Ручная дуговая сварка, электроды и оборудование

1. Сварочное производство a) оборудование и электроды для ручной дуговой сварки Технологические процессы сварки занимают ведущее место при производстве изделий, поскольку с их помощью изготавливают почти 70 % всех деталей. Большое разнообразие форм и размеров деталей обусловливает необходимость применения в производстве разных видов сварки.
Ручную дуговую сварку выполняют, как правило, ме­таллическими электродами при питании дуги постоянным или переменным током. Электрическая дуга постоянного тока более стабильна, кроме того, эту сварку можно про­водить при прямой или обратной полярности, присоеди­няя в первом случае к детали плюс источника энергии, а к электроду — минус, а в другом случае — наоборот. Обратная полярность позволяет уменьшить глубину проплавления детали, поскольку на положительном элек­троде выделяется тепла на 20 % больше, нежели на отри­цательном. Поэтому детали толщиной менее 3 мм необ­ходимо сваривать постоянным током обратной полярности, чтобы избежать прожогов. Источниками постоянного тока при ручной сварке являются преобразова­тели, выпрямители и агрегаты (табл. 2—4). Источниками перемен­ного тока при ручной сварке являются - сварочные трансформаторы (табл. 5). Таблица 2. Технические характеристики сварочных преобразователей Параметр псо-зоо-з ПСО500 ПСГ-500 ПСУ-500 ПС- 1000 Номинальная сила сварочного тока, А 300 500 500 500 1000 Границы регулирования силы сварочного, тока, А 100—300 65—500 60—500 60—50.0 300—1000 Номинальное напряжение, В 32 40 40 40 45 Номинальная мощность гене­ратора, кВт 9,6 20 .20 20 45 Электродвигатель : мощность, кВт 14 28 30 30 55 частота вращения, об/мин 1450 2930 2930 2930 1450 Внешняя вольт-амперная ха­рактеристика Крутопа­дающая Крутопа­дающая Жесткая Жесткая или падающая при соответственном соединении обмоток Падающая Таблица 3. Технические характеристики сварочных выпрямителей с жесткой внешней вольт-амперной характеристикой Параметр ВС-ЗОО ВС-600 всж-зоз ВДГ-302 ВДГ-601 ВДУ-504 ВДУ-1001 ВДУ-1601 ВКСМ-1001 Номинальная сила сварочного тока, А 300 600 315 315 630' 500 1000 1600 1000 Границы регу­лирования силы сварочного то­ка, А 30—300 100—600 50—315 100—315 100—630 70—500 300—1000 500—1600 300—1000 Рабочее напря­жение, В 20—40 20—40 32 16—38 18—66 18—50 24—66 26—66 70 Потребляемая мощность, кВт 17 35 20 19 67 40 105 165 76 кпд, % 70 75 76 .75 82 82 83 84 86 Напряжение без нагрузки, В 20—40 20—40 18—50 30—55 66 80 100 100 70 Таблица 4. Технические характеристики сварочных агрегатов Параметр АСБ-ЗОО-7 АДВ-306 АДД-ЗОЗ АСД-З-1 АСДП-500Г-ЗМ Рабочее напряжение, В Границы регулирования силы тока, А Двигатель: тип мощность, кВт Внешняя вольт-ампер­ная характеристика 32 100-300 ГАЗ-320 23,58 Крутопадающая 32 15-300 ГАЗ-320Б 23,58 Крутопадающая 32 100-300 Д-37М 29,44 Крутопадающая 40 120—500 ЯАЗ-М69-204Г 47,16 Падающая 55 600 ЯАЗ-М204Г 47,16 Жесткая Таблица 5. Технические характеристики сварочных трансформаторов Параметр ТСП-2 ТС-300 ТД-ЗОО СТН-450 СТШ-500 ТСД-1000 Напряжение, В: сети питания рабочее без нагрузки Границы регулирования силы сварочного тока, А Номинальная мощность, кВт 380/220 30 62 90-300 19,4 380/220 30 63 30-385 20 380/220 30 75 60-400 19,4 380/220 30 80 80-800 40 380/220 30 60 145-650 33 380/220 42 71 400-1200 78 Примечание. Внешняя вольт-амперная характеристика всех сварочных трансформаторов — па­дающая. При изготовлении деталей дуговой сваркой возни­кают следующие нежелательные последствия: окисляется металл, поглощается азот, выгорают легирующие добавки, происходят объемные и структурные превращения, что приводит к короблению деталей, нарушению термической обработки и снижению твердости. Окисление металла понижает механические свойства и пластичность на­плавленных или сваренных участков. Поглощение азота за счет образования нитрида железа, марганца и других элементов увеличивает прочность сварного шва, однако резко уменьшает его пластичность.
Для уменьшения отрицательного влияния рассмотрен­ных явлений на изготавливаемые детали сварку или наплавку выполняют электродами с обмазкой. При вы­боре электродов необходимо учитывать их назначение. Если электроды применяют для сварки деталей из конструкционных сталей, их выбирают исходя из условий максимального приближения качества и свойств материала шва к ме­таллу изготавливаемой детали, чтобы твердость была одинаковой на всех участках. При сварки деталей из легированных сталей основным критерием является твердость наплавленного слоя и износостойкость. Электроды для сварки обозначают буквой «Э» и двумя цифрами, например Э-42. Цифры после буквы свидетель­ствуют о прочности шва на разрыв. Электроды для наплавки обозначают двумя буквами «ЭН» и цифрами, показывающими гарантированную твер­дость наплавленного слоя. Наплавочные электроды спе­циального назначения обозначают тремя буквами. На­пример, электрод типа ЭНР-62 расшифровывается так: электрод для наплавки режущего инструмента обеспечи­вает твердость слоя НКСэ 63. Каждому типу электрода может соответствовать не­сколько марок обмазки. Обмазки электродов по составу подразделяют: на руднокислые — Р, рутиловые — Т, фто­ристо-кальциевые — Ф, органические — О. Наибольшее распространение в получили группы Р, Т и Ф. К группе Р относятся электроды ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-8; к группе Т — ЦМ-9, ОЗС-6, АНО-3; к группе Ф — УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65. Марки, типы электродов и их назначение приведены в табл. 6. Таблица 6. Электроды для ручной дуговой сварки и наплавки Электрод Твердость поверхности НВ (HRCэ) после Область применения Марка Тип наплавки закалки ОММ-5 Э-42 120—140 - Сварка и наплавка малоуглеродистых сталей ОМА-2 Э-42 120—140 - ЦМ-7 Э-42 120—140 - Наплавка поверхностей, которые не требуют высокой твердости УОНИ- 13/45 Э-45 140—200 _ УОНИ- 13/55 Э-55 140—210 - ОЗН-300 ЭН-15ГЗ-25 250—300 250—300 Наплавка деталей, работающих в условиях высокого контактного напряжения и ударного нагружения ОЗН-400 ЭН-20Г4-40 370—430 - ОМГ ЭН-70Х 11-25 250—320 - Наплавка деталей из стали 110Г13Л, работающих в условиях интенсивного абразив- ного ковшей экскаваторов и т. д.)изнашивания (звенья гусениц, зубья ОМГ-Н ЭН-70Х1ШЗ-25 250—310 - ЦН-5 ЭН-60М ЭН-25Х 12-40 ЭН-60Х2СМ-50 (41,5) (51,5) (50) (61) Наплавка деталей, быстроизнашивающихся и требующих механической обработки ре- жущим инструментом после наплавки (валы, оси, штампы и т. д.) ЦШ-1 ЭН-ЗОХЗВ8 (41,5 после отжига) (55) Т-590 Т-620 вкн/ливт ЭН-УЗОХ25РС2Г-60 ЭН-УЗОХ25Р2 С2ТГ-55 (56—60) (59—63) (57—61) - Наплавка деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания (но­жи дорожных машин) Порошковые электроды изготовляют из порошковой проволоки. На стержень могут быть нанесены покрытия (30—35 % массы стержня), состоящие из феррохрома, ферротитана, феррованадия и других компонентов. Твер­дость слоя, наплавленного электродами ПЭ-6ХЗВ10, после закалки 64—65 НКСЭ. Порошковые электроды с наполни­телями из доменного ферромарганца и У35Х717 образуют металлопокрытия высокой твердости (51,5—57 НКСЭ) и износостойкости. Рис. 4. Зависимость диаметра электрода от толщины сваривае­мых деталей Диаметр электрода выбирают в зависимости от тол­щины свариваемых деталей и размещения сварного шва в пространстве. При потолочной сварке применяют элек­троды диаметром около 4 мм, при вертикальной — до 5 мм. При сварке деталей толщиной до 4 мм диаметр электрода должен равняться толщине деталей. В других случаях для высококачественной свар­ки диаметр электрода можно определить, используя гра­фик, представленный на рис. 4. Сила сварочного тока зависит от допустимой плот­ности тока (10—20 А/мм2) и диаметра электрода. При диаметре электродов 3— 6 мм силу тока (А) опреде­ляют по формуле I == md, где m — коэффициент (m = 35-60); d — диаметр электрода, мм. b) ручная дуговая сварка
Существует несколько наиболее распространенных спо­собов дуговой сварки. Ручная дуговая сварка является далеко не совершенным способом, но универсальным технологическим процессом. Этим способом сваривают конструкции во всех простран­ственных положениях, из разных марок сталей, цветных сплавов в случаях, когда применение автоматических и полуавтоматических методов не представляется возможным, например при отсутствии требуемого оборудования, недо­статочного освоения технологического процесса.
Сварные соединения должны быть по возможности рав­нопрочными с основным металлом элементов конструкций при всех температурах во время эксплуатации, а также при всех видах нагрузок (статических, ударных, вибрацион­ных). Слабыми участками в сварных соединениях могут быть швы, зоны термического влияния и сплавления. Зоной термического влияния называют участок основного металла, прилегающий к швам, который в результате свар­ки изменяет механические свойства. Последнее обстоятельство особенно часто имеет место при сварке термически обработанных, а также нагартованных сталей и сплавов. Улучшение механических свойств сварных соединений достигается: выбором рациональной конструктивной формы соеди­нения; применением рациональных методов сварки; термической и механической обработкой сварных кон­струкций после сварки. Конструкции с равнопрочными сварными соединениями отвечают требованиям экономичности. Избыточная проч­ность сварного соединения по сравнению с целым элемен­том лишь удорожает конструкцию и не улучшает условий ее эксплуатации. Недостаточная прочность сварного соеди­нения снижает несущую способность всей конструкции и не позволяет полностью использовать рабочие сечения ее элементов. Поэтому из условия равнопрочности расчет­ные усилия соединения определяют: при растяжении Р = [s]РА; при сжатии р = [s]сжА; при изгибе М = [s]РW, где [s]Р — допускаемое напряжение при растяжении; [s]сж —допускаемое напряжение при сжатии; А — пло­щадь поперечного сечения; W — момент сопротивления се­чения. В конструкциях со сварными соединениями в металле швов могут возникать напряжения двух родов: рабочие и связующие. Чтобы установить различие между рабочими и связующими напряжениями, рассмотрим несколько приме­ров. На рис. 3.1, а изображены две полосы, соединенные стыковым швом. Полосы подвергаются растяжению. Оче­видно, что при разрушении шва разрушится и вся конструк­ция. То же самое произойдет и в соединении, изображен­ном на рис. 3.1, б. Сварные соединения, разрушение которых влечет за собой выход из строя конструкции, называются рабочими; напряжения, действующие в этих конструкциях,— рабо­чими напряжениями. Совершенно иначе работает наплавленный металл в шве, соединяющем две полосы, показанные на рис. 3.1, в. Наплавленный металл, соединяющий полосы, деформируется вместе с основным, при этом в нем возникают напряжения. Если модуль упругости наплавленного металла незначительно отличается от модуля упругости основного, то в швах при их работе в пределах упругих деформаций обра­зуются напряжения приблизительно той же величины, что и в растягиваемых полосах, Эти напряжения, возникающие в швах, вследствие их совместной работы с основным ме­таллом во многих случаях не опасны для прочности конст­рукций и называются связующими. Пример связующих швов показан на рис. 3.1, г. Рис. 3.1. Примеры рабочих (а, б) и связующих (в, г) швов Основными типами сварных соединений являются сое­динения стыковые, нахлесточные, тавровые, угловые. В свар­ных конструкциях наиболее целесообразны стыковые сое­динения. Стыковые соединения. Подготовка кромок стыкового соединения определяется технологическим процессом свар­ки и толщиной соединяемых элементов. В табл. 6 приве­дены примеры подготовки кромок стыковых соединений при ручной дуговой сварке по ГОСТ 5264—80, Можно видеть, что обозначения С1, С2 и т. д, соответст­вуют определенному характеру выполнения шва (односто­ронний, двусторонний, на подкладке и т. д.) и форме подготовленных кромок. Таблица 6. Примеры стыковых соединений. Если элемент работает на растяжение, то допускаемое усилие в сварном соединении Р = [s']рsl; при сжатии Р = [s']сжsl; где s — толщина основного металла, так как усиление шва не учитывается; l — длина шва; [s '] р — допускаемое напря­жение растяжения сварного соединения; [s']сж —допу­скаемое напряжение сжатия сварного соединения. При работе элементов из высокопрочных сталей наиболее слабым участком в сварном соединении оказывается не металл шва, а прилегающая к нему зона, которая в резуль­тате термического действия дуги или образования концент­раторов напряжений может оказаться разупрочненной. В таких случаях необходимо заменить расчет прочности швов расчетом прочности соединений в ослабленных зонах с учетом особенностей механических свойств металла, его термической обработки и других факторов, зависящих от конкретных условий. Если стыковой шов направлен под углом а к усилию (как правило, a»45°), то его следует считать равнопрочным основному элементу. Нахлесточные соединения. В нахлесточных соединениях швы называются угловыми. При ручной сварке угловые швы имеют различные очер­тания: нормальные, условно принимаемые очерченными в форме равнобедренного треугольника, выпуклые, вогнутые (рис. 3.2, а. . .в). Выпуклые швы нецелесообразны ни с технической, ни с экономической стороны. Они требуют больше наплавлен­ного металла, вызывают концентрацию напряжений. Целесообразны швы, имеющие очертания неравнобедренных треугольников с отношением основания к высей 1,5 : 1,2 : 1,0 (рис. 3.2, г, д). В швах этого типа иногда производят механическую обработку концов, чтобы обеспечить плавное сопряжение наплавленного металла с основным (рис. 3.2,е). Подобного рода швы, как будет показано ниже, целесообразно применять в конструкциях работающих при циклических нагружениях. Рис. 3.2. Очертания угловых швов: а - нормальное; б - выпуклое; в - вогнутое; г - с отношением катетов 1 : 1,5; д - с отношением катетов 1 : 2; е - то же, с обработкой конца шва В широкой практике конструирования распространение применение угловых швов с нормальными очертаниями (рис. 3.2, а). Размер катета углового шва нормального очертания обозначают К. Наименьшая толщина рабочих швов в машинострои­тельных конструкциях 3 мм. Исключение составляют кон­струкции, в которых толщина самого металла меньше 3 мм. Верхний предел толщины швов не ограничен, но применение швов, у которых К³20 мм, очень редко. В местах зажига­ния и обрыва дуги механические свойства швов ухудшают­ся, поэтому минимальную длину рабочих швов целесооб­разно ограничивать и принимать равной 30 мм. Швы мень­ших размеров применяют лишь в качестве нерабочих сое­динений. В зависимости от направления угловых швов по отношению к действующему усилию их разделяют на лобо­вые, косые, фланговые, комбинированные.
Лобовые швы направлены перпендикулярно усилию. В соединении, показанном на рис. 3.4, а, усилие Р переда­ется двумя лобовыми швами. Вследствие эксцентриситета элементы несколько искривляются. Расстояние между лобовыми швами следует принимать С>4s. На рис. 3.4, б усилие передается через один лобовой шов на накладку; далее это же усилие переходит с накладки на второй лист. Таким образом, в соединении этого рода имеется лишь один расчетный шов.
Рассмотрим несущую способность угловых швов. В ло­бовом шве возникает несколько составляющих напряжений (рис. 3.4, в): нормальные напряжения, а на вертикальной плоскости шва в зоне сплавления и касательные напряже­ния t на горизонтальной плоскости. Фланговые швы направлены параллельно усилию (рис. 3.4, г). В них возникают два рода напряжений. В результате совместной деформации основного и наплавленного металла во фланговых швах образуются связующие напряжения. Как было указано выше, их не учитывают при определении прочности соединения. По плоскостям соприкосновения валика флангового шва с каждым из листов, а также в самом валике возникают напряжения среза, которые являются рабочими напряжениями соединения. Рис. 3.4. Соединения с лобовыми и фланговыми швами: а - с двумя расчетными лобовыми швами; б - с одним лобовым швом; в - схема усилия в лобовом шве; г - фланговые швы; д - косой шов; е - комбинированное соединение; ж - прикрепление уголка Косые швы направлены к усилию под некоторым углом а (рис. 3.4, д). Их часто применяют в сочетании с лобовыми и фланговыми. Пример комбинированных швов приведен на рис. 3.4, е. Распределение усилий в отдельных швах, составляющих комбинированное соединение, не одинаково. Список использованной литературы. 1. Николаев Г. А., Винокуров В. А., Сварные конструкции. Справочник технолога: Учебн. для вузов/Под ред. Г. А. Николаева. -М: Высш. шк., 1990. -446с.: ил. 2. Молодык Н. В., Зенкин А.С., Сварка деталей машин. Справочник. -М.: Машиностроение, 1989. -480 с.: ил.