Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf

Металлургические процессы при сварке плавлением. Мощ­ ность теплового источника, используемого для сварки, расходуется на нагрев и плавление основного металла и стержня электрода (или присадочного металла). Распределение температуры в сва­ риваемом металле будет весьма сложным, так как оно определяет­ ся рядом факторов, из которых важнейшими являются: мощность теплового источника, приходящаяся на единицу нагреваемой пло­ щади в единицу времени, физические свойства свариваемого ме­ талла, скорость перемещения источника тепла.

На рис. 155 представлено тем­ пературное поле движущегося ис­ точника для мгновенного предель­ ного состояния на поверхности металла. Как видно из рисунка,

.изотермы (линии, соединяющие точки с одинаковой тёмпературой), представляются замкнутыми овальными кривыми, сгущающи­ мися впереди источника. Изотер­ ма с температурой плавления очерчивает контур сварочной ван­ ны, в которой металл находится в расплавленном состоянии. Сва-. рочная ванна по сравнению с обычной металлургической имеет следующие особенности: малый

объем расплавленного металла, кратковременность нахождения металла в жидком состоянии вследствие быстрого отвода теплоты в холодные слои металла, высокую температуру сварочной дуги, значительную поверхность контакта жидкого металла с окружаю­ щей атмосферой. Последние два обстоятельства приводят к выго­ ранию полезных примесей (кремния и марганца) при сварке стали и обеднению этими примесями металла шва.

Взаимодействие жидкого металла с кислородом и азотом воз­ духа также не проходит бесследно. Железо образует с кислородом ряд окислов, из которых наиболее опасно соединение FeO, раство­ ряющееся в жидком железе. Наличие кислорода в стали снижает ее прочность и пластичность, уменьшает сопротивление коррозии, сообщает стали красноломкость. На содержание кислорода в ста­ ли влияет ряд технологических параметров: длина дуги, сила то­

сварке и т. д.

Высокая температура сварочной дуги приводит к насыщению металла шва азотом воздуха. Образуя в стали нитриды железа РегЫ и Fe4N, азот увеличивает прочность, но резко снижает плас­ тичность сварного шва. Резкое снижение прочности и в особенно­ сти пластичности сварного соединения ограничивает применение сварки незащищенной дугой.

266

Таким образом, в сварочной зоне происходят металлургиче­ ские реакции взаимодействия расплавленных металлов и окружаю­ щей среды. Сварной шов следует рассматривать как элемент, полу­ ченный в результате перемешивания расплавленного металла электрода и основного металла и кристаллизации в процессе охлаждения. Эта зона сварного соединения обладает всеми особен­ ностями литой структуры.

Рядом -со сварочной ванной металл нагревается до темпера­ тур, близких к плавлению. Максимальная температура на том или ином участке металла достигается спустя определенный промежу­ ток времени. Этой температурой, а также последующим охлажде­ нием вызываются фазовые и структурные изменения в самом ме­ талле, подлежащем сварке, без изменения химического состава,. Этот участок основного металла носит название зоны термического (теплового) влияния. Размеры ее зависят как от способа сварки и толщины, так и от химического состава свариваемого металла и составляют 1—8 мм. Несмотря на малые размеры, зона весьма неоднородна по структуре и включает следующие участки: а) пере­ грева, б) нормализации, в) неполной перекристаллизации. При сварке сталей, склонных к закалке, в зоне термического влияния появляются участки закалки, неполной закалки, отпуска.

В процессе кристаллизации шва и охлаждения зоны термиче­ ского влияния могут создаться неблагоприятные условия для по­ лучения сварного соединения, которые приводят к образованию горячих трещин.

Таким образом, для получения высокого качества сварного соединения необходимо хорошо знать сущность сварочного про­ цесса и его металлургические особенности, чтобы правильно назна­ чить режим сварки и применять специальные технологические приемы.

Классификация сварных конструкций и технология их изготов­ ления. Широкое распространение сварки привело к созданию об­ ширной номенклатуры сварных конструкций, которые можно клас­ сифицировать по различным признакам.

1. По назначению можно выделить строительные конструкции (металлоконструкции промышленных зданий, пролетные строения мостов, мачты, шлюзные ворота, затворы плотин, опоры и т. д.); технологические (конструкции доменных цехов, мартеновских пе­ чей, бункеров, газгольдеров, резервуаров, трубопроводов и т. д.); машиностроительные (конструкции мостовых, портальных кранов, надшахтных копров, железнодорожных вагонов, экскаваторов

ипр.); конструкции специального назначения.

2.По конструктивным формам различают решетчатые, сплош­ ные. плоские и пространственные конструкции.

Технологическая схема изготовления сварной конструкции включает следующие операции: подготовительные (правка метал­ ла, разметка, вырезка деталей, обработка кромок, металлообработ­ ка деталей, зачистка мест сварки); сборочные; сварку конструк­ ции; заключительные операции (контроль качества сварных соеди-

267

неиий, испытание конструкций, нанесение защитных антикоррози­ онных покрытий).

Основным техническим документом при изготовлении сварной конструкции является рабочий чертеж. Одновременно с рабочими составляют сборочные или монтажные чертежи.

На основе рабочих и сборочных чертежей выбирают способы выполнения операций, их последовательность, режим, оборудова­ ние, учитывая возможность механизации и автоматизации.

Кроме разработки технологического процесса, проводят подго­ товку производства: разрабатывают и изготовляют необходимые приспособления, выявляют обеспеченность заказа материалами и пр. Условные изображения и обозначения сварных швов и соедине­ ний на чертежах выполняются по ГОСТ 2312—68 единой системы конструкторской документации.

§ 20. Электрическая дуговая сварка

Сущность процесса. При электрической дуговой сварке мест­ ный разогрев деталей, подлежащих сварке, осуществляется сва­ рочной дугой, которая вызывается путем касания электродом сва­ риваемого металла. При коротком замыкании ток большой силы проходит через отдельные контактные выступы. Из-за высокой плотности тока выступы расплавляются, часть металла испаряется и газовый промежуток насыщается парами металла и обмазки электрода. Отрыв электрода от изделия ведет к размыканию цепи, что в свою очередь приводит к образованию искры в газовом про­ межутке и зажиганию дуги. Конец электрода разогревается под действием высокой температуры дуги и начинает плавиться. На свариваемом металле образуется ванна жидкого металла. Жидкие объемы ванны и электрода перемешиваются, кристаллизуются при остывании и образуют прочный соединительный элемент — свар­ ной шов.

Электрическая дуговая сварка является одним из важнейших технологических способов соединения деталей и занимает среди других способов сварки первое место по объему и стоимости вы­ пускаемой продукции.

Вйды дуговой электросварки. В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос впервые использовал дуговой разряд для сварки металлов. Он применил неплавящийся угольный электрод (рис. 156, а). В 1888 г. русский инженер Н. Г. Славянов разрабо­ тал способ дуговой сварки плавящимся электродом (рис. 156, б).

Воздействие дуги на металл может быть прямым (дуга прямо­ го действия) и косвенным (дуга косвенного действия). В первом случае металл включен в сварочную цепь, во втором — нет. При использойании трехфазного переменного тока можно получить комбинированное действие дуги на металл.

Сварочная дуга может быть открытой или закрытой. В откры­ той дуге сварочная ванна не имеет защиты'или имеет струю защит­

268

ного газа, вдуваемого в зону дуги. Закрытая дуга имеет место при сварке под флюсом.

В практике широко используются следующие способы дуговой сварки: а) плавящимся электродом открытой дугой; б) плавящим­ ся электродом под слоем флюса; в) плавящимся электродом в сре­ де защитного газа; г) неплавящимся электродом в среде защитно­ го газа; д) наплавка плазменной струей.

Все способы сварки могут быть выполнены вручную или иметь механизированными основные технологические движения.

Рис. 156. Электродуговая сварка:

/ — электрод; 2 — дуга; 3 — свариваемый металл; 4 — сварной шов; 5 — присадочный металл

Характеристика сварочной дуги. Электрическая дуга представ­ ляет собой длительный и мощный электрический разряд в газовом промежутке между электродом и свариваемой деталью. Так как в обычных условиях газы не являются проводниками, то для ста­ ционарного горения дуги необходимо ионизировать дуговой проме­ жуток, поскольку отличительной чертой газовой проводимости является перенос электрического заряда как ионами (положитель­ ного и отрицательного знака), так и электронами, и поддерживать необходимую степень ионизации.

Степень ионизации (отношение количества заряженных частиц в данном объеме газа к общему количеству частиц до ионизации) остается постоянной при определенных условиях горения дуги. Установлено, что степень термической ионизации зависит от тем­ пературы и свойств паров или газов, в которых горит дуга. Высо­ кую степень ионизации обеспечивают калий, натрий и кальций и их соединения при сравнительно низких температурах. Сильно иони­ зированный газовый промежуток обладает электропроводностью, которая приближается к электропроводности металлов.

В отличие от других разрядов в газах сварочная дуга харак­ теризуется низким напряжением (12—40 в), большой плотностью тока (800—3000 а!см2), высокой температурой столба дуги (6000— 8000°). На поверхностях металла, между которыми заключен столб дуги, температура обычно близка к температуре кипения металла. Мощность дуги может меняться от 0,01 до 150 кет. Высокая темпе­

269

ратура в зоне дуги ставит ее в ряд мощных тепловы^ источников, а широкий диапазон мощностей позволяет применять дугу для сварки металлов разных толщин от небольших деталей до тяже­ лых узлов и конструкций.

Из всего тепла, выделяющегося при сварке электрической ду­ гой, на нагревание и расплавление металла используется 60—70%. В специальных конструкциях дуговых горелок можно повысить плотность сварочного тока, что влечет за собой получение плазмы

сложного оборудования. Кроме того, сварка на постоянном токе сопровождается «магнитным дутьем» — отклонением дуги в сто­ рону ферромагнитных масс (ребер жесткости, перемычек и др.) под действием магнитных полей.

При применении переменного тока магнитное дутье отсутст­ вует, аппаратура для сварки отличается чрезвычайной простотой, однако горение дуги менее устойчиво. Средний расход энергии, стоимость энергии и оборудования при применении переменного тока в два раза ниже по сравнению с постоянным. Это привело к значительному распространению в промышленности переменного тока, хотя сварка угольной дугой, сварка чугуна и некоторых цвет­ ных металлов и сплавов требует только постоянного тока.

Источник питания сварочной дуги должен обладать определен­ ной мощностью для обеспечения устойчивого горения (работа при силе тока более 50 о), давать повышенное напряжение для зажи­ мания дуги, ограничивать ток короткого замыкания, обладать хо­ рошими динамическими свойствами. Вольт-амперная, или внеш­ няя, характеристика источника питания сварочной дуги в зависн-

270