Технология сборки и сварки рештака

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

сварка металл рештак

Сварка - процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или одновременно действием того и другого.

Сварка металлов старый и в то же время современный, беспрерывно совершенствующийся и развивающийся технологический процесс. Развитие сварки обусловлено тем, что она увеличивает прочность и долговечность конструкции, экономит металл, снижает стоимость и сроки работ. Сварка применяется для возведения новых конструкций, для ремонта машин и аппаратов, восстановления разрушенных сооружений и т.д. Можно продлить срок службы сработавшихся деталей и узлов, наплавив на их поверхность новый слой металла. Сварные конструкции несут свою службу при сверхвысоких и сверхнизких температурах, при давлении, во много раз превосходящем атмосферное.

Сварка плавлением начинает свою историю с изобретения русского ученого Н. Н. Бенардоса, который в 1881 г. предложил частично расплавлять и сваривать металл с помощью электрической дуги, горящей между изделием и угольным электродом. В 1888 г. русский инженер Н. Г. Славянов предложил вместо угольного электрода использовать металлический, который в процессе сварки плавится и заполняет зазор между деталями.

Параллельно развивалась газовая сварка, при которой для плавления металла использовалось пламя, образующееся при сгорании газа в смеси с кислородом. В конце девятнадцатого века этот способ сварки считался даже более перспективным, чем дуговая, т. к. не требовал мощных источников электроэнергии, а пламя одновременно с плавлением металла защищало его от окружающего воздуха. Что и позволяло получать хорошее качество сварных соединений.

Сварка плавлением используется для соединения практически всех используемых в технике металлов толщиной от долей миллиметра до сотен сантиметров, а также некоторых неметаллов (стекла, керамики, графита и др.). Широкие возможности сварки плавлением облегчают решение задач, стоящих перед инженерами-технологами. Однако разработанный технологический процесс должен не только обеспечить требуемые свойства сварных соединений, но быть экономичным и экологически приемлемым.

Целью проекта является систематизация и внедрение более эффективных способов сварки. На основе имеющейся технологии замена механизированной сварки в углекислом газе на механизированную сварку в смеси газов аргона и углекислого газа, что позволит повысить производительность труда и даст экономический эффект. В данном проекте ставится следующая задача: анализ существующей технологии изготовления рештака, учет недостатков данной технологии и внедрение наиболее эффективной технологии.

1. Общая часть

1.1 Описание сварной конструкции

Рештак А - 3480.ТАГ.002.06.01.100 входит в состав конвейера Анжера - 34. Длина конвейера до 350м, производительность до 2500 т/час. Рештачный став конвейера состоит из лито - сварных секций. В составе секции става непосредственно рештак с литыми боковинами (забойная боковина отлита с лемехом), и приваренным бортом с кронштейнами под установку реек, съемный желоб кабелеукладчика, пластины перекрытия от просыпа горной массы между желобами, рейки и фасонные соединители. Ширина по внутреннему каналу 800мм. Литые боковины рештаков имеют модернизированную форму профиля. И вследствие этого скребок не имеет на концах острых углов, что позволило поднять ресурс боковин и самого скребка. Кроме того, термообработка боковин в автоматизированной закалочной печи позволила получить равномерную заданную твердость. Что в совокупности с применением износостойких листов, толщиной 40мм и твердостью 300 - 600 Hb, для изготовления рештаков, позволило достигнуть ресурса 10 - 15 млн. тонн перемещенной горной массы.

Рисунок 1 Рештак А - 3480.ТАГ.002.06.01.100:

1 - козырек; 2 - козырек; 3 - боковина забойная; 4 - боковина завальная; 5 - днище верхнее; 6 - днище нижнее.

1.2 Материалы изделия

Козырьки изготавливают из стали 30ХГСА ГОСТ 11269 - 76 из листа толщиной 40мм по ГОСТ 19903 - 74.

30ХГСА. Назначение - различные улучшаемые детали: валы, оси зубчатые колеса, фланцы, рычаги, ответственные сварные конструкции работающие при знакопеременных нагрузках.

Таблица 1 - Химический состав, % стали 30ХГСА ГОСТ 11269 - 76

С	Si	Mn	Cr	P	S	Cu	Ni
				Не более
0,28-0,34	0.90-1.20	0.80-1.10	0.80-1.10	0,025	0,025	0,30	0,30

Таблица 2 - Механические свойства. Закалка 880⁰С, масло, отпуск 600⁰С, вода

Свариваемость - ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС, под флюсом и газовой защитой, АрДС, ЭШС. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. КТС без ограничений.

Флакеночувствительность - чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости - склонна

Литые боковины изготавливают из стали 30ГСЛ ГОСТ 977 - 88

Вид поставки - отливки ГОСТ 977 - 88. Назначение - зубчатые колеса, ролики, обоймы, зубчатые венцы, рычаги, фланцы, шкивы, сектора, колонны.

Таблица 3 - Химический состав. %(ГОСТ 977 - 88)

С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
			Не более
0,25-0,35	1,10-1,40	0,60-0,80	0,040	0,040	0,30	0,30	0,30

Таблица 4 - Механические свойства (ГОСТ 977 - 88)

Режим термообработки	сечение	?0,2	?в	?5	?	КСU. Дж/см2
		МПа	%
Нормализация 8700-8900С, Отпуск 5700-6000С	До 100	350	600	14	25	29
Закалка 9200-9500С, Отпуск 5700-6500С	До 100	400	650	14	30	49

Свариваемость - способы сварки: РДС, АДС под газовой защитой, ЭШС.

Необходимы подогрев и последующая термическая обработка.

Флакеночувствительность - не чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости - не склонна.

Днище верхнее изготавливается из листа XARDOX 400.

Таблица 5 - Химический состав, %

C	Si	Mn	p	S	Mo	Cr	B
0.13	0.45	1.4	0.025	0.010			0.002

Таблица 6 - Механические свойства

Свариваемость - обладает хорошей свариваемостью, прекрасно сваривается со всеми другими конструкционными сталями с применением любого общепринятого метода сварки. Может свариваться общей толщиной листов до 40мм без предварительного нагрева.

1.3 Оценка технологичности

1.3.1 Технологическая свариваемость металла сварного изделия

Свариваемость легированных сталей - это способность переносить сварочный термический цикл без образования в соединении участков металла с пониженными пластическими свойствами, способствующими возникновению трещин при сварке конструкций или разрушению сварных соединений в процессе эксплуатации согласно [2].

Само понятие свариваемости уже говорит о том, что свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Свариваемость не является неизменным свойством металла, подобно физическим свойствам. Наряду с технологическими характеристиками металла свариваемость металла определяется способом и режимом сварки, составом присадочного металла, сварочного флюса, электродного покрытия, защитного газа, а также конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

Различают физическую и технологическую свариваемость

Физическая свариваемость предполагает способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. Большинство металлов и сплавов обладают хорошей физической свариваемостью.

Технологическая свариваемость представляет собой технико-экономический показатель и характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации и наименьшей стоимости при изготовлении.

Технологическая свариваемость зависит как от свойств основного металла, так и от состава наплавляемого (присадочного, электродного) металла, способа и режима сварки, используемых флюсов, покрытий, защитных газов, конструкции сварного узла и условий эксплуатации изделия.

Считают, что все металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлом с хорошей и плохой свариваемостыо заключается в том, что при сварке последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, последующая термическая обработка, сварка в вакууме и т. д.).

В процессе сварки в результате нагрева и охлаждения происходят изменения структуры и свойств в участках основного металла, прилегающих к шву. Вся зона основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения происходит изменение структуры и свойств, называется зоной термического влияния. Ширина ее ограничивается участком с температурой около 100°С. В зависимости от способа сварки она может быть очень малой (до 1мм) или до 40-50мм. Строение зоны термического влияния для конструкционной стали показано на рис. 2.

Участок полного расплавления металла (металл шва) при остывании имеет крупнозернистую литую структуру, участок неполного расплавления металла является переходным от наплавленного металла к основному и называется зоной сплавления.

Участок перегрева нагревается до 1100 - 1300°С и характеризуется крупным зерном. Зона сплавления и зона крупного зерна называются околошовной зоной. В этой зоне в результате нагрева и охлаждения наиболее резко изменяются структура и свойства основного металла, определяющие свариваемость, снижается пластичность и ударная вязкость.



Рисунок 2 Строение зоны термического влияния сварного шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали

Участок нормализации нагревается выше критической точки Асз и характеризуется измельчением зерна и повышением механических свойств.

Участок неполной перекристаллизации характеризуется нагревом от точки Ас₁ до точки Асз. Структурные изменения в этом участке влияют на свойства сварных соединений меньше, чем изменения в околошовной зоне.

Если до сварки металл подвергался холодной пластической деформации, то на участках при нагреве выше 500°С может происходить рекристаллизация. При нагреве ниже 500°С возможно старение стали, что сопровождается резким снижением вязкости.

Вследствие неравномерного нагрева деталей в шве и зоне термического влияния возникают значительные растягивающие напряжения.

При кристаллизации металла шва под влиянием растягивающих напряжений могут образовываться кристаллизационные (горячие) трещины нарушающие сплошность сечения и вызывающие брак конструкции. Определение стойкости металла шва против возникновения кристаллизационных горячих трещин является первым видом испытания свариваемости. В зонах закалки металл имеет пониженную пластичность и могут образовываться околошовные холодные трещины. Испытание металла околошовной зоны, шва и сварного соединения в целом на склонность к образованию холодных трещин является вторым видом испытания свариваемости.

В результате реакций, протекающих в сварочной ванне, и применения дополнительного присадочного металла химический состав металла шва может отличаться от химического состава основного металла. Поэтому в испытания на свариваемость включают испытания механических свойств металла шва и сварного соединения.

Горячие или кристаллизационные трещины образуются главным образом в металле сварного шва в процессе его кристаллизации во время пребывания в температурном интервале кристаллизации (), когда возникающие внутренние напряжения достаточны, чтобы вызвать разрушение по границам зерен. Горячие трещины наблюдаются при сварке высоколегированных сталей, алюминиевых и медных сплавов.

Качественную оценку сопротивляемости образованию горячих трещин при сварке проводят по результатам сварки жестких образцов (технологических проб).

Количественную оценку сопротивляемости горячим трещинам проводят на специальной испытательной машине. При испытании образцов кристаллизующаяся сварочная ванна подвергается деформации растяжения. Скорость растяжения, вызывающая образование горячих трещин, называется критической и является количественной оценкой сопротивляемости металла шва образованию трещин.

Холодные трещины по границам зерен и в зерне возникают в зоне термического влияния и шве после полного затвердевания сварного шва или последующего вылеживания сварной конструкции.

На склонность к образованию холодных трещин оказывают влияние водород, попадающий из флюсов или атмосферы в металл шва; структурное состояние металла, жесткость сварной конструкции, а также инородные включения и поры в металле.

Наиболее простым способом определения склонности к образованию холодных трещин являются специальные технологические пробы.

С учетом этого основными показателями свариваемости в настоящее время приняты следующие:

- сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке;

- сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

- чувствительность к образованию пор;

- сопротивляемость образованию трещин при повторных нагревах и т.п.

В практике пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида материала и условий эксплуатации изготовленных из него сварных конструкций.

Сталь 30ХГСА обладает ограниченной свариваемостью. Это выражается в ограничении режимов сварки и тепловых условиях проведения процесса, при которых обеспечиваются требуемые свойства. Ограниченная свариваемость обусловлена повышенной прокаливаемостью этой стали и большой зависимостью механических свойств от режима термообработки.

Таблица 7 Условия сварки углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса в зависимости от их химического состава

Эквивалентное содержание углерода в стали, %	Технологический процесс, обеспечивающий отсутствие холодных трещин
Сэ ? 0,25	Сварка в обычных условиях (без подогрева)
0,25‹ Сэ ? 0,35	Сварка с низким подогревом (150-200 оС) и с последующей термообработкой (нормализация или отпуск)
0,35‹ Сэ ? 0,5	Сварка с высоким подогревом (500-600 оС), либо в некоторых случаях с сопутствующим подогревом и последующей термообработкой (нормализация или отпуск)

Наиболее опасный дефект околошовной зоны при сварке данной стали- холодные трещины. Независимо от исходного состояния свариваемой стали образование холодных трещин наблюдается в высокотемпературной области зоны аустенизации. При распаде остаточного аустенита с увеличением объема образуется хрупкая структура неотпущенного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она более хрупка, и образование трещин более вероятно. Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворенный в металле; он затормаживает распад аустенита и снижает точку мартенситного превращения стали. Кроме этого, существует опасность образования кристаллизационных трещин. Иногда могут возникать затруднения при получении сварного соединения с механическими свойствами, близкими к свойствам основного металла.

К основным мерам, препятствующим образованию холодных трещин, относятся:

- использование технологии сварки, обеспечивающей отсутствие грубой закалочной структуры литого металла шва, а также минимизацию перегрева зоны термического влияния;

- избежание дополнительных растягивающих напряжений при остывании шва за счет реакций связи закрепленного изделия;

- применение предварительного или сопутствующего подогрева;

- снижение содержания водорода в соединении (водород способствует трещинообразованию);

- термическая обработка после сварки (как правило, отпуск).

Склонность к образованию кристаллизационных трещин снижают путем уменьшения концентрации в металле шва серы, углерода, кремния и других элементов, оказывающих подобный эффект, а также за счет дополнительного легирования элементами, повышающими стойкость к образованию трещин, таких как марганец, хром, титан.

Для приближенной оценки влияния термического цикла на закаливаемость и ориентировочного определения необходимого подогрева перед сваркой используют эквивалент углерода. Если С_э<0,45%, данная сталь может свариваться без предварительного подогрева; если С_э>0,45%, необходим предварительный подогрев, тем больший, чем выше значение С_э. Полный эквивалент углерода С_э определяют по формуле:

С_э=С_х+С_р, (1)

где С_х - химический эквивалент углерода;

С_р - размерный эквивалент углерода.

С_х=С+1/9 Mn+1/9Cr+1/18Ni+1/12Mo; (2)

C_х=0,47 - 0,6

С_р=0,005S?С_х, (3)

где S - толщина свариваемой стали, мм.

Тогда полный эквивалент углерода;

С_э=С_х?(1+0,005S) (4)

С_э=0,48 - 0,61

Определив полный эквивалент углерода, необходимую температуру предварительного подогрева определим по формуле

Т_под= (5)

Т_под=167 - 210⁰С

Полученная температура предварительного подогрева должна быть проверена и откорректирована путем определения действительных скоростей охлаждения на принятых режимах и сопоставления результатов расчета с рекомендуемым для данной марки стали диапазоном допустимых скоростей охлаждения согласно [4].

Термическая обработка соединения после сварки необходима в случае требования равнопрочности соединения основному металлу в термоупрочненном состоянии. Если такое требование не выдвигается, то необходимости в последующей термообработке не возникает. Разупрочнение в зоне термического влияния для стали 30ХГСА не превышает в среднем 20% согласно [2]. При необходимости получения сварного соединения с высокими пластическими свойствами, без требования высокой прочности, широко применяется сварка высоколегированными материалами с целью получения устойчивой аустенитной структуры. Термообработка после сварки в данном случае не проводится согласно [2].

При сварке среднеуглеродистых высокопрочных сталей в защитных газах используют низкоуглеродистые легированные проволоки. Однако равнопрочности металла шва и свариваемой стали получить не удается. Обеспечить равнопрочность сварного соединения и основного металла можно за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. В этом случае работоспособность сварного соединения при данном соотношении свойств мягкой прослойки - шва и основного металла определяется относительной толщиной мягкой прослойки.

В наиболее полной степени эффект контактного упрочнения может быть реализован при применении щелевой разделки, представляющей собой стыковое соединение с относительно узким зазором.

Отсутствие шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять механизированную сварку в защитных газах короткими и средней длины участками (каскадом, горкой), сократить до минимума перерыв между наложением слоев многослойного шва. Возможно применять автоматическую двух - или многодуговую сварку дугами, горящими в различных плавильных пространствах так, чтобы тепловое воздействие от выполнения последующего слоя на околошовную зону предыдущего проходило при необходимой температуре. Все это позволяет регулировать температурный цикл и получать наиболее благоприятные структуры в околошовной зоне согласно [4].

1.3.2 Сварка металла толщиной до 40мм

Способы выполнения швов зависят от их длины и толщины свариваемого металла. Условно считают швы длиной до 250мм короткими, длиной 250мм ? 1000мм - средними, более 1000мм - длинными.

Короткие швы обычно сваривают напроход. Швы средней длины сваривают либо напроход от середины к краям, либо обратно - ступенчатым способом. Длинные швы также сваривают обратно - ступенчатым способом, либо участками вразброс.

Сущность сварки обратно - ступенчатым способом заключается в том, что весь шов разбивается на короткие участки длиной от 100 до 300мм, и сварка на каждом участке выполняется в направлении, обратном общему направлению сварки с таким расчетом, чтобы окончание каждого данного участка совпало с началом предыдущего.

Рисунок 3 Способы выполнения швов: а - от середины к краям;

б - обратно - ступенчатый; в - обратно - ступенчатый от середины к краям

Сварка обратно - ступенчатым способом применяется с целью уменьшения сварочных деформаций и напряжений. При сварке металла большой толщины шов выполняется за несколько проходов. При этом заполнение разделки может производиться слоями или валиками. При заполнении разделки слоями каждый шов выполняется за один проход. При заполнении разделки валиками в средней и верхней частях разделки каждый слой шва выполняется за два и более проходов путем наложения отдельных валиков. На практике первый способ чаще применяется при сварке угловых швов, второй - стыковых.

Рисунок 4 Способы заполнения разделки

При сварке толстого металла выполнение каждого слоя напроход является нежелательным, так как это приводит к значительным деформациям, а также может привести к образованию трещин в первых слоях. Образование трещин вызывается тем, что первый слой шва перед наложением второго успевает остыть полностью (или почти полностью). Вследствие большой разницы в сечениях наплавленного слоя и свариваемого металла все деформации, возникающие при остывании неравномерно нагретого металла, сконцентрируются в металле шва, что приведет к трещинообразованию.

Для предотвращения образования трещин заполнение разделки при сварке толстого металла следует производить с малым интервалом времени между наложением отдельных слоев. Это достигается применением каскадного метода заполнения разделки или заполнения разделки горкой. Длина каждого участка должна быть не более 300мм.

Рисунок 5 Способы наложения швов при многослойной сварке: а - напроход; б - каскадный; в - горкой

Если по окончании шва сразу оборвать дугу, то образуется незаполненный металлом кратер, который ослабляет сечение шва и может явиться началом образования трещин. Поэтому при окончании шва всегда должна производиться заварка кратера, которая осуществляется в течении короткого времени без перемещения электрода вдоль свариваемых кромок, а затем постепенное удлинение дуги до ее обрыва согласно [ 5].

При толщине металла 40мм сварку ведут с двух сторон. Зазор заполняют послойно со скоростью 25 - 30м/ч. Многослойная сварка обеспечивает раздробленную структуру металла шва с отсутствием грубых дендритов и малую протяженность зоны термического влияния.

1.3.3 Технологичность сварного изделия

Технологичность сварных конструкций - одно из главных условий ускорения научно - технического прогресса в сварочном производстве, снижение металлоемкости, трудоемкости, энергоемкости и себестоимости машин и оборудования из сварных элементов, повышение их качества и надежности.

Сварная конструкция считается технологичной, если она скомпонована из такого количества элементов, с приданием им таких размеров и форм, с применением таких марок и видов материалов, технологии, оборудования, оснастки и методов организации производства, которые при заданном объеме выпуска и полном выполнении эксплуатационных функций конструкцией, обеспечивают ее простое и экономичное изготовление.

Технологичность конструкции оцениваем в соответствии с методикой изложенной в источнике [11].

Коэффициент механизации и автоматизации сварных работ, по протяженности сварных швов.

, (6)

где - длина сварных швов выполненных механизированной сваркой;

- общая протяженность сварных швов.



Коэффициент использования металла равен отношению веса металла заготовок к весу используемого материала:

Коэффициент соотношения длины сварных швов и массы конструкции:

(7)

Коэффициент использования оборудования по току:

, (8)

Коэффициент повторяемости конструктивных элементов деталей сварной конструкции:

, (9)

где - число наименований деталей с повторяющимся конструктивным элементом; ; -общее количество наименований деталей сварной конструкции; .



Коэффициент, характеризующий соотношение между общей массой наплавленного металла и массой сварной конструкции вычисляется по формуле:

(10)

кг

2. Анализ способа сварки и сварочных материалов

2.1 Обзор способов сварки

Ручная дуговая сварка электродами с покрытием в настоящее время остаётся одним из распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Это объясняется простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положениях и в местах, труднодоступных для механизированных способов сварки. Сущность метода заключается в том, что к электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток (рис.6). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну.

В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность.

Рисунок 6 Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием: 1 - металлический стержень; 2 - покрытие электрода; 3 - газовая атмосфера дуги; 4 - сварочная ванна; 5 - затвердевший шлак; 6 - закристаллизовавшийся металл шва; 7 - основной металл; 8 - капли расплавленного электродного металла; 9 - глубина проплавления

Ввиду того, что от токоподвода в электродержателе сварочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Перед началом сварки металлический стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода температура повышается до 500…600С. Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количество расплавленного электродного металла) в начале и в конце различна. Изменяется и глубина проплавления основного металла, ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это - один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Существенный недостаток этого способа - малая производительность процесса и зависимость качества сварного шва от практических навыков сварщика.

Автоматическая сварка под флюсом нашла широкое применение в промышленности при производстве конструкций из сталей, цветных металлов и сплавов объясняется высоким качеством и более постоянными свойствами сварного соединения, более низким, чем при ручной сварке, расходом сварочных материалов и электроэнергии. Электродная проволока подаётся в зону сварки чрез флюс с помощью специального подающего механизма сварочного автомата, а также автоматизировано перемещение дуги относительно изделия со скоростью сварки. Сварочная дуга горит между голой электродной проволокой 1 и изделием, находящимся под слоем флюса 3 (рис.7). В расплавленном флюсе 5 газами и парами флюса и расплавленного металла образуется полость - газовый пузырь 4, в котором существует сварочная ванна. Кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны 7 приводит к образованию сварного шва 6. Затвердевший флюс образует шлаковую корку 8 на поверхности шва.

К недостаткам способа относится возможность сварки только в нижнем положении ввиду возможного стекания расплавленных флюса и металла при отклонении плоскости шва от горизонтали более чем на 10…15, а также невозможность визуального наблюдения за протеканием процесса образования сварного шва.

Рисунок 7 Сварка под флюсом

Сварка в защитных газах нашла широкое применение в промышленности. Этим способом можно соединять в различных пространственных положениях разнообразные металлы и сплавы толщиной от десятых долей до сотых долей миллиметра.

Сущность способа дуговой сварки в СО состоит в следующем: в зону дуги 1 через сопло 2 непрерывно подаётся защитный газ СО 3 (рис.8). Теплотой дуги расплавляется основной металл 4 и, если сварку выполняют плавящимся электродом, расплавляется и электродная проволока. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует сварочный шов. Электродная проволока диаметром 0,5-2 мм подаётся автоматически с постоянной скоростью в зону сварки. Окислительное действие СО на расплавленный металл компенсируется повышенным содержанием в электродной проволоке элементов раскислителей (Mn, Si).



Рисунок 8 Дуговая сварка в защитных газах

Истечение газов из сопел сварочных горелок имеет турбулентный характер. С наружной стороны струя газа смешивается с воздухом и только внутренняя часть её состоит из чистого защитного газа. Эффективность защиты зависит от рода защитного газа, типа сварного соединения, скорости сварки и движения окружающего воздуха.

В силу физических особенностей стабильность дуги и её технологические свойства выше при использовании постоянного тока обратной полярности. При использовании постоянного тока прямой полярности количество расплавляемого электродного металла увеличивается на 25…30%, но резко снижается стабильность дуги и повышаются потери на разбрызгивание. Применение переменного тока невозможно из-за нестабильного горения дуги.

При сварке плавящимся электродом шов образуется за счет проплавления основного металла и расплавления дополнительного - электродной проволоки.

Поэтому форма и размеры шва помимо прочего (скорости сварки, пространственного положения электрода и изделия и др.) зависят также от характера расплавления и переноса электродного металла в сварочную ванну. Характер переноса электродного металла определяется в основном материалом электрода, составом защитного газа, плотностью сварочного тока и рядом других факторов.

2.1.1 Анализ сварки в среде углекислого газа. Преимущества и недостатки

Сварка в является основным и наиболее распространенным способом сварки плавлением на машиностроительных предприятиях. Она экономична, обеспечивает достаточно высокое качество швов, особенно при сварке низкоуглеродистых сталей, позволяет выполнять швы в различных пространственных положениях. Наиболее распространена сварка полуавтоматами. Схема процесса приведена на рис.9. Защитный газ 2, выходя из сопла 1, вытесняет воздух из зоны сварки. Сварочная проволока З подается в зону дуги роликами 4, которые вращаются двигателем подающего механизма. Подвод сварочного тока к проволоке осуществляется через скользящий контакт 5.

Рисунок 9 Схема процесса сварки в защитных газах плавящимся электродом: 1-сопло сварочной горелки; 2 - подача защитного газа; 3-сварочная проволока; 4-подающие ролики; 5-скользящий токоподвод

Учитывая, что защитный газ активный и может вступать во взаимодействие с расплавленным металлом, сварка в имеет ряд особенностей.

В зоне дуги углекислый газ диссоциирует:

СО₂- СО+О

Углекислый газ и образовавшийся кислород взаимодействуют с расплавленным металлом сварочной ванны с образованием оксида железа:

Окисление сварочной ванны ухудшает механические свойства шва и в первую очередь его пластичность. Для предотвращения этого процесса в сварочную ванну вводят элементы - раскислители, хорошо взаимодействующие с кислородом. Обычно это марганец и кремний. Раскислители выводят в шлак избыток кислорода и на участках сварочной ванны, имеющих пониженную температуру, восстанавливают железо из оксидов:

Введение раскислителей в сварочную ванну обычно осуществляется через проволоку. Поэтому при сварке в СО используется сварочная проволока, легированная марганцем и кремнием.

Однако, несмотря на введение раскислителей, характеристики пластичности шва получаются несколько ниже, чем при сварке под флюсом или ручной сварке электродами с основным покрытием. Поэтому сварку в СО не рекомендуют использовать для ответственных конструкций, работающих при низких температурах в условиях переменных и ударных нагрузок.

Имеет свои особенности и перенос электродного металла при сварке в СО.

В зоне дуги происходит диссоциация углекислого газа, которая сопровождается поглощением тепла. Кроме того углекислый газ обладает достаточно высокой теплопроводностью. Эти процессы приводят к интенсивному отводу тепла от внешней поверхности дуги, в результате чего она снижается.

Анодное пятно разогревает только центральную часть капли не захватывая боковые поверхности проволоки. При сварке в СО интенсивность нагрева проволоки дугой ниже, т.к. осуществляется за счет передачи тепла через каплю. При сварке в Аг дуга разогревает непосредственно проволоку, поэтому на ее торце силы поверхностного натяжения ниже и капли отрываются при меньшем весе. Процессу же сварки в СО характерен перенос электродного металла достаточно крупными каплями.

Улучшить процесс переноса электродного металла и уменьшить размер капель при сварке в СО позволяет введение в сварочную проволоку щелочных и щелочноземельных металлов (цезия, рубидия и др.), а также использование импульсных источников питания позволяющих управлять отрывом капель расплавленного электродного металла.

Рисунок 10 Формирование капли электродного металла при сварке в СО

С процессом переноса тесно связан процесс разбрызгивания металла при сварке. Различные виды разбрызгивания показаны на рис.11. Обычно считают, что разбрызгивание металла объясняется следующими причинами. Выдуванием капли потоками газов и паров поднимающихся со сварочной ванны (рис.11, а).

Рисунок 11Основные виды разбрызгивания при сварке в СО: а -- выдувание капли потоком газов; б -- выплескивание ванны при падении капли; в -- выброс мелких капель при разрыве перемычки жидкого металла; г -- образование брызг при наличии на проволоке ржавчины; д -- выброс нерасплавившейся проволоки

При этом капля первоначально отклоняется от заданной траектории, а затем отрывается и уносится в сторону от сварочной ванны. Этот процесс происходит более интенсивно для капель крупных размеров, т.к. в этом случае увеличивается их парусность, а также время зависания капли на конце проволоки. Другой причиной разбрызгивания является падение капли в ванну жидкого металла, вследствие чего она частично выплескивается (рис.11, б). Этот процесс также более интенсивно происходит при крупнокапельном переносе. Образуются брызги и при разрыве перемычки жидкого металла, соединяющего каплю со сварочной проволокой (рис.11, в). Возможно образование брызг и при нарушениях технологического процесса сварки. Например, при наличии на проволоке ржавчины, что приводит к частым взрывам крупных капель (рис.11, г); при неправильном соотношении между параметрами режима сварки, когда проволока выбрасывается из зоны сварки нерасплавившимися частями (рис.11, д).

Аналогичные выбросы возможны и вначале сварки при плохих динамических характеристиках источника питания дуги. На рис.12 приведена зависимость потерь на разбрызгивание от силы сварочного тока для различных диаметров сварочной проволоки. Для каждого диаметра проволоки существует область токов, при которых разбрызгивание максимально. Эта область соответствует крупнокапельному переносу. При малых токах, когда перенос происходит короткими замыканиями, разбрызгивание ниже. Ниже разбрызгивание и при больших токах, для которых характерен меньший размер капель.

Рисунок 12 Зависимость потерь на разбрызгивание от силы сварочного тока (обратная полярность) при различных диаметрах проволоки (проволока СвО8Г2С)

Повышенное разбрызгивание является недостатком сварки в СО, т.к. требует дополнительных затрат на зачистку от брызг свариваемого металла и сопла горелки полуавтомата. Причем брызги при сварке в СО сильнее привариваются к металлу, чем при сварке покрытыми электродами, т.к. практически не покрыты шлаковой пленкой.

Одним из способов снижения разбрызгивания и уменьшения приваривания брызг к основному металлу является добавка к углекислому газу (20-30%) кислорода. Кислород уменьшает силу поверхностного натяжения жидкого металла, которая удерживает каплю на конце проволоки. Это приводит к лучшему отрыву капель и переходу к более мелкокапельному переносу. Улучшается формирование шва. Несколько увеличивается производительность сварки вследствие выделения дополнительного тепла при окислительных реакциях. Окисленные капли хуже привариваются при падении на свариваемый металл.

Однако сварка в смеси СО + О имеет и существенные недостатки, связанные с ухудшением механических свойств вследствие повышенного выгорания Мn и Si повышенного окисления сварочной ванны. Несколько уменьшить отрицательное влияние кислорода на механические свойства позволяет сварка с повышенным вылетом электродной проволоки. Это уменьшает температуру капель и окисление расплавленного металла. Кроме того, для сварки рекомендуется использовать проволоку, дополнительно легированную цирконием -- Св-О8Г2СЦ.

2.1.2 Анализ сварки в смеси газов на основе аргона

Сварка в СО имеет ряд существенных недостатков:

- повышенное разбрызгивание расплавленного металла, обусловливающее большие потери электродного металла и необходимость зачистки сварного изделия;

- недостаточное сопротивление хрупкому разрушению, особенно при низких температурах.

Снизить потери электродного металла возможно путем создания источников питания инверторного типа, применения активированных сварочных проволок с дополнительным легированием редкоземельными элементами, а также использования в качестве защитной среды смеси газов на основе аргона. Разбрызгивание электродного металла можно устранить, если добиться струйного переноса электродных капель. При сварке в углекислом газе это возможно только при значительных плотностях тока, что затрудняет проведение сварочных работ и не обеспечивает надежного управления процессом. Более благоприятные условия плавления электродной проволоки обеспечиваются при замене чистого углекислого газа на смеси, содержащие аргон и кислород. В этом случае переход к струйному переносу происходит при меньших значениях плотности тока.

Применение смеси газов Ar + СО₂ в качестве защитной среды значительно снижает потери металла на разбрызгивание. При этом улучшается внешний вид шва. Процесс сварки в смеси Аг + СО более стабилен, чем в чистых газах, перенос электродного металла более мелкокапельный, разбрызгивание минимальное. Процесс расплавления сварочной проволоки в смеси Аг + СО близок к сварке в Аг и происходит с охватыванием дугой боковых поверхностей проволоки, конец проволоки хорошо прогревается, что способствует отрыву более мелких капель по сравнению со сваркой в СО. Наличие в смеси углекислого газа повышает давление в дуге, что не позволяет капле расти до больших размеров, как происходит при сварке в Аг на докритических токах. Поэтому разбрызгивание меньше, чем при сварке в СО и при сварке в Аг. Зависимости разбрызгивания электродного металла на сопло горелки и на свариваемое изделие показаны на рис.13. В диапазоне оптимальных токов применение смеси Аг + СО позволяет уменьшить разбрызгивание в 4-8 раз согласно [6].

Рисунок 13 Зависимость разбрызгивания электродного металла на сопло горелки от силы тока



Рисунок 14 Зависимость разбрызгивания электродного металла на свариваемое изделие от силы тока

По сравнению с чистым аргоном наличие окислительной среды тормозит образование пор путем уменьшения растворимости водорода в металле сварочной ванны. Кроме того, реакция окисления углерода при высоких температурах приводит к интенсивному выделению из расплавленного металла СО, поэтому в результате «кипения» сварочной ванны из нее лучше удаляются азот и водород. Добавка углекислого газа к аргону способствует также заметному улучшению формы швов. Уже при наличии в смеси всего лишь 5% СО₂ из - за снижения поверхностного натяжения жидкого металла сварочной ванны значительно уменьшается высота усиления и увеличивается ширина швов. Устраняется характерное для сварки в аргоне блуждание дуги, вызывающее образование дефектов в швах. При дальнейшем повышении содержания углекислого газа в смеси наблюдаемая при сварке в аргоне неблагоприятная ножевая форма провара меняется на линзообразную с одновременным увеличением площади проплавления согласно [8].

Активно воздействовать на процессы плавления и переноса электродного металла при сварке в окислительных аргоновых смесях позволяет импульсно - дуговая сварка (ИДС). Используя ИДС, получают мелкокапельный перенос металла практически без разбрызгивания при средних значениях сварочного тока ниже критического.



Рисунок 15 Образование и перенос капель электродного металла при сварке на токе 250А проволокой Св - 08Г2С o2мм в смеси газов: а - 95% Ar+5%CO₂; б - 75%Ar+25%CO₂; в - 60%Ar+40%CO₂ (без импульсов); г - 75%Ar+25%CO₂ (с наложением импульсов)

Оптимальный процесс импульсной сварки характеризуется тем, что за каждый период пауза - импульс происходит формирование, отделение и перенос одной капли электродного металла. Для этого необходимо при данном режиме сварки подобрать оптимальную длительность импульсного тока при одной и той же его амплитуде. При несоблюдении этого условия во время действия импульсного тока может происходить отделение нескольких капель, или отрыв капли не состоится. Как одно, так и другое ведет к повышенному разбрызгиванию металла.

Возможность управления процессом формирования шва в значительной мере зависит от характера переноса электродного металла. Например, сварке стационарной дугой свойственны резкие колебания параметров процесса вследствие образования крупных капель и нерегулярных замыканий дугового промежутка. В момент короткого замыкания происходит увеличение тока, заканчивающееся взрывообразным разрушением перемычки и волнообразными движениями поверхности ванны, что приводит к образованию неровной грубочешуйчатой поверхности шва. При ИДС мелкокапельный перенос электродного металла практически не сопровождается динамическими возмущающими воздействиями на поверхность сварочной ванны. Это обеспечивает формирование гладкой поверхности швов при малых токах. По внешнему виду такие швы напоминают швы с мелкочешуйчатой поверхностью, получаемые при сварке под флюсом согласно [7].

По сравнению со сваркой в СО сварка в смеси Аг + СО позволяет улучшить показатели пластичности сварного шва. Испытания свидетельствуют, что показатели прочности при изменении состава защитной среды практически не меняются, а показатели пластичности (угол загиба) при сварке в смеси Аг + СО в 1,8 раза выше, чем при сварке в СО. Существенно растет и ударная вязкость металла шва, изменения которой в зависимости от температуры показаны на рис.16. Из графиков видно, что при температуре Т = 233 К (-40 °С) ударная вязкость швов, сваренных в смеси Аг + СО, в два раза выше, чем при сварке в СО. Это показывает особую целесообразность применения смеси Аг + СО для сварки конструкций, эксплуатирующихся при отрицательных температурах в условиях переменных и ударных нагрузок.

Рисунок 16 Зависимость ударной вязкости металла шва от температуры для сварки в СО (1) и Аг + СО (2)

Швы при сварке в смесях 75% Ar + 25% СО₂ отличаются высокой стойкостью против трещин, пор и других дефектов. Микроструктура металла шва при ИДС более мелкозернистая, чем при сварке стационарной дугой. Это объясняется воздействием капель и пульсирующего давления дуги на сварочную ванну. Добавка углекислого газа к аргону заметно уменьшает интенсивность излучения дуги и тем самым улучшает условия труда сварщиков согласно [8].

Рисунок 17 Зависимость показателей пределов прочности и текучести от погонной энергии при обычном и импульсном процессах сварки:

Рис.

Рисунок 18 Зависимость показателей ударной вязкости от погонной энергии при обычном и импульсном процессах сварки



Рис.

Рисунок 19 Зависимость содержания марганца, кремния и соотношения марганца к сере (k) в металле шва от погонной энергии при обычном и импульсном процессах сварки:

Рис.

Рисунок 20 Зависимость уровня разбрызгивания электродного металла от силы тока при сварке в смеси Ar+25%CO₂ проволокой диаметром 1,6мм: 1 - импульсно-дуговая сварка; 2 - сварка стационарной дугой

Несмотря на то что смесь Аг + СО дороже чистого СО, при выборе рациональной схемы снабжения предприятия смесью и с учетом затрат на зачистку металла от брызг, сварка в смеси Аг + СО в ряде случаев оказывается дешевле сварки в чистом углекислом газе. Благодаря практически полному отсутствию разбрызгивания металла значительно снижается также трудоемкость зачистки изделий после сварки.

2.1.3 Анализ сварки в смеси углекислого газа и кислорода

Основной причиной пористости при сварке сталей является выделение растворенных в жидком металле водорода, азота и окиси углерода. Для борьбы с пористостью необходимо принимать меры по предотвращению попадания указанных выше газов в металл шва, а также использовать реакции, связывающие эти газы в химические соединения. Это достигается за счет обеспечения надежной защиты зоны сварки от проникновения воздуха (предотвращения попадания кислорода и азота), тщательной очистки основного и присадочного металла от ржавчины (предотвращение попадания окислов и влаги), тщательной просушки сварочных материалов (защитных газов, флюсов, электродов). При нагреве металла в процессе сварки влага разлагается, выделяя водород, который поглощается сварочной ванной. При охлаждении, вследствие резкого уменьшения растворимости, водород выделяется и застревает в виде пузырьков (пор) в закристаллизовавшемся металле шва согласно [3].

Рисунок 21 Связь между концентрацией водорода и кислорода в металле шва

Химические меры предусматривают применение защитных газов с добавками кислорода. Практика показывает, что в этом случае процесс сварки мало чувствителен к наличию влаги в зоне сварки.

Это объясняется тем, что кислород предотвращает растворение водорода в металле (рис. 21), соединяясь с водородом в устойчивый гидроксил - ион ОН-. Данный ион смешиваясь с металлом и реагируя с ним по следующей формуле:

OH- + Fe²⁺ FeOH⁺

в результате данной реакции образует нерастворимое соединение, которое всплывает на поверхность сварочной ванны согласно [9].

Но большое количество кислорода в шве может привести к обратным результатам - не ликвидировать пористость, а наоборот - увеличить ее. Данный процесс происходит из - за того, что после соединения со всеми молекулами водорода, над поверхностью шва появляется избыточное количество кислорода, который начинает реагировать с углеродом, содержащимся в металле и рядом элементов, входящих в состав металла (SiО₂, МnО, АlО₃ и др.).

При взаимодействии с углеродом образуется нерастворимая в металле окись углерода СО по следующей схеме:

1/2О₂+ Fе > (FеО) + [FеО]

[FеО]+[C] > СО + Fе

СО₂ + [С] > 2СО

(элементы и соединения в квадратных скобках растворены в металле).

Образующаяся при этом нерастворимая в металле окись углерода выделяется из жидкого металла в виде газовых пузырьков. Для подавления этой реакции применяют проволоку с повышенной концентрацией элементов - раскислителей (Si, Mn, Ti, Al и др). Данные элементы связывают кислород в нерастворимые в металле окислы, которые всплывают в виде шлака на поверхность сварочной ванны согласно [3]:

Si+2FeO > SiO₂+2Fe

Мn+ FеО > МnО + Fе.

Кислород также влияет на характер переноса электродного металла. Добавление 8...12% О₂ к СО₂ уменьшает силу поверхностного натяжения жидкого металла, которая удерживает каплю на конце проволоки. Это приводит к лучшему отрыву капель и переходу к более мелкокапельному переносу и снижению разбрызгивания. Улучшается формирование шва. Несколько увеличивается производительность сварки вследствие выделения дополнительного тепла при окислительных реакциях. Уменьшается высота усиления и чешуйчатость шва.

По сравнению со сваркой в углекислом газе сварка с добавлением до 30% кислорода дает следующие преимущества:

- окисленные капли хуже привариваются при падении на свариваемый металл и легче отделяются;

- формирование шва улучшается (он гладкий, менее выпуклый);

? форма провара практически такая же, как и при сварке в углекислом газе;

?образующаяся шлаковая корка небольшой толщины, после удаления, которой шов имеет серебристый цвет;

- при сварке металла с ржавчиной склонность его к образованию пор меньше, чем при сварке в углекислом газе;

- смесь СО₂ + О₂ дешевле углекислого газа. Расход ее меньше, чем при сварке в СО₂.

Таблица 8 - Содержание газов в швах при сварке в смеси СО₂+О₂ и в СО₂

Защитная среда	Содержание газов в швах
	О,%	N,%	Н, мл/ 100 г
СО2+О2	0,045	0,0123	1,07
СО2	0,05	0,0147	1,83

Таблица 9 - Механические свойства металла швов выполненных в смеси СО₂+О₂ и в углекислом газе

Защитная среда	т, Н/мм2	в, Н/мм2	5, %	, %
СО2+О2	364	230,7	250,16	66
СО2	390,4	228,2	266,8	66

Как видно, при сварке электродной проволокой Св-08Г2С в смеси углекислого газа и кислорода (до 30 % О₂) формирование шва улучшается, склонность к образованию пор уменьшается, а механические свойства металла шва близки по значению к сварке в СО₂.

Но сварные швы выполняемые в смеси СО₂ + О₂ имеют механические свойства более близкие к основному металлу, чем при сварки в СО₂, следствием этого является равнопрочность металла шва и основного металла согласно [3].

Однако сварка в смеси СО₂ + O₂ имеет и существенные недостатки, связанные с ухудшением механических свойств вследствие повышенного выгорания Мn и Si и повышенного окисления сварочной ванны. Несколько уменьшить отрицательное влияние кислорода на механические свойства позволяет сварка с повышенным вылетом электродной проволоки. Это уменьшает температуру капель и окисление расплавленного металла.

Кроме того, для сварки рекомендуется использовать проволоку, дополнительно легированную цирконием -- Св-08Г2СЦ по ТУ 14-287-19-78. Проволока Св-08Г2СЦ при увеличенном вылете обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и слабую привариваемость брызг, но данная проволока имеет более высокую цену чем проволока Св-08Г2С, хотя имеет лишь незначительные отличия.