ГК и ВО России
НГТУ
Кафедра ТМС
Курсовая работа по
Технике и технологиив отрасли.
Процессы сварки
металлов плавлением.
Факультет: Бизнеса
Группа: ФБ-51
Студент: Авдакова Н.В.
Преподаватель: Куроедов Ю.Б.
Новосибирск
1997
Содержание:
Сварка.Понятие, сущностьпроцесса 3
Сваркаплавлением 4
Классификацияэлектрической дуговой сварки 6
Ручнаядуговая сварка и оборудование для неё 8
Технологияручной дуговой сварки 10
Технологиягазовой сварки 14
Приложение 17
Литература 18
Сварка. Понятие, сущность процесса.
Сварка - это один из ведущихтехнологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сваркиобеспечили её широкое применение в народном хозяйстве. С помощью сваркиосуществляется производство судов, турбин, котлов, самолётов, мостов, реакторови других необходимых конструкций.
Сваркой называется технологический процессполучения неразъёмных соединений посредством установлениямежатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве,или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.
Сварное соединениеметаллов характеризует непрерывность структур. Для получения сварногосоединения нужно осуществить межмолекулярное сцепление между свариваемымидеталями, которое приводит к установлению атомарной связи в пограничном слое.
Если зачищенныеповерхности двух соединяемых металлических деталей при сжатии под большимдавлением сблизить так, чтобы могло возникнуть общее электронное облако,взаимодействующее с ионизированными атомами обоих металлических поверхностей,то получаем прочное сварное соединение. На этом принципе основана холоднаясварка пластичных металлов.
При повышениитемпературы в месте соединения деталей амплитуды колебания атомов относительнопостоянных точек их равновесного состояния увеличиваются, и тем самым создаютсяусловия более легкого получения связи между соединяемыми деталями. Чем вышетемпература нагрева, тем меньшее давление требуется для осуществления сварки, а при нагреве дотемператур плавления необходимое давление становится равным нулю.
Кусок твёрдогометалла можно рассматривать как гигантскую молекулу, состоящую из атомов, размещённыхв строго определённом, зачастую очень сложном порядке и прочно связанных в одноцелое силами межатомного взаимодействия.
Принципиальнаясущность процесса сварки очень проста. Поверхностные атомы куска металла имеютсвободные, ненасыщенные связи, которые захватывают всякий атом или молекулу,приблизившуюся на расстояние действия межатомных сил. Сблизив поверхности двухкусков металла на расстояние действия межатомных сил или, говоря проще, досоприкосновения поверхностных атомов, получим по поверхности соприкосновениясращивание обоих кусков в одно монолитное целое с прочностью соединенияцельного металла, поскольку внутри металла и по поверхности соединениядействуют те же межатомные силы. Процесс соединения после соприкосновенияпротекает самопроизвольно (спонтанно), без затрат энергии и весьма быстро,практически мгновенно.
Объединение отдельныхобъёмов конденсированной твёрдой или жидкой фазы в один общий объёмсопровождается уменьшением свободной поверхности и запаса энергии в системе, апотому термодинамически процесс объединения должен идти самопроизвольно, безподведения энергии извне. Свободный атом имеет избыток энергии по сравнению сатомом конденсированной системы, и присоединение свободного атомасопровождается освобождением энергии. Такое самопроизвольное объединениенаблюдается на объёмах однородной жидкости.
Гораздо труднеепроисходит объединение объёмов твёрдого вещества: приходится затрачивать значительныеколичества энергии и применять сложные технические приёмы для сближения соединяемыхатомов. При комнатной температуре обычные металлы не соединяются не только припростом соприкосновении, но и при сжатии значительными усилиями. Две стальныепластинки, тщательно отшлифованные и пригнанные, подвергнутые длительномусдавливанию усилием в несколько тысяч килограммов, по снятии давления легкоразъединяются, не обнаруживая никаких признаков соединения. Если соединениявозникают в отдельных точках, они разрушаются действием упругих сил при снятиидавления. Соединению твёрдых металлов мешает, прежде всего, их твёрдость, приих сближении действительное соприкосновение происходит лишь в немногихфизических точках, и расширение площади действительного соприкосновениядостаточно затруднительно.
Металлы с малойтвёрдостью, например, свинец, достаточно прочно соединяются уже принезначительном сдавливании. У более важных для техники металлов твёрдостьнастолько велика, что поверхность действительного соприкосновения очень мала посравнению с общей кажущейся поверхностью соприкосновения, даже на тщательнообработанных и пригнанных поверхностях.
На процесс соединениясильно влияют загрязнения поверхностиметалла — окислы, жировые плёнки и пр., а также слои адсорбированных молекулгазов, образующиеся на свежезачищенной поверхности металла под действиематмосферы почти мгновенно. Поэтому чистую поверхность металла, лишенную слояадсорбированных газов, можно сколько-нибудь длительно сохранить лишьв высоком вакууме. Такие естественные условия имеются в космическомпространстве, где металлы получают способность довольно прочно свариваться или“схватываться” при случайных соприкосновениях. В обычных же, земных условияхприходится сталкиваться с отрицательным действием, как твёрдости металлов, таки слоя адсорбированных газов на поверхности. Для борьбы с этими затруднениямитехника использует два основных средства: нагрев и давление.Поскольку данная работа посвящена сварке металлов посредством плавления, сваркадавлением ниже подробно освещаться небудет.
Сварка плавлением.
Сварка плавлением осуществляется нагревом свариваемыхкромок до температуры плавления без сдавливания свариваемых деталей.
При нагреве сповышением температуры снижается твёрдость металла и возрастает его пластичность. Металл, твёрдый ималопластичный при комнатной температуре, при достаточном нагреве может статьочень мягким и пластичным. Дальнейшим повышением температуры можно довестиметалл до расплавления; в этом случае отпадают все затруднения, связанные ствёрдостью металла; объёмы жидкого металла самопроизвольно сливаются в общуюсварочную ванну.
Во многих случаях напроцесс сварки существенно влияют загрязнения поверхности металла:преимущественно окислы и жировые плёнки. Эти загрязнения, попадая в сварноесоединение, могут снижать качество сварки. Они, в отличие от адсорбированныхгазов, могут быть удалены с поверхности металла механически (щётками,абразивами и т.д.) или химически (растворителями, травителями, и флюсами).
Специфическим длясварки средством очистки служат флюсы, растворяющие окислы при повышенныхтемпературах. Помимо устранения загрязнений с поверхности металла, принимаютсямеры к уменьшению загрязнения металла в процессе сварки, в первую очередьокислами. Для этой цели используются флюсы, шлаки, защитные газы, вдуваемые взону сварки.
Противоречие междутеоретической возможностью сварки металлов без затрат энергии и практическойнеобходимостью затрат и довольно значительных может быть объясненоэнергетической моделью процесса сварки, схематически изображённой на рис 1.
2 H
1 h
3 h0
Рис. 1. Энергетическая модель процесса сварки
Атом на свободнойповерхности металла в положении 1 имеет энергию h, атом в объёмеметалла в положении 3 — меньшую энергию h; соединение объёмовметалла с уничтожением свободной поверхности сопровождается освобождениемэнергии на атом: Dh=h-h0. Но для перемещения из положения 1 в положение 3атом должен преодолеть энергетический порог и пройти положение 2 с энергиейH. Для преодоления энергетического порога атому нужноподвести энергию DH=H-h, без чего невозможнопреодоление порога и соединение объёмов металла. Энергия DH расходуется наупругую и пластическую деформации металла, необходимую для сближенияповерхностей металла, на его нагрев разрушение плёнки адсорбированных газов ит.д. Нагрев снижает энергетический порог, препятствующий соединению твёрдыхметаллов; расплавление сводит высоту порога почти к нулю, делая возможнымсоединение без затрат энергии. Соединение атомов при сварке металлов происходитобычно в очень тонком слое, толщиной в несколько атомных диаметров, и зонасварки имеет плёночный характер. Увеличение ширины зоны сварки может бытьпроизведено за счёт таких процессов, как диффузия, растворение, кристаллизация,протекающих более медленно во времени и постепенно распространяющихся по объёмуметалла.
Простейшие видысварки плавлением известны с глубокой древности, например литейная сварка.Современная схема сварки плавлением показана на рис. 2
Рис. 2. Схема сварки плавлением.
К соединяемым деталямв месте сварки подводят сварочное пламя; производят местное расплавлениедеталей до образования общей сварочной ванны жидкого металла. После удалениясварочного пламени металл ванны быстро охлаждается и затвердевает, в результатедетали оказываются соединёнными в одно целое. Перемещая пламя по линии сварки,можно получить сварной шов любой длины. Сварочное пламя должно иметь достаточнуютепловую мощность и температуру; сварочную ванну нужно образовывать насравнительно холодном металле: теплопроводность металлов высока и быстрообразовать ванну может только очень горячее пламя. Опыт показывает, что длясварки стали толщиной несколько миллиметров температура сварочного пламенидолжна быть не ниже 2700-3000°C. Пламя с меньшейтемпературой или совсем не образует ванны или образует её слишком медленно, чтодаёт низкую производительность сварки и делает её экономически не выгодной.Источники тепла, развивающие столь высокие температуры, появились относительнонедавно.
Сварочноепламя расплавляет как металл, так и загрязнения на его поверхности,образующиеся шлаки всплывают на поверхность ванны. Горячее пламя сильнонагревает металл на поверхности, значительно выше точки плавления; в результатеменяется химический состав металла и его структура после затвердевания;изменяются и механические свойства. Затвердевший металл ванны, так называемыйметалл сварного шва обычно по своим свойствам отличается от основного металла,незатронутого сваркой. Сварка плавлением отличается значительнойуниверсальностью; современными сварочными источниками легко могут бытьрасплавлены почти все металлы, возможно соединение разнородных металлов.
Характерный признаксварки плавлением; выполнение её за один этап-нагрев сварочным пламенем, вотличие от сварки давлением.
Классификация электрической дуговой сварки.
Все существующиеспособы сварки, как уже упоминалось выше, можно разделить на две основныегруппы: сварку давлением (контактная, газопрессовая, трением, холодная,ультразвуком) и сварку плавлением (газовая, термитная, электродуговая,электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная).
Самое широкоераспространение получили различные способы электрической сваркиплавлением, а ведущее место занимает дуговая сварка, при которой источникомтеплоты служит электрическая дуга.
Электрическую сваркуплавлением в зависимости от характера источников нагрева и расплавлениясвариваемых кромок можно разделить на следующие основные виды сварки, схема 1(см. приложение):
1. электрическая дуговая, где источником тепла являетсяэлектрическая дуга;
2. электрошлаковая, где основным источником теплоты являетсярасплавленный шлак, через который протекает электрический ток;
3. электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление кромоксоединяемых деталей производят направленным потоком электронов, излучаемыхраскалённым катодом;
4. лазерная, при которой нагрев и расплавление кромоксоединяемых деталей производят направленным сфокусированным мощным световымлучом микрочастиц-фотонов.
При электрическойдуговой сварке основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавленияметалла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемымметаллом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей иторец плавящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, котораянекоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металлаобразуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования иподдержания дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянногоили переменного тока. Классификация дуговой сварки производится в зависимостиот степени механизации процесса сварки, рода тока и полярности, типа дуги,свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.
По степенимеханизации различают сварку вручную, полуавтоматическую и автоматическуюсварку. Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, каквыполняются зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляцияэлектродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линииналожения шва и прекращения процесса сварки.
При ручнойсварке указанные операции, необходимые для образования шва, выполняютсярабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.
При полуавтоматическойсварке плавящимся электродом механизируются операции по подаче электроднойпроволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляютсявручную.
При автоматическойсварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержаниюопределённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва.Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокойдиаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещениядуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по егодлине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталейпод сварку.
По роду токаразличают дуги, питаемые постоянным током прямой (минус на электроде) илиобратной (плюс на электроде) полярности или переменным током. В зависимости отспособов сварки применяют ту или иную полярность. Сварка под флюсом и в средезащитных газов обычно производится на обратной полярности.
По типу дуги различаютдугу прямого действия (зависимую дугу) и дугу косвенного действия (независимуюдугу). В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, которыйтакже является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота,выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумяэлектродами. Основной металл не является частью сварочной цепи и расплавляетсяпреимущественно за счёт теплоотдачи от газов столба дуги. В этом случае питаниедуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительноеприменение из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезноиспользуемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).
По свойствамэлектрода различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся(угольным, графитовым и вольфрамовым). Сварка плавящимся электродом являетсясамым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основнымметаллом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления.Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если дваэлектрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой методназывают двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркойпучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сваркеплавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.
По условиям наблюденияза процессом горения дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую дугу.При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производитсячерез специальные защитные стёкла — светофильтры. Открытая дуга применяется примногих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом исварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью врасплавленном флюсе — шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, иона невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её частьнаходится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним.Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется приавтоматической сварке алюминия по флюсу.
По роду защиты зоны сварки от окружающеговоздуха различают следующие способы сварки: без защиты (голым электродом,электродом со стабилизирующим покрытием), со шлаковой защитой (толстопокрытымиэлектродами, под флюсом), шлакогазовой(толстопокрытыми электродами), газовой защитой (в среде газов) с комбинированнойзащитой (газовая среда и покрытие или флюс). Стабилизирующие покрытияпредставляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочнуюдугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды),предназначенных для ручной дуговой сварки. Защитные покрытия представляют собоймеханическую смесь различных материалов, предназначенных ограждатьрасплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги,легировать и рафинировать металл шва.
Наибольшее применениеимеют средне — и толстопокрытые электроды, предназначенные для ручной дуговойсварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.
Применяются такжемагнитные покрытия, которые наносятся на проволоку в процессе сварки за счёт электромагнитныхсил, возникающих между находящейся под током электродной проволокой иферромагнитным порошком, находящемся в бункере, через который проходитэлектродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке. Иногдаэто ещё сопровождается дополнительной подачей защитного газа.
Ручная дуговая сварка и оборудование для неё.
Наибольший объём среди других видов сваркизанимает ручная дуговая сварка- сварка плавлением штучными электродами, прикоторой подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромокпроизводится вручную. Схема процесса показана на рис. 3
Рис. 3. Ручная дуговая сваркаметаллическим электродом с покрытием
Дуга горит между стержнем электрода 1 и основнымметаллом 7. Под действием теплоты дуги электрод и основной металл плавятся,образуя металлическую сварочную ванну 4. Капли жидкого металла 8 срасплавляемого электродного стержня переносятся в ванну через дуговойпромежуток. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 2, образуя газовуюзащиту 3 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленногометалла.
Металлическая ишлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги металлсварочной ванны затвердевает и образует сварной шов 6. Жидкий шлак по мереостывания образует на поверхности шва твёрдую шлаковую корку 5, котораяудаляется после остывания шва. Для обеспечения заданного состава и свойств швасварку выполняют покрытыми электродами, к которым предъявляют специальныетребования (стальные покрытые электроды для ручной дуговой сварки и наплавкиизготовляют в соответствии с ГОСТ 9467-75).
Сварочный пост дляручной дуговой сварки оснащается источником питания, токоподводом, необходимымиинструментами, принадлежностями и приспособлениями.
Сварочные посты могутбыть стационарными и передвижными. К стационарным относят посты,расположенные в цехе, преимущественно в отдельных сварочных кабинах, в которыхсваривают изделия небольших размеров. Передвижные сварочные посты, какправило, применяют при монтаже крупногабаритных изделий (трубопроводов,металлоконструкций, и т.д.) и ремонтных работах. При этом часто используютпереносные источники питания. В зависимости от свариваемых материалов иприменяемых электродов для ручной дуговой сварки применяют источникипеременного или постоянного тока с крутопадающей характеристикой.
Основным рабочиминструментом сварщика при ручной сварке служит электрододержатель, которыйпредназначен для зажима электрода и провода сварочного тока. Применяютэлектрододержатели пружинного, пластинчатого и винтового типов (рис. 4)
Согласно ГОСТ14651-78 электрододержатели выпускаю трёх типов в зависимости от силы сварочного тока: 1 типа — для тока 125 А; 2-125-315 А; 3-315-500 А.
Для подвода тока отисточника питания к электрододержателю и изделию используют сварочные провода.Сечения проводов выбирают по установленным нормативам для электротехническихустановок (5-7 А/мм^2).
К вспомогательным инструментам для ручнойсварки относятся: стальные проволочные щётки для зачистки кромок перед сваркойи для удаления с поверхности швов остатков шлака, молоток-шлакоотделитель дляудаления шлаковой корки, особенно с угловых и корневых швов в глубокойразделке, зубило, набор шаблонов для проверки размеров швов, стальное клеймодля клеймения швов, метр, стальная линейка, отвес, угольник, чертилка, мел, атакже ящик для хранения и переноски инструмента.
Технология ручной дуговой сварки.
Выбор режима.
Под режимом сварки понимают совокупность контролируемыхпараметров, определяющих условия сварки. Параметры режима сварки подразделяютна основные и дополнительные. К основным параметрам режима ручной сварки относят диаметр электрода, величину,род и полярность тока, напряжение на дуге, скорость сварки. К дополнительнымотносят величину вылета электрода, состав и толщину покрытий электрода,положение электрода и положение изделия при сварке.
Диаметр электрода выбирают взависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве.
Примерное соотношениемежду толщиной металла S и диаметром электродаdэ при сварке в нижнем положении швасоставляет:
S, мм......1-2 3-54-10 12-24 30-60
dэ, мм....2-33-4 4-5 5-6 6-8
Сила тока в основном зависитот диаметра электрода, но также от длины его рабочей части, состава покрытия,положения сварки. Чем больше ток, тем больше производительность, т. е. большееколичество наплавленного металла:G=aнIсвt, где G- количествонаплавленного металла, г; aн- коэффициентнаплавки, г/(А•ч); Iсв- сварочный ток, А; t-время, ч.
Однако при чрезмерном токе для данного диаметра электрода электрод быстроперегревается выше допустимого предела. Что приводит к снижению качества шва иповышенному разбрызгиванию. При недостаточном токе дуга неустойчива, частообрывается, в шве могут быть непровары. Величину тока можно определить последующим формулам: при сварке конструкционных сталей для электродов диаметром3-6 мм Iд=(20+6dэ)dэ; дляэлектродов диаметром менее 3 мм Iд=30dэ, где dэдиаметр электрода, мм.Сварку швов в вертикальном и потолочномположениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. Приэтом сила тока должна быть на 10- 20 %ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение дуги изменяется в сравнительноузких пределах-16-30 В.
Техника сварки.
Дуга можетвозбуждаться двумя приёмами: касанием впритык и отводом перпендикулярно вверхили “чирканьем” электродом как спичкой. Второй способ удобнее. Но неприемлем вузких и неудобных местах.
В процессе сваркинеобходимо поддерживать определённую длину дуги, которая зависит от марки идиаметра электрода. Ориентировочно нормальная длина дуги должна быть в пределахLд=( 0,5-1,1)dэ, где Lд — длина дуги, мм; dэ - диаметр электрода,мм.
Длина дуги оказываетсущественное влияние на качество сварного шва и его геометрическую форму.Длинная дуга способствует более интенсивному окислению и азотированиюрасплавляемого металла, увеличивает разбрызгивание, а при сварке электродамиосновного типа приводит к пористости металла.
В процессе сваркиэлектроду сообщается движение в трёх направлениях. Первое движение — поступательное,по направлению оси электрода. Этим движением поддерживается постоянная (визвестных пределах ) длина дуги в зависимости от скорости плавления электрода.
Второе движение-перемещениеэлектрода вдоль оси валика образования шва. Скорость этого движенияустанавливается в зависимости от тока, диаметра электрода, скорости егоплавления, вида шва и других факторов. При отсутствии поперечных движений электрода получается так называемыйниточный валик, на 2-3 мм больший диаметра электрода, или узкий шов шириной е£1,5dэ.
Третье движение - перемещениеэлектрода поперёк шва для получения шва шире, чем ниточный валик, такназываемого уширенного валика.
Поперечныеколебательные движения конца электрода (рис. 5)
Рис. 5. Траектория движения конца электрода при ручнойдуговой сварке.
определяются формой разделки, размерами иположением шва, свойствами свариваемого материала, навыком сварщика. Дляшироких швов, получаемых с поперечными колебаниями, e=(1,55)dэ.
Для повышенияработоспособности сварных конструкций, уменьшения внутренних напряжений идеформаций большое значение имеет порядок заполнения швов.
Под порядкомзаполнения швов понимается как порядок заполнения разделки шва по поперечномусечению, так и последовательность сварки по длине шва.
По протяжённости всешвы условно можно разделить на три группы: короткие — до 300 мм,средние-300-1000, длинные — свыше 1000 мм.