Структура и строение сварочной дуги

Методические указания к выполнению практических и лабораторных работ по курсу «Технологические процессы в машиностроении», «Физико-химические основы материаловедения и технологии конструкционных материалов» по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

 

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Cаратов 2017

ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

 

Цель работы: ознакомиться с физико-металлургическими процессами и технологией электродуговой сварки.

Задачи работы изучить:

· строение сварочной дуги и режимы сварки;

· физико-металлургические процессы, лежащие в основе сварки;

· механизм формирования и кристаллизации металла при сварке;

· виды сварных соединений и швов;

· вопросы свариваемости, выбора электродов и режимов сварки

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

У истоков современного сварочного производства стояли выдающиеся русские учёные: открывший электрическую дугу В.В. Петров (1802г), создавшие способы электродуговой сварки Н.Н. Бенардос (1882 г) и Н.Г. Славянов (1883). Их гениальные идеи нашли широкое воплощение в наши дни – электродуговая сварка является доминирующей в технологии производства металлоконструкций различного назначения.

 

Дуга	Рис.1. Схема сварочной установки для дуговой точечной сварки с использованием держателя, предложенного Н.Н. Бенардосом в 1887 г

 

В 1896 г. Спенсер (США) получил патент на изобретение в области упрочнения деталей дуговой наплавкой. В 30 г распространяется дуговая сварка покрытыми электродами, что существенно расширило её возможности. Неоценимый вклад в развитие сварочного производства внесли учёные и сотрудники ИЭС им. Е.О. Патона, МВТУ им. Э.Н. Баумана.

Классификация и характеристика электрических дуг

Классификация электрических дуг осуществляется по наиболее важным физическим признакам, табл. 2.

Таблица 2.

Физические явления и процессы при дуговой сварке

Зажигание дуги: осуществляется: а - соприкосновением электродов с последующим их разведением; б - подачей дополнительных импульсов высоких U и f (от осциллятора); в - применением дополнительной вставки и использованием косвенной дуги. Дуга возбуждается по истечении 10^-3...10^-4 с. В коротких дугах 5-10 мм для пробоя МЭП достаточно 10-18 В, для длинных 160...200 мм - 210...250 В.

Дуговая сварки представляет собой комплекс различных физических процессов и явлений, которые определяют ее эффективность, рис.4.

 

Тепловые Металлур- Гидромеха- Поверх- Кристаллиза-

явления и гические нические ностные ция и другие

деформации процессы явления явления процессы

 

Технологические режимы

Из-за большого количества факторов логично выделить три вида режимов сварки: гидромеханический, термический и силовой.

Гидродинамический режим характеризуется гидростатическим давлением расплава Р_Г, скоростью его растекания u_р, жидкотекучестью Ж_Р, геометрическими параметрами жидкой ванны, временем существования жидкой ванны t_Р.

Силовой режим сварки характеризуется электродинамическим давлением дуги Р_Д, защитных сред Р_С (газа, флюса), амплитудно-частотными и скоростными параметрами формообразующих элементов.

Термический режим сварки характеризуется тепловой мощностью дуги (ток, напряжение дуги), скоростью сварки,подачи электродов их количеством, интенсивностью теплоотвода (охлаждения)

Ток дуги I_Д в наибольшей степени определяет её тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева.. С увеличением величины тока возрастает длина сварочной ванны, ее ширина и глубина проплавления. Особенно интенсивно растет глубина проплавления: Н = k I_Д, где k — коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.

Напряжение дуги. С увеличением напряжения возрастает тепловая мощность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Особенно интенсивно возрастают ширина ванны: , где S — толщина свариваемого металла. При постоянной величине сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления

Режимы сварки назначают с учётом геометрических параметров свариваемых объектов. Максимальная толщина соединяемых элементов, свариваемых без разделки кромок, указана в табл. 5. Перед сваркой кромки зачищаются, а детали подвергаются правке.

Таблица 5

Диаметр электродов в зависимости от толщины свариваемых материалов

 

Толщина свариваемого материала,, мм	1,5
Диаметр электрода, d, мм

Ток сварки устанавливается в зависимости от необходимой глубины провара П из расчета, что 80 ¸ 100 А дают глубину провара около 1 мм:

(5)

 

Ток сварки корректируется с учётом диаметра электрода

(6)

где к – расчётный коэффициент выбирается по табл. 6.

Таблица 6

Расчётный коэффициент

 

Диаметр электрода, мм	1-2	3-4	5-6
Коэффициент, k	25-30	30-45	45-60

Для электродов с газозащитным покрытием коэффициент К имеет меньшее значение, чем для ионизирующих покрытий. Для вертикальных и потолочных швов расчетную величину тока уменьшают на 20%. С целью увеличения производительности сварку стремятся вести на сильном токе. Однако его увеличение ограничивается чрезмерным нагревом электрода. Величина тока при коротком замыкании (в момент зажигания) должна быть ограничена и составляет .

Напряжение обычноизменяется в пределах (20 ¸ 50 В). Напряжение холостого хода в 2-3 раза выше рабочего напряжения, но не более 100 В. Это необходимо для легкого зажигания дуги.

Скорость ручной сварки выбирается из условия отсутствия стекания расплава со свариваемого объекта, в зависимости от площади шва (). Обычно она находится в пределах 0,5 ¸ 1 м/ч. В то же время желательно сварку вести за один проход. Количество проходов , рассчитывается исходя из толщины наплавки за один проход (см. табл. 7):

, (7)

 

где , - площадь сечения шва за один проход и сечения разделки кромок, см². соответственно

Таблица 7

Максимальная толщина стали, свариваемой за один проход, мм

 

Способ сварки	Односторонний шов	Двусторонний шов
С обязательным зазором или скосом кромок	Без зазора	С обязательным зазором или скосом кромок	Без зазора
Электродами с обычным покрытием
Покрытиями для глубокого провара
Полуавтоматическая в СО2
Под флюсом

Сечение прямо пропорционально коэффициенту наплавки ( = 8 ¸ 10 г/Ач) и току сварки и обратно пропорционально объёму наплавляемого металла:

, (8)

 

Расчет основного времени сварки, проводится по формуле

, (9)

где - основное время (время горения дуги), ч; - количество наплавленного металла, г (зависит от сечения и длины шва L):

 

, (10)

 

- плотность наплавленного металла (7,8 г/см³ для стали); - коэффициент наплавки в г/Ач (зависит от способа сварки, марки электрода, полярности, величины и плотности тока и определяется из формулы , где - коэффициент расплавления, к/Ач; - коэффициент потерь на разбрызгивание, угар и изменяется в пределах 1 ¸ 20%). Коэффициент потерь при сварке под флюсом = 1 – 5 %, при сварке в СО₂, =10 ¸ 12%; при сварке открытой дугой =10 ¸ 20%.

Полное время сварки подсчитывается в зависимости от с учетом поправочного коэффициента К - 0,4 ¸ 0,8, зависящего от условий работы и организации рабочего места сварщика, степени механизации и автоматизации сварочного поста.

Расход электродов подсчитывается по формуле

 

, г, (11)

 

где =1,3 ¸ 1,5 - учитывает потери на огарки и вес покрытия.

Сварка в потолочном и вертикальном положении проводится на уменьшенном токе (табл. 6).

Таблица 8

Ориентировочные режимы сварки (ток и диаметр электродов)

Марка электрода	Диаметр электрода, мм	Положение шва в пространстве
Нижнее	Вертикальное	Потолочное
УОНИ-13/45		80-120	70-100	70-100
	120-150	100-130	100-130
	160-190	140-170	–
СМ-11		100-130	90-110	90-110
	160-200	140-180	140-180
ЦТ-15-1		80-110	70-90	70-90
	120-140	90-110	90-110
ОЗА-1		120-160	–	–
	150-220	–	–

 

Тепловложение при сварке

 

При сварке расходуется не вся мощность источника, а только частьее, называемая эффективной тепловой мощностью q=η_и q₀;

где q₀ = 0,24 I_д U_д - полная мощность источника нагрева (дуги); η_И=q/q₀ - эффективный КПД процесса нагрева изделия, учитывающий неизбежные потери теплоты на излучение, конвективный теплообмен со средой и т.д. Для дуговой сварки η_И меняется от 0,8 - 0,9 (при сварке под флюсом до 0,5 – 0,6 при сварке открытой дугой).

Минимальная тепловая мощность q_пл, необходимая для расплавления основного металла и образования сварочной ванны определяется энтальпией металла при температуре плавления ΔH_пл: q_пл= g₀ ΔH_пл,

где g₀ = γ v_св F_пр - массовая скорость плавленияметалла;γ — плотность твердого металла; v_св — скорость сварки; F_пр — площадь проплавления.

Для теории и практики сварки особое значение приобретает термический КПД процесса плавления η_t =g₀ ΔH_пл/q, который позволяет оценить полный КПД процесса плавления металла η_пр= η_t η_и. Доля полной мощности, расходуемой на плавление металле при сварке, определяется

по формуле: η_пр =g₀ ΔH_пл/q₀.

Определяющим параметром режима сварки является величина погонной энергии q/v_св, который характеризует тепловложение на единицу длины. С увеличением погонной энергии возрастают размеры ванны и ее масса

e = A₁ q/v_св S; L = A₂ q²/v_св S² ;G = A₃ q³/(v_св S)², (12)

 

где е, L, G — ширина, длина и масса сварочной ванны; А₁, А₂, А₃ — коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств свариваемого металла; S — толщина свариваемых кромок.

 

Источники сварочного тока

Источниками питания тока при сварке являются сварочные генераторы и выпрямители.

Генераторы - это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую постоянного тока (рисунок 4, а).

Выпрямители – это электрические устройства для преобразования переменного тока в постоянный. Состоят из трансформатора и полупроводникового выпрямителя (рисунок 4, б).

Основным источником переменного тока являются сварочные трансформаторы, понижающие напряжение сети 220, 380 или 500 В до необходимых 55¸80 В. КПД сварочных трансформаторов ниже КПД обычных трансформаторов и составляет 73¸90%.

а б

Рисунок 19 – Источники сварочного тока:

а- генератор, б- трансформатор (с выпрямителем или без него)

Рис.20 – Виды внешних вольтамперных характеристик источников питания дуги:

ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Методические указания

к практическим и лабораторным работам

для студентов биотехнических специальностей

 

Составили:

 

Рецензент:

 

Редактор

Компьютерная верстка

 

Подписано в печать 24.10.14 Формат 60*84 1/6

Бум. Офсет Усл.печ.л.0,69(0,75) Уч. Изд. П. 0,7

Тираж экз. 100 Заказ 160

Саратовский государственный технический университет

410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.

Тел.: 24-95-70, 99-87-39, E-mail: [email protected]

 

 

Методические указания к выполнению практических и лабораторных работ по курсу «Технологические процессы в машиностроении», «Физико-химические основы материаловедения и технологии конструкционных материалов» по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

 

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Cаратов 2017

ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

 

Цель работы: ознакомиться с физико-металлургическими процессами и технологией электродуговой сварки.

Задачи работы изучить:

· строение сварочной дуги и режимы сварки;

· физико-металлургические процессы, лежащие в основе сварки;

· механизм формирования и кристаллизации металла при сварке;

· виды сварных соединений и швов;

· вопросы свариваемости, выбора электродов и режимов сварки

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

У истоков современного сварочного производства стояли выдающиеся русские учёные: открывший электрическую дугу В.В. Петров (1802г), создавшие способы электродуговой сварки Н.Н. Бенардос (1882 г) и Н.Г. Славянов (1883). Их гениальные идеи нашли широкое воплощение в наши дни – электродуговая сварка является доминирующей в технологии производства металлоконструкций различного назначения.

 

Дуга	Рис.1. Схема сварочной установки для дуговой точечной сварки с использованием держателя, предложенного Н.Н. Бенардосом в 1887 г

 

В 1896 г. Спенсер (США) получил патент на изобретение в области упрочнения деталей дуговой наплавкой. В 30 г распространяется дуговая сварка покрытыми электродами, что существенно расширило её возможности. Неоценимый вклад в развитие сварочного производства внесли учёные и сотрудники ИЭС им. Е.О. Патона, МВТУ им. Э.Н. Баумана.

Структура и строение сварочной дуги

 

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения, каких либо твердых материалов, путем их местного плавления или пластического деформирования, в результате чего образуются прочные связей между атомами свариваемых материалов.

По физическим признакам сварочные процессы подразделяются на три класса (таблица 1):

Таблица 1

«Физические признаки сварочных процессов»

ТЕРМИЧЕСКИЙ (сварка плавлением с использованием тепловой энергии)	ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ (с использованием тепловой энергии и давления)	МЕХАНИЧЕСКИЙ (с использованием механической энергии и давления)
дуговая, электронно-лучевая, электрошлаковая, плазменная, ионно-лучевая, сварка тлеющим разрядом, индукционная, термитная, газовая, литейная	контактная, индукционно-прессовая, диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, печная, термитно-прессовая	холодная, ультразвуковая, взрывом, трением, магнитно-импульсная

Дуговая сварка является наиболее распространенным и универсальным видом сварки. Относится к сварке плавлением и сама может классифицироваться по целому ряду признаков, наиболее важными из которых являются: вид электрода, принцип действия дуги на основной металл, род сварочного тока, полярность постоянного тока, длина дуги.

Сущность электродуговой сварки заключается в том, что под действием электрического тока (50 – 1000 и более А) и напряжения(16 – 40 В) от источника питания (трансформатора, выпрямителя и др.) между электродом и свариваемыми деталями возникает дуговой разряд (рис. 2 а и 2 б), представляющий собой концентрированный поток энергии свободных электронов и др. частиц (квазиплазма) с высокой температурой (5000 – 8000 и более ⁰С), достаточной для плавления электрода (или присадки), которые расплавляясь и оплавляя свариваемые кромки, заполняют пространство между свариваемыми деталями, а затем, охлаждаясь, кристаллизуются, образуя неразъёмное соединение, рис. 2.б

Рис. 2. Электрическая дуга: а - распределение падения напряжений; б — процесс объемной ионизации газа; г – схема дуговой сварки; 1 — электрод; 2— катодное пятно; 3 — катодная область; 4 — столб дуги (МЭП); 5 — анодная область; 6 — анодное пятно; 7 — сварочная ванна; 8 — основной металл; 9 – шов; 10 – свариваемое изделие; 11 – капельный перенос; 13 – присадка (проволока без тока. ИП – источник питания; U_к, U_ст, U_а – падение напряжение на катоде, в столбе дуги, аноде соответственно; l_к, l_а, l_ст – длина прикатодной, анодной областей и столба дуги; МЭП – межэлектродный промежуток (длина дуги, l_д); h – глубина проплавления

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока U_Д=f(I_Д) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) дуги. На рисунке 3 показаны статические ВАХ дуги в координатах плотность сварочного тока (А/мм²) – напряжение дуги.

Как видно из рисунке 3. кривая ВАХ дуги в зависимости от различных условий имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую.

Рис. 3 – Статические вольтамперные характеристики дуги: