Лабораторная работа №1Сварка металлов
Изучение процесса сварки плавлением. Выбор режима ручной дуговой сварки конструкцийиз стали
Содержание:
1. Классификация и обозначение покрытыхэлектродов для ручной дуговой сварки
2. Устройство и работа сварочноготрансформатора и выпрямителя
3. Выбор режима сварки
4. Техника ручной дуговой сварки5.Порядок проведения работы6.Содержание отчета
Изучение процесса сварки плавлением. Выбор режима ручной дуговой сваркиконструкций из стали
Цельработы: ознакомиться с процессом зажигания и строением электрической сварочнойдуги, обозначением покрытых электродов, устройством и работой сварочноготрансформатора и выпрямителя, выбором режима и технологии дуговой сваркипокрытыми электродами.
Оборудованиеи материалы. Сварочные трансформаторы выпрямитель, предохранительныещитки, сварочные электроды типа Э42, Э46, заготовки из углеродистой инизколегированной стали.
Общиесведения Процесс зажигания и строение электрической дуги
Придуговой сварке плавящимся электродом расплавление кромоксвариваемых заготовок и электрода осуществляется за счет теплотыэлектрической сварочной дуги. Электрическая сварочная дуга — стационарный мощныйэлектрический разряд при значительной плотности ток (0,5-100 А/мм2)в сильно ионизированной газовой среде между двумя электродами, одним из которыхобычно являются свариваемые заготовки. В процессе горения сварочной дугивыделяется
/>
/>
Рис.1.1.Схема электрической дуги при сварке металлическим электродом с покрытием
большоеколичество теплоты, образуется яркое световое излучение, невидимыеультрафиолетовые и инфракрасные лучи, газы и пыль. Электрическая сварочная дуга(рис.1.1, а) состоит из катодного 3 и анодного 5 пятен и столба дуги 4.Снаружи она окружена ореолом 6, состоящим из смеси газов, паров и пыли. Длязажигания дуги необходимо легко коснуться стержнем с покрытием 2 электродасвариваемой заготовки (рис.1.1, б) с замыканием электрической цепинакоротко, после чего отвести электрод от заготовки на расстояние 2-4 мм. Происходит быстрый разогрев торца электрода за счет теплоты, выделяемой током короткогозамыкания. После отвода электрода с разогретого торца металлического стержня,являющегося катодом, свободные электроны под действием электрического поляустремляются к аноду (заготовке). Им сообщается значительная кинетическаяэнергия. В межэлектродном зазоре электроны сталкиваются (соударяются) смолекулами и атомами воздуха и между собой. Эти соударения могут быть упругими инеупругими. При упругом соударении часть кинетической энергии электронов передаетсяатому или молекуле воздуха. В результате температура в дуговом промежутке(столбе дуги) повышается до 6000-7000 °С. При неупругом соударении происходитионизация молекулы воздуха с выделением электронов, положительных иотрицательных ионов. Электроны и отрицательные ионы продолжают движение к анодуи бомбардируют его поверхность. В результате торможения их движения происходитпревращение кинетической энергии в тепловую и поверхность анода (анодное пятно)разогревается до t= 2600-3000 °С. Положительныеионы под действием сил притяжения движутся к катоду и, бомбардируя егоповерхность, нагревают ее (катодное пятно) до 2000-2600 °С. В дуге постоянноготока прямой полярности (минус на электроде, плюс на заготовке) на анодевыделяется большее количество теплоты (41-42 % от общего количества Од), чем накатоде (36-38 %), в связи с тем, что анод подвергается более мощнойбомбардировке заряженными частицами. В дуге переменного тока различиетемператур катодного и анодного пятен сглаживается вследствие их периодическойсмены с частотой, равной частоте тока (50 Гц).
Дляустойчивого горения дуги необходимы постоянный межэлектродный зазор (длинадуги), определенные напряжение и ток в цепи, достаточная ионизация воздушногопромежутка, стабильность свойств источника тока, питающего дугу.
1.Классификацияи обозначение покрытых электродов для ручной дуговой сварки
Покрытыеэлектроды для ручной дуговой сварки классифицируют по назначению, виду и толщине покрытия,допустимому пространственному положению сварки или наплавки, роду и полярностисварочного тока. По назначению различают электроды для сварки стали, чугуна,алюминия, меди. Обозначения электродов для сварки: углеродистых инизколегированных конструкционных сталей с sв >600 МПа — У; легированныхконструкционных сталей с sв до 600 МПа — Л; легированных теплоустойчивых сталей — Т; высоколегированныхи сталей с особыми свойствами — В; для наплавки поверхностных слоев с особымисвойствами — Н. В зависимости от механических свойств наплавленного металлаприменяются электроды 14 типов: Э42, Э46А, Э50… Э150. Тип электродаобозначается буквой Э с цифрой, указывающей гарантированное временноесопротивление разрыву наплавленного металла в КГс/мм2. Буква А послецифр обозначает повышенную пластичность наплавленного металла. По видупокрытия электроды разделяются на: А — с кислым покрытием (ОММ-5, АНО-2, СМ-5,ЦМ-7, МЭЗ-04 и др.), содержащим оксиды железа, марганца, кремния, иногдатитана. При плавлении покрытия выделяется большое количество 02, Hg, кроме того,оно токсично. Эти электроды обеспечивают стабильное горение дуги на переменноми постоянном токе. Металл шва отличается повышенной степенью окисления,плотностью и пластичностью; Б — с основным покрытием (УОНИ-13/45,УОНИ-13/5БК, УОНИ-В/85, АНО-Т, ОЗС-5, ДСК-50, СН-11, УП-1/45 и др.), содержащиммрамор — СаСОз, плавиковый шпат — CaF2, кварцевый песок,ферросплавы. Наплавленный металл имеет большую прочность на ударный изгиб,малую склонность к старению и появлению трещин. Эти электроды применяются длясварки на постоянном токе обратной полярности ответственных конструкций изуглеродистых и легированных сталей; Р — с рутиловым покрытием (ОЗС-12, АНО-32,ОЗС-6, АНО-6, МР-4, ОЗЛ-32 и др.), содержащим рутил — TiO2, мрамор — СаСОз,полевой шпат — K2O*Al2O3 *6 SiO2, каолин,иногда железный порошок. Они обеспечивают устойчивое горение дуги и хорошееформирование шва во всех пространственных положениях;
Ц— с целлюлозным покрытием (ОМА-2, ВСЦ-1, ВСЦ-2, ВСП-1, ВСЦ-4М и др.). Приплавлении покрытия выделяется большое количество газов. Эти электродыприменяются для сварки металла малой толщины и при сварке в монтажных условиях. П — с прочими покрытиями (ильменитовым, рутил- ильменитовым — АНО-24, рутилосновным— АНО-ЗО, фтористокальциевым — АНО-Д и др.). В состав покрытия входят:стабилизирующие, шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, газообразующие,формующие, связывающие компоненты. Покрытие обеспечивает газовую и шлаковуюзащиту зоны сварки и расплавленного металла, рас-кисление и легирование металласварочной ванны, стабильность горения дуги. По толщине покрытия (отношениюдиаметра электрода D к диаметру стержня d) электродыизготавливают: М —.с тонким покрытием D/d 1,2; С — со среднимпокрытием 1,2 D/d 1,45; Д — с толстым покрытием 1,45 D/d 1,8; Г — с особо толстым покрытием D/d > 1,8. По допустимомупространственному положению сварки электроды разделяются: для всех положений —1; для всех положений, кроме вертикального — 2; для нижнего, горизонталь- ногои вертикального — 3; для нижнего — 4. По качеству изготовления, состояниюповерхности покрытия электроды бывают 1, 2, 3 групп. По роду и полярностиприменяемого при сварке или наплавке тока и номинальному на- пряжению холостогохода источника переменного тока электроды подразделяются: 0 — обратнаяполярность постоянного тока, 4 — любая, 5 — прямая, 6 — обратная дляпостоянного тока и для переменного тока с напряжением холостого хода 70 В. Примерыусловного обозначения электродов: а) тип Э46А по ГОСТ 9467-75 марки УОНИ-13/45диаметром 3,0 для сварки углеродистых и низколегированных сталей — У, с толстымпокрытием — Д, 2-й группы с механическими свойствами направленного металла: sв > 460 МПа (43), d — 22% (2), KCU= 0,35 Дж/мм2при t = -40 °C (5) с основнымпокрытием Б для сварки во всех пространственных положениях — 1, на постоянномтоке обратной полярности 0:
Э46А-УОПИ-13/45-3, ОУ,0 ГОСТ 9466 -75,ГОСТ 9467-75 Е432(5)-Б1.0
б)типа Э-09Х1МФ по ГОСТ 9467-75 марки ЦЛ-20 диаметром 40 мм для сварки легированных теплоустойчивых сталей — Т с толстым покрытием Д 3-й группы с механическимисвойствами наплавленного металла — прочностью на ударный изгиб KCU= 0,35 Дж/мм2при ОС (2) и длительной прочностью при t 580 °С (7) сосновным покрытием Б для сварки во всех пространственных положениях 1 на постоянномтоке обратной полярности 0:
/>
2.Устройство иработа сварочного трансформатора и выпрямителя
Дляпитания электрической дуги применяются источники переменного тока — сварочныетрансформаторы и постоянного тока — сварочные выпрямители и генераторы(преобразователи), инверторные источники. Сварочный трансформатор состоит из понижающегосилового трансформатора и специального устройства (дросселя, шунта, подвижнойкатушки), предназначенного для регулирования силы сварочного тока, напряжения,и обеспечения, чаще всего, падающей вольтамперной характеристики. Сварочныетрансформаторы могут быть с нормальным и повышенным магнитным рассеянием, механическими электрическим регулированием сварочного тока и напряжения. Наиболее широкоприменяются сварочные трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием. Поспособу изменения магнитного рассеяния и индуктивного сопротивления они могутбыть с магнитным шунтом, подвижными катушками и витковым (ступенчатым)регулированием. У трансформаторов с подвижным магнитным шунтом типа СТШ (рис.1.2)он конструктивно выполнен из двух половин, расходящихся в противоположныестороны.
/>
Рис.1.2.Электрическая схема сварочного трансформатора типа СТШ 500-80
Сила сварочного токарегулируется изменением положения шунта в магнитном сердечнике. Когда шунт полностьювдвинут в сердечник, магнитный поток рассеяния и реактивная ЭДС рассеяниямаксимальны, а сварочный ток минимален. У трансформаторов с подвижнымикатушками типа ТС, ТСК, ТД (рис.1.3) магнитное рассеяние регулируетсяизменением расстояния между неподвижной первичной 1 и подвижной вторичной 2обмотками. Это изменение осуществляется поворотом рукоятки 3 и винта,связанного с подвижной отмоткой. Сила
/> Рис1.3.Сварочный трансформатор типа ТСК-500
сварочноготока увеличивается при сближении обмоток и уменьшается при увеличении расстояниямежду ними. Напряжение холостого хода при сдвинутых катушках больше, а прираздвинутых — меньше. У трансформаторов типа ТСК конденсаторы, включенные параллельнопервичной обмотке, обеспечивают повышение коэффициента мощности. Втрансформаторах типа ТД (рис.1.4) применено двухдиапазонное плавное регулированиетока: в диапазоне малых токов катушки первичной и вторичной обмоток включается
/>
Рис.1.4.Электрическая схема трансформатора ТД-500
I
последовательно,а больших — параллельно. Включение и отключение катушек производитсяпереключателем, смонтированным внутри трансформаторов. Сварочные выпрямители игенераторы выпускаются с падающими и жесткими внешними характеристиками. Выпрямителис падающими внешними характеристиками типа ВД предназначены для ручной дуговойсварки, резки, наплавки, автоматической дуговой сварки под флюсом, а с жесткимивнешними характеристиками типов ВС, ВДГ, ВМ и универсальные ВДУ, ВСУ — длядуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах и под флюсом. Каждый источникпитания дуги рассчитан на определенную (номинальную) нагрузку, при которой онработает, не перегреваясь выше допустимой температуры (по паспорту). Обычнорежим работы источников питания при дуговой сварке обозначают: ПН —продолжительность нагрузки; ПР — продолжительность работы; ПВ —продолжительность включения. Режим работы характеризуется отношением времени сваркик сумме времени сварки и холостого хода
/>
гдеtсв — время сварки; tп— время пауз. Различие между ПН, ПР, ПВ состоит втом, что в режимах ПН и ПР источники питания (трансформаторы) во время паузы неотключаются от сети и при разомкнутой сварочной цепи работают на холостом ходу,а в режиме ПВ (выпрямители) полностью отключаются от сети.
Заноминальный режим работы однопостовых сварочных трансформаторов, выпрямителей,генераторов принят режим ПН = 20, 35 или 60%, а у многопостовых иустановок тока для автоматической сварки — ПН = 100%.
3.Выбор режимасварки
Режимобусловливает характер протекания процесса сварки и обеспечивает получениесварного шва заданной формы и размеров. Все определяется диаметром, типом имаркой электрода, коэффициентом наплавки, родом, полярностью и силой тока,напряжением дуги, скоростью сварки, углом наклона и движения электрода, массойнаплавленного металла. Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемогометалла. При сварке в нижнем положении для выбора диаметра можно пользоватьсятабл.1.1.
Таблица1.1 Выбор диаметра стержня электрода по толщине свариваемого металлаТолщина S свариваемого металла, мм до 1,5 2 3 4-5 6-8 9-12 13-15 16-20 св. 20
Диаметр d стержня электрода, мм 1; 1,6 2 3 3-4 4; 5 4; 5 5 5; 6 6;8
При сварке горизонтальных, вертикальных и потолочных швов независимо оттолщины свариваемого металла применяют электроды диаметром dэ 4 мм. Тип и марка электрода выбираются в зависимости от марки и механических свойств ( sв, sт, KCV, ) свариваемогометалла, назначения и условий работы конструкции (табл.1.2). Сила сварочноготока I выбирается в зависимости от диаметра стержня электродах dэ и положениясварного шва в пространстве. При сварке в нижнем положении
/>
гдеК — коэффициент пропорциональности, который при сварке углеродистых инизколегированных сталей в нижнем положении равен 35-60 А/мм для толщиныметалла 5-30 мм. При сварке горизонтальных и вертикальных швов сила токауменьшается на 10-15, а потолочных — на 15-20%. Чрезмерно большой сварочный токприводит к перегреву и разбрызгиванию электродного металла, ухудшению формированияшва, а при сварке тонкостенных заготовок — к прожогу стенок. Сварка на малых токахсопровождается неустойчивым горением дуги, непроваром, малойпроизводительностью. Род тока и полярность выбираются в зависимости от маркисвариваемого металла, его толщины, марки электрода, назначения конструкции.Сварка на постоянном токе обратной полярности применяется для тонкостенныхзаготовок и высоколегированных сталей с целью исключения их перегрева. Сваркууглеродистых сталей обычно выполняют на переменном токе. Напряжение дляустойчивого горения дуги Uд определяется по формулам:
/>
где(Uка = 20-22 — суммарное падение напряжения на катоде и аноде, В; Ее =3,3-3,8 — градиент напряжения (напряженность) в столбе руги. В/мм; l=(0,5-1, l) d— длина дуги,мм; I— сварочный ток. По выбранным Uд и 1 с учетомпроизводительности и КПД выбирают тип сварочного трансформатора (табл.1.3) иливыпрямителя (табл.1.4).
Таблица1.2 Типы и марки электродов в зависимости от марки и механических свойствсвариваемого металла
/>
Таблица1.3 Технические данные сварочных трансформаторов
/>
Таблица1.4 Технические данные сварочных выпрямителей
/>
4.Техника ручнойдуговой сварки
Присварке нижних стыковых швов электрод располагают под углом 70-80° к заготовкедля обеспечения равномерного покрытия жидкого металла расплавленным шлаком. Дляобразования сварного шва (рис.1.5, а) электроду сообщается сложное движение: поступательноевдоль оси со скоростью плавления
/>
Рис.1.5.Положение (а) и поперечное движение (б) электрода при сварке нижних стыковыхшвов
/>
Рис.1.6.Положение и движения электрода при сварке однослойных швов
стержнядля поддержания определенной длины дуги и вдоль кромок со скоростью сварки.Колебание конца электрода поперек шва (рис.1.5, б) необходимо дляполучения определенной его ширины, хорошего провара кромок и замедленияостывания сварочной ванны. Характер колебательных движений определяется формой,размером и положением шва в пространстве. При сварке необходимо внимательно следитьза расплавлением кромок основного металла и конца электрода, проваром корня шваи не допускать затекания жидкого шлака вперед дуги. При сварке однослойныхшвов (рис.1.6, а) дуга возбуждается на краю скоса кромки (в точке А), а затемперемещается вниз для проваривания корня шва. На скосах кромок движениеэлектрода замедляется для исключения прожога в зазоре. При сварке многослойныхшвов (рис.1.6, б) особое внимание уделяется качественному выполнению первогослоя с проваром корня шва, определяющего прочность всего шва. Процессзаканчивается заваркой кратера. Сварка вертикальных швов (рис.1.6, в)выполняется короткой дугой при перемещении электрода снизу вверх и сверху вниз.При сварке горизонтальных швов дуга возбуждается на нижней горизонтальнойкромке, а затем переносится на наклонную для поддержания стекающей каплиметалла. Сварка потолочных швов (рис.1.6, г) выполняется короткой дугойпри периодическом замыкании электрода с ванной жидкого металла. Короткие швы длинойдо 250 мм сваривают за один проход, т.е. при движении электрода от начала шва кконцу. Средние (250-1000 мм) и длинные, более 1000 мм, сваривают за несколько проходов от середины к краям или обратноступенчатым способом.5.Порядок проведения работы1. Ознакомиться с процессом зажигания и строениемэлектрической сварочной дуги. 2. Изучить обозначение покрытых электродов. 3.Изучить устройство и работу сварочного трансформатора и выпрямителя. 4.Выбрать режим сварки стали (марку и толщину указывает преподаватель), выбратьтип сварочного трансформатора или выпрямителя, привести его электрическуюсхему, выполнить сварку и заполнить табл. 5. 1.7. Содержание отчета
1. Схема и краткое описание строения электрической дуги, типов электродов,их покрытий
2. Схема выбранного сварочного трансформатора, выпрямителя, описание егоустройства и работы.
3. Выбранный режим сварки (табл.1.5)
Таблица1 5 Таблица результатовМарка и толщина свариваемого металла Тип, марка и диаметр электрода Напряжение горения дуги, В Сила свароч- ного тока, А Тип трансформа- тора выпрямите- ля и его техни ческие данные Качество сварного шва по внешнему виду