Бабенко. Технологические процессы сварки, наплавки, обработки

• Название: Технологические процессы сварки, наплавки, обработки
• Дата: 30.03.2023
• Размер: 1.79 Mb.
• Имя файла: Бабенко.docx
• Тип: Документы; #1025958
• страница: 2 из 27



^L1д ^L2д ^L3д



сечение столба дуги и электропро- водность, причем увеличение пос- ледней идет с некоторым опере- жением роста тока дуги. Поэтому на участке I напряжение дуги при увеличении тока падает.

При дальнейшем увеличении

I_д (участок II) пропорционально

₁₀³ _д, А


д
i , А / мм²

Рис. 1.2. Статические вольт-амперные характеристики дуги

ему растут площадь поперечного сечения столба дуги и плотность тока. В связи с этим напряжение дуги остается практически неиз- менным. Такое состояние харак- терно для дуг с плотностью тока

12…80 А/мм², т. е. практически во всем диапазоне режимов сварки штуч- ными электродами, неплавящимися электродами и под флюсом при плот- ностях тока до 80 А/мм².

При сварке плавящимся электродом в защитных газах на форсирован- ных режимах под флюсом (когда плотность тока более 80 А/мм²) при уве-

личении I_д

резервы роста сечения столба дуги исчерпаны, поэтому он

сжимается и вызывает увеличение напряжения

U_д . На таких режимах

статическая характеристика дуги (участок III) становится возрастающей.

В процессе сварки дуга и источник ее питания образуют взаимосвязан- ную систему. Устойчивость горения дуги и стабильность режима сварки зависят как от условий существования дугового разряда, так и от свойств и параметров источников питания, но в первую очередь, от внешней ха- рактеристики источника.

Внешней характеристикой источника питания сварочной дуги называ-

ется зависимость между напряжением на его зажимах

^Uип

и током

I_св ,

протекающим в сварочной цепи при нагрузке, т. е.

^Uип

= f ( I_св ).

Существуют следующие внешние характеристики источников питания: падающие, пологопадающие, жесткие, возрастающие (рис. 1.3). Устано- вившийся режим работы системы определяется точкой пересечения (рис. 1.4) внешней характеристики источника 1 и вольт-амперной характе- ристики дуги 2, т. е. для нормального протекания процесса сварки необходи-

мо равенство напряжений на дуге и клеммах источника питания ( U_д = U_ип ).

Однако устойчивое ее горение будет при токе, соответствующем точке В.

Ток, соответствующий точке А ( I_А ) является током зажигания дуги. После

появления последней он автоматически повысится до рабочей величины

I_В .

Выбор источника питания сварочной дуги по типу внешней характери- стики производится в зависимости от способа сварки.

Рис. 1.3. Внешние характеристики источников питания: 1– падающая;

2– пологопадающая; 3– жесткая;

4– возрастающая

Рис. 1.4. Внешняя характеристика источ- ника питания (1) и вольт-амперная ха- ^{рактеристика дуги (2):} I_А ^{– ток зажига- ния;} I_В ^{– ток устойчивого горения дуги}

Если форма характеристики дуги падающая, то внешняя характеристи- ка источника питания (рис. 1.5) должна быть более крутопадающей. При жесткой характеристике дуги характеристика источника должна быть поло-

гопадающей или жесткой, но в меньшей степени, чем характерис- тика дуги. И при возрастающей вольт-амперной характеристике ду- ги принимается источник питания с жесткой или слегка возрастаю- щей характеристикой.

При ручной сварке, как прави- ло, имеют место значительные колебания длины дуги, а соответ- ственно и напряжения на дуге, но режим сварки при этом должен

Рис. 1.5. Характеристики системы «дуга– источник питания»: 1 – вольт-амперная характеристика дуги; 2, 3, 4, 5– внешние характеристики источников питания

быть стабильным.

Значит в этом случае, чем круче характеристика источника питания, тем более устойчива дуга, т. е. тем меньше изменение тока при изме-

нении длины дуги. При автоматической сварке плавящимся электродом про- исходит саморегулирование, при котором длина дуги после изменения вос- станавливается автоматически за счет изменения тока и соответственно ско- рости плавления проволоки. Явление саморегулирования наиболее сильно проявляется при повышении плотности тока в электроде.

Следовательно, источники питания сварочной дуги с крутопадающей внешней характеристикой используются, как правило, при ручной сварке, при сварке неплавящимся электродом в среде защитных газов и для сварки под флюсом при сравнительно небольших плотностях тока.

Источники с другими типами внешних характеристик рекомендуются для сварки и наплавки под флюсом на форсированных режимах со значительной плотностью тока, сварки тонкой проволокой, электрошлаковой сварки и др.

Таким образом, для определенного способа сварочно-наплавочных работ должен быть подобран источник питания с такой внешней характе- ристикой, при которой система «дуга – источник питания» в рабочем ре- жиме будет устойчива.

В прил. 1 (табл. 1–7) приведены технические характеристики некото- рых источников питания сварочной дуги.

4. 
   Расчет режимов сварки
   
   1. 
      Ручная сварка покрытыми электродами
      

Ручная дуговая сварка выполняется плавящимся или неплавящимся (угольным, графитовым, вольфрамовым, гафниевым) электродом. При сварке плавящимся электродом (рис. 1.6) дуга горит между ним и издели- ем. Формирование металла шва осуществляется за счет материала элек- трода и расплавления основного металла в зоне действия дуги. При свар- ке неплавящимся электродом для формирования металла шва в зону дуги извне подается присадочный материал.

Наибольшее применение получила сварка первым способом, т. е. пла- вящимся электродом. При этом используются электроды диаметром 1…12 мм. Однако основной объем работ выполняется электродами диа- метром 3…6 мм.

Рис. 1.6. Ручная дуговая сварка штучным электродом: 1 – основной металл; 2 – сва- рочная ванна; 3 – электрическая дуга; 4 – проплавленный металл; 5 – наплавленный металл; 6 – шлаковая корка; 7 – жидкий шлак; 8– электродное покрытие; 9– метал- лический стержень электрода; 10– электро- додержатель


5 4 3 2

В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых электродов общего назначения, наиболее распространенных в ремонтной практике для свар- ки и наплавки.

Таблица1.1

Характеристика электродов

Тип электрода	Марка электрода	Коэффициент наплавки, г/Ач	Разбрызгивание	Расход электродов, кг, на 1 кг наплавленного металла КЭ
Э42	ОМА	10…11	Умеренное	1,45
Э42А	УОНИИ 13/45	8,5	Умеренное	1,60
Э46	АНО-3	8,5	Малое	1,60
Э46	МР-3	7,8	Умеренное	1,70
Э46	О3С-6	10,5	Малое	1,60
Э50	ДСК- 50	10,0…11,0	Малое	1,40
Э50А	АНО- 9	10,0	Умеренное	1,70
Э50А	УОНИИ 13/55	8,5…9,0	Умеренное	1,70

К параметрам режима сварки относятся сила сварочного тока, напря- жение, скорость перемещения электрода вдоль шва (скорость сварки), род тока, полярность и др.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемо- го металла, типа сварного соединения и положения шва в пространстве.

При выборе диаметра электрода для сварки можно использовать ори- ентировочные данные (табл. 1.2).

Таблица1.2

Зависимость диаметра электрода от толщины свариваемого металла

Толщина листов, мм	1…2	3	4…5	6…10	10…15	15 и более
Диаметр электрода, мм	1,6…2,0	2,0…3,0	3,0…4,0	4,0…5,0	5,0	5,0 и более

В многослойных стыковых швах первый слой выполняют электродом диаметром 3…4 мм, последующие слои – электродами большего диаметра.

Сварку в вертикальном положении проводят с применением электро- дов диаметром не более 5 мм. Потолочные швы выполняют электродами диаметром до 4 мм.

При наплавке изношенной поверхности должна быть компенсирована толщина изношенного слоя плюс 1…1,5 мм на обработку поверхности по- сле наплавки.

Сила сварочного тока, А, рассчитывается по формуле

^Iсв

К d_э , (1.1)

где К – коэффициент, равный 25…60 А/мм; d_э

– диаметр электрода, мм.

Коэффициент К в зависимости от диаметра электрода d_э

соответствии с табл. 1.3.

принимается в

Таблица1.3

Зависимость коэффициента К от диаметра электрода

dэ , мм	1…2	3…4	5…6
К, А/мм	25…30	30…45	45…60

Силу сварочного тока, рассчитанную по формуле (1.1), следует откор- ректировать с учетом толщины свариваемых элементов, типа соединения и

положения шва в пространстве. Если толщина металла S ^ 3 d_э , то значе-

ние

^Iсв

следует увеличить на 10…15 %. Если же S ^ 1,5

d_э , то сварочный

ток уменьшают на 10…15 %.

При сварке угловых швов и наплавке значение тока должно быть по- вышено на 10…15 %. При сварке в вертикальном или потолочном поло- жении значение сварочного тока должно быть уменьшено на 10…15 %.

Для большинства марок электродов, используемых при сварке углеродис-

тых и легированных конструкционных сталей, напряжение дуги U_Д

= 22…28 В.

Расчет скорости сварки, м/ч, производится по формуле

св
V  ^н
Iсв _,
(1.2)

100 F_шв 

где

_н – коэффициент наплавки, г/Ач (выбирают из характеристики при-

нятого электрода);

^Fшв

– площадь поперечного сечения шва при однопро-

ходной сварке (или одного слоя валика при многослойном шве), см²; –

плотность металла электрода, г/см³ (для стали = 7,8 г/см³).

Масса наплавленного металла, г, для ручной дуговой сварки рассчи- тывается по формуле

G_н F_шв l , (1.3)

где

^Fшв

– площадь поперечного сечения шва, см²; l – длина шва, см.

Расчет массы наплавленного металла при ручной дуговой наплавке производится по формуле

G_н =

^Fнп ^hн

, (1.4)

где

^Fнп

• 
  площадь наплавляемой поверхности, см²; h_н
  
• 
  требуемая высота
  

наплавляемого слоя, см (с учетом припуска на последующую обработку).

Время горения дуги (основное время), ч, определяется по формуле

G_н
t_o _{I }

. (1.5)

cв ^н
Полное время сварки (наплавки) приближенно определяется по фор- муле

T  ^to

К_п

, (1.6)

где

t _o – время горения дуги (основное время), ч;

К_п – коэффициент ис-

пользования сварочного поста, который принимается для ручной сварки

0,5…0,55.

Расход электродов, кг, для ручной дуговой сварки (наплавки) опреде- ляется по формуле

G_м G_н К_э , (1.7)

где

К_э – коэффициент, учитывающий расход электродов на 1 кг наплав-

ленного металла (табл. 1.1).

Расход электроэнергии, кВтч, определяется по формуле

А  ^{Uд Iсв} t  W Т  t


, (1.8)

1000 ^{о о о}

где

U_д – напряжение дуги, В;

I_св – сварочный ток, А;  – кпд источника пи-

тания сварочной дуги;

t _о – время горения дуги, ч;

W_о – мощность, расхо-

дуемая источником питания сварочной дуги при холостом ходе, кВт; Т –

полное время сварки или наплавки, ч.

Значения η источника питания сварочной дуги и W_o можно принять по табл. 1.4.

Таблица1.4

Зависимость η и W₀ от рода тока

Род тока		Wо
Переменный	0,8…0,9	0,2…0,4
Постоянный	0,6…0,7	2,0…3,0

Выбор и обоснование источника питания сварочной дуги могут быть осуществлены по прил. 1 табл. 1, 3, 4.

2. 
   Сварка и наплавка деталей в среде защитных газов
   

При сварке и наплавке в среде защитных газов в зону горения дуги под небольшим давлением подается газ, который вытесняет воздух из этой зоны и защищает сварочную ванну от кислорода и азота воздуха.

В зависимости от применяемого газа сварка разделяется на сварку в актив- ных (СО₂, Н₂, О₂, и др.) и инертных (He, Ar, Ar+He и др.) газах. Сварку (наплавку) можно осуществлять как плавящимся, так и неплавящимся электродами.

Наибольшее распространение при восстановлении деталей подвижно- го состава получили сварка и наплавка в среде углекислого газа СО₂ с ис- пользованием плавящихся электродов (проволоки) с защитой сварочной ванны от воздуха углекислым газом. Такой способ является самым деше- вым при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Поэтому по объему производства он занимает одно из первых мест среди механизи- рованных способов сварки плавлением.

При сварке (наплавке) в среде углекислого газа (рис. 1.7) из сопла горелки 2, охватывающей посту- пающую в зону горения дуги элек- тродную проволоку 4, вытекает струя защитного газа 6, оттесняя воздух из сварочной ванны.

В процессе сварки углекислый газ под действием высоких температур диссоциирует: 2СО₂  2СО+О₂. По- этому сварка идет не в чистом уг- лекислом газе, а в смеси газов СО₂, СО и О₂. В этом случае обеспечи- вается практически полная защита расплавленного металла от азота воздуха, но сохраняется почти та- кой же окислительный характер га- зовой смеси, каким он был бы при сварке голой проволокой без защи- ты от атмосферного воздуха.


Рис. 1.7. Дуговая сварка в защитном газе плавящимся электродом: 1 – электриче- ская дуга; 2– газовое сопло; 3– подающие ролики; 4– электродная проволока; 5– то- копроводящий мундштук; 6– защитный газ

Следовательно, при сварке и наплавке в среде СО₂ необходимо пре- дусматривать меры по раскислению наплавляемого металла.

Эта задача решается использованием сварочных проволок диаметром 0,8…2,0 мм, в состав которых входят элементы раскислители. Чаще всего это кремний (0,6…1,0 %) и марганец (1,0…2,0 %).

Наибольшее распространение при сварке в среде СО₂ нашли элек- тродные проволоки Св-08ГС, Св-08Г2С, СВ-10ГС, Св-18ХГС и др.

Кроме проволок сплошного сечения, часто используются порошковые проволоки типа ПП-АН4, ПП-АН5, ПП-АН8, ПП-3Х2В8Т и др.

Сварка в среде СО₂ имеет целый ряд преимуществ: высокую степень концентрации дуги и плотности тока, дающих минимальную зону структур- ных изменений металла; большую степень защиты сварочной ванны от воздействия внешней среды; существенную производительность; возмож- ность наблюдения за формированием шва; сварки металла различной толщины (от десятых долей до десятков миллиметров); производства сварки в различных пространственных положениях; механизации и авто- матизации технологического процесса; незначительную чувствительность к ржавчине и другим загрязнителям основного металла.

Однако необходимо иметь в виду и её недостатки: сильное разбрызги- вание металла при токе больше 500 А, что требует постоянной защиты и очистки сопла горелки; открытая мощная дуга дает интенсивное излуче- ние и требует защиты сварщика; при значительных токах необходимо предусматривать охлаждение горелки; сварка осуществляется практичес- ки только на постоянном токе; требуется специальная проволока.

Технические характеристики полуавтоматов для сварки в защитных га- зах приведены в прил. 1 табл. 6, 7.

Диаметр электродной проволоки выбирается в зависимости от толщи- ны свариваемого металла (табл. 1.5).

Таблица1.5

Зависимость диаметра электродной проволоки от толщины свариваемого металла

Толщина листов, мм	1… 2	3…6	6…24 и более
Диаметр электродной проволоки dэ , мм	0,8…1,0	1,2…1,6	2,0

Расчет силы сварочного тока, А, производится по формуле