника нагрева относительно свариваемого соединения с компенсацией случайных отклонений линии соединения от расчетного положения;

· поддержания заданных значений параметров процесса сварки или изменения их по заданному закону с учетом случайных отклонений параметров соединения, подготовленного под сварку, от номинальных значений;

применение прогрессивных сварочных технологий и материалов (форсированные режимы, использование многодуговой и многоэлектродной сварки, ленточных электродов). Высокая производительность сварочного процесса и операций по изготовлению сварных конструкций достигается применением прогрессивных сварочных процессов, механизацией, автоматизацией и роботизацией сварочного производства. Автоматизация и роботизация сварки, в свою очередь, являются факторами значительного улучшения качества и стабильности характеристик сварных соединений. Высокая надежность оборудования для сварки достигается путем принятия мер по обеспечению стабильной работы оборудования в условиях характеризующихся высокой температурой вблизи зоны сварки шва, мощным нестационарным магнитным полем, интенсивным световым излучением, разбрызгиванием расплавленного металла, интенсивным выделением пыли и аэрозолей, повышением ресурса работы быстроизнашивающихся элементов, использования современных средств контроля состояния и диагностики и устранения неисправностей за счет быстросменных деталей, блоков и устройств, использование составных частей с высокими показателями надежности, прежде всего, путем максимального применения ранее отработанных технических решений и серийных устройств, унификации и агрегатирования. Высокая надежность оборудования для сварки является одним из важнейших факторов обеспечения требуемого качества сварных соединений и заданной производительности. Для изготовления коробчатой балки длиной 10 метров, необходимо следующее оборудование:

· полуавтомат для сварки в среде углекислого газа с комплектом газовой аппаратуры и источником питания постоянного тока;

· сборочный портал;

· кантователь для установки балки в удобное для сварки положение;

К источникам питания сварочной дуги предъявляется ряд требований, источник питания должен:

· обеспечить быстрое и безопасное возбуждение дуги;

· напряжение холостого хода должно быть в 1,8−2,5 раза выше рабочего и быть в пределах 60−80 В, причем после возбуждения дуги оно должно быстро снижаться до рабочего;

· в процессе сварки по тем или иным причинам может происходить изменение длины дуги и источник питания, должен быстро реагировать на эти изменения и не допускать значительного изменения тока;

· время нарастания напряжения от нуля до рабочего напряжения не должно превышать 0,03 сек.;

· источник питания должен обеспечивать плавное регулирование силы тока и давать возможность настройки на различные режимы;

· сила тока короткого замыкания не должна превышать силу рабочего тока более чем на 40−60%;

источник питания не должен перегреваться при работе выше нормы указанной в паспорте. Для сварки в среде углекислого газа используют выпрямители.

Сварочные выпрямители представляют собой устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Они состоят из следующих основных узлов: силового трансформатора для понижения напряжения сети до необходимого напряжения холостого хода источника, блока полупроводниковых элементов для выпрямления переменного тока, стабилизирующего дросселя для уменьшения пульсации выпрямленного тока. Выпрямительный блок представляет собой набор полупроводниковых элементов, включенных по определенной схеме.

Особенность полупроводниковых элементов заключается в том, что они проводят ток только в одном направлении, в результате чего сила тока становится постоянной. Такие элементы обладают вентильным эффектом — пропускают ток в одном направлении; их называют полупроводниковыми вентилями.

Рисунок 8 Схема сварочного выпрямителя Силовой трансформатор 2- Блок силовых вентилей 3- Стабилизирующий дроссель 4- Сварочная дуга 5- Блок защиты и сигнализации 6- Система управления вентилями. Для полуавтоматической сварки используется источник питания ВДГ 601 характеристики которого указаны в таблице 9.

Таблица 9- Основные технические данные выпрямителя

Сварочный выпрямитель ВДГ-601 (рисунок 9), предназначен для однопостовой механизированной сварки в среде углекислого газа на форсированных режимах. Он состоит из трехфазного силового сварочного трансформатора, силового выпрямительного блока на тиристорах, собранного по шестифазной кольцевой схеме, дросселя в сварочной цепи, вспомогательного дросселя, блока управления полуавтоматом, блока управления тиристорами, трансформатора питания цепей управления полуавтоматом и подогревателя газа, пускорегулирующей и защитной аппаратуры, а также трансформатора подпитки с выпрямительным блоком на кремниевых диодах.

Рисунок 9 Сварочный выпрямитель ВДГ 601:

Кнопка Пуск 2. Кнопка Стоп 3. Блок управления полуавтоматом 4. Регулятор напряжения 5. Переключатель режимов сварки и места регулирования 6. переключатель индуктивности сварочной цепи 7. Амперметр 8. Вольтметр 9. Местное включение сварочного напряжения 10. Регулятор напряжения 11. Включение питания цепей управления полуавтоматом 12. Предохранители. 13−15. Разъемы для подключения соответственно подогревателя газа, сварочных кабелей и пульта дистанционного управления. Все составные части выпрямителя смонтированы на раме и защищены кожухом. Для подъема предусмотрены два рым-болта, установленные сверху выпрямителя. Для подключения к питающей сети со стороны задней решетки выпрямителя на раме имеется панель с установленными на ней штепсельным разъемом и емкостным фильтром для защиты от создаваемых при сварке помех радиоприему. Для подключения сварочного кабеля с лицевой стороны выпрямителя имеются два гнезда разъемов, обозначенных знаками «+» и «-». Болт для заземления выпрямителя находится на раме со стороны задней решетки. Первичные и вторичные обмотки намотаны концентрически, вторичная обмотка каждой фазы выполнены из двух полуобмоток. Силовой выпрямительный блок состоит из шести тиристоров. Охлаждение выпрямителя — воздушное, принудительное. Вентилятор приводится во вращение трехфазным асинхронным двигателем. Направление вращения вентилятора — правое (по часовой стрелке, смотря со стороны блока управления). При правильном охлаждении выпрямителя воздух должен входить со стороны блока управления и выбрасываться с задней стороны выпрямителя, что обозначено надписью Выход воздуха. На лицевой панели блока управления выпрямителя расположены приборы для регистрации сварочного режима — амперметр и вольтметр, сигнальная лампа, тумблер местного включения — выключения сварочного напряжения, переключатель места регулирования режима сварки. Плавное регулирование сварочного напряжения осуществляется резисторами, расположенными на блоке управления (местное регулирование), или с пульта управления полуавтоматом (дистанционное регулирование). Выпрямитель имеет жесткие (пологопадающие) внешние характеристики (рисунок 10).

Рисунок 10. Вольтамперные характеристики выпрямителя ВДГ-601

Рисунок 11. Полуавтомат ПДГО-512 Урал Таблица 10- Технические характеристики ПДГО-512 Урал

Полуавтомат ПДГО-512 Урал предназначен для дуговой сварки в защитных газах или самозащитной порошковой проволокой изделий из низкоуглеродистых и легированных сталей протяженными, прерывистыми или точечными швами, в различных пространственных положениях. Технические данные полуавтомата указаны в таблице 10. Полуавтомат оснащен четырёхроликовым механизмом подачи проволоки с электродвигателем мощностью 90Вт, евроразъёмом типа К2−2, кассетодержателем под еврокассету диаметром 300 мм для сварочной проволоки, клапаном включения подачи газа, разъемом питания подогревателя газа (-36В), цифровым блоком управления процессом сварки (БУСП). Наличие специального канала обратной связи по напряжению сварочной дуги позволяет устранить неопределённость, связанную с падением напряжения в сварочных кабелях. Специальный потенциальный провод с латунной струбциной для подключения к свариваемому изделию входит в комплект полуавтомата. Особенностью полуавтомата ПДГО-512 «Урал» является способность обеспечивать автоматическую заварку кратера с гарантированным предотвращением явления приваривания проволоки к затвердевающей сварочной ванне при завершении сварки. Процесс подачи электродной проволоки, защитного газа и сварочного напряжения запрограммирован в микроконтроллере БУСП полуавтомата и инициируется кнопкой на горелке.

Блок управления полуавтомата обеспечивает: — плавную настройку и стабилизацию установленной скорости подачи проволоки;

— дистанционное включение, отключение и регулирование напряжения сварочного источника;

— выбор режима работы кнопки горелки в зависимости от способа сварки;

— замедленную скорость подачи проволоки до момента контакта со свариваемым изделием и последующее плавное нарастание скорости подачи до установленной скорости («мягкий старт»);

— настройку длительности процесса заварки кратера;

— настройку длительности продувки газа после сварки;

настройку длительности сварки точки при точечном режиме сварки;

— защиту двигателя при перегрузках;

— установку необходимого начального вылета проволоки кратковременными нажатиями кнопки горелки;

— использование таймера обратного отсчёта во время установки расхода газа;

— сохранение выбранных настроек в памяти.

Циклограмма работы блока управления сварочным полуавтоматом показана на рисунке 12. Блок управления работает следующим образом. При нажатии кнопки пуск «S» подается положительный потенциал на вход инвертора который приводит триггер «Д» в рабочее состояние. Триггер подает сигнал через усилитель который включает реле и через него источник питания «ИП» одновременно включает газ «У». При отпускании кнопки пуск, рабочее состояние схемы сохраняется и процессом руководит триггер, через время «t1» которое необходимо для продувки шлангов, включается механизм подачи проволоки «М» и начинается процесс сварки, сварка идет в течении времени «t2». Для прекращения процесса сварки нужно повторно нажать кнопку Пуск. При этом триггер отключается от процесса и переключается в исходное положение, одновременно отключается электродвигатель подачи проволоки. Через время «t3», отключается источник питания, время «t3» регулируется резистором через конденсатор и оно необходимо для заварки кратера. Газ продолжает подаваться для защиты расплавленного металла и отключается через время «t4», и регулируется резистором через конденсатор, причем отключение происходит только тогда, когда на конденсаторе напряжение 7 В. Механизмы подачи электродной проволоки обычно состоят из электродвигателя, редуктора и системы подающих и прижимных роликов. Электродвигатель с редуктором обеспечивают вращение подающего ролика, проталкивающего электродную проволоку по гибкому полому кабелю в зону сварки. Они также позволяют настраивать скорость подачи проволоки и поддерживать ее постоянной в процессе работы. В качестве привода в этих механизмах могут использоваться электродвигатели как переменного, так и постоянного тока. Скорость подачи электродной проволоки могут изменяться ступенчато с помощью сменных шестерен или сменных подающих роликов, а

также плавным регулированием числа оборотов электродвигателя постоянного тока. Для подачи электродных проволок различных типов (сплошного сечения, порошковой) и диаметра применяют механизмы подачи с одной или двумя парами подающих роликов. Для механизированной сварки в защитных газах применяют механизм подачи проволок, открытый на тележке (рисунок 13), с кассетным устройством для бухты до 50 кг стальной проволоки.

Рисунок 13 Механизм подачи электродной проволоки

Подающий механизм снабжен быстродействующими разъемами, не требующими специального инструмента при подключении к нему сварочной горелки и внешних соединений. Подключение проводов и шлангов внешних соединений производится в средней части подающего механизма, что уменьшает его размеры и предохраняет места подключений от возможных изломов. Гибкий шланг предназначен для подачи электродной проволоки, сварочного тока, защитного газа, а иногда и охлаждающей воды в горелке. Выпускают горелки на сварочный ток 150, 315, 500 и 630 А вместе с гибкими шлангами в основном двух типов. В шлангах типа А-547 токоведущая часть набрана из нескольких медных плетенок, натянутых на стальную спираль, внутри которой помещена сменная спираль для подачи электродной проволоки. Токоведущая часть, провода управления от пусковой кнопки, а также газовая трубка для защитного газа помещены в общий резиновый рукав. Составной шланг состоит из канала типа КН для подачи электродной проволоки, токоведущей части, изготовляемой из сварочного кабеля типа ПРГ, проводов управления от пусковой кнопки и газовой трубки (иногда применяют совмещенные токогазоподводы). Все эти элементы соединены гибкими хомутами-стяжками, расположенными друг от друга на расстоянии 200 мм по длине. Такие составные шланги по сравнению с монолитными более гибки и облегчают работу с полуавтоматом. При работе на больших сварочных токах применяют водяное охлаждение горелки (в этом случае в составной шланг входят и шланги для воды).

Рисунок 14 Схема специального шлангового кабеля 1. Спираль 2. Токоведущая часть 3. Изолированные проводники 4. Хлопчатобумажная оплетка 5. Изоляция.

Подающие ролики предназначены для проталкивания электродной проволоки внутрь шлангового прохода. Для лучшего сцепления с проволокой на поверхности подающего ролика делают канавку или тупую мелкую насечку (с шагом 0,8 мм); поверхность прижимного ролика гладкая. Для порошковой проволоки механизм подачи содержит две пары роликов с канавкой (все ролики ведущие). Основным узлом полуавтомата является сварочная горелка. Горелка предназначена для подвода к месту сварки проволоки, тока и защитного газа. Горелка — сменный инструмент. Конфигурация и размеры горелок, их устройство должны соответствовать типоразмеру свариваемой детали. Универсальные горелки наименее удобны. По назначению горелки разделяют на горелки для автоматической и для полуавтоматической сварки; по устройству — на горелки без охлаждения, с воздушным охлаждением и водяным охлаждением. Выбираю горелку SB 500 W. Эта горелка для полуавтоматической сварки в среде защитных газов. Удобная конструкция позволяет выполнять продолжительные сварочные работы даже в труднодоступных местах. Сверхмощный, но гибкий кабель, удобный разъем обеспечивают износостойкость и простоту в эксплуатации.