Технология производства бесшовных труб

В сварочных генераторах с намагничивающей параллельной и размагничивающей

последовательной обмотками возбуждения магнитные потоки направлены навстречу друг другу (рис. 4.6, б). Поэтому и при работе этих генераторов с увеличением силы тока будет уменьшаться результирующий поток, а следовательно, будет снижаться напряжение на клеммах, т. е. внешняя характеристика их также будет падающей.

Существуют и другие способы создания падающей внешней характеристики сварочных генераторов, например, за счет взаимодействия магнитных потоков, создаваемых полюсами с различной степенью магнитного насыщения (так называемые генераторы с расщепленными полюсами), а также генераторы «поперечного поля», в которых для создания падающей внешней характеристики используется короткозамкнутая обмотка якоря.

Многопостовые сварочные генераторы обычно используют в крупных сварочных цехах со стационарными рабочими местами. Ток от многопостового генератора подводится к рабочим местам по шинам большого сечения, проложенным по цеху. На стационарных рабочих местах (сварочных постах) предусматриваются устройства, к которым подключаются балластные реостаты, обеспечивающие на рабочем месте падающие внешние характеристики при включении различных сопротивлений балластного реостата (рис. 4.7).

Для поддержания постоянства напряжения на клеммах генератора при увеличении нагрузки (жесткой внешней характеристики 1, рис. 4.7), кроме основной шунтовой обмотки ШО, предусмотрена действующая согласно с основной последовательная обмотка ПН, усиливающая магнитный поток при возрастании нагрузки (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Внешняя характеристика многопостового генератора (1) и характеристики системы питания проста для различных значений сопротивления балластного реостата (прямые 2-5): Rд2>Rд3>Rд4>Rд5; Uд-напряжение на дуге для одного из возможных режимов сварки; Rд-сопротивление балластного реостата; IД•Rд-падение напряжения в балластном реостате при сварке на этом режиме: Iк•Rд-падение напряжения в балластном реостате при коротком замыкании.

5. Влияние сварочных процессов на свариваемый металл

1. Сварочные материалы

1. Электроды для ручной дуговой сварки. Металлические электроды для сварки представляют собой пруток из специальной проволоки, называемый стержнем электрода (в подавляющем большинстве случаев из низкоуглеродистой стали), на который нанесен слой покрытия (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Метталический толстопокрытый электрод: 1-стержень, 2-покрытие

Электроды диаметром 4, 5 и 6 мм имеют стандартную длину 450 мм.

Электродное покрытие служит: а - для защиты металла сварочной ванны от воздуха; б - для раскисления и легирования наплавленного металла; в - для стабилизации горения дуги.

В соответствии с этим в состав любого электродного покрытия входят материалы, выполняющие соответствующие функции:

шлакообразующие (например марганцевая руда, гематит, гранит, мрамор, рутил и др.); флюсующие, т. е. придающие шлаку жидкотекучесть (плавиковый шпат); газообразующие (мрамор, магнезит, органические вещества); раскисляющие (ферросплавы элементов, обладающих большим сродством к кислороду); легирующие (ферросплавы различных элементов); стабилизирующие (материалы, содержащие элементы, обладающие низким потенциалом ионизации, например, мрамор, поташ, углекислый барий и др.). Некоторые материалы одновременно выполняют, несколько функций.

Например, мрамор является шлакообразующим, газообразующим и стабилизирующим материалом; ферромарганец и ферросилиций в ряде случаев служат раскислителями и легирующими.

В зависимости от материалов, определяющих шлаковую основу или газовую защиту расплавленного металла от контакта с воздухом, используются электроды с покрытиями различных видов: кислые (А), основные (Б), рутиловые (P) и целлюлозные (Ц).

В качестве примера электродов с кислым покрытием могут быть приведены электроды марки ЦМ-7: гематит 33 %; гранит 32 %, ферромарганец 30 %, крахмал 5 %.

Наиболее широко применяемые электроды основного типа (Б) марки УО НИ-13/45 имеют покрытие следующего состава, %: мрамор 53, кремнезем 9, плавиковый шпат 18, ферромарганец 2, ферросилиций 3, ферротитан 15.

При сварке электродами с рутиловыми покрытиями (Р), примером которого может быть покрытие AHO-3 состава, %: рутил 43, мусковит 7, магнезит 15, ферромарганец 13,5, гематит 4, целлюлоза 2, железный порошок 15,5

Для сварки швов, расположенных на вертикальной плоскости или выполняемых в потолочном положении, наиболее удобны электроды, которые в основном используют газовую защиту сварочной ванны от контакта с воздухом (при небольшом количестве шлака), например с целлюлозными покрытиями (Ц). Примером таких электродов могут служить электроды марки ЦЦ-1; покрытие которых имеет следующий состав, %: целлюлоза 45, рутил 25, тальк 10, ферромарганец 20.

В зависимости от степени легирования наплавленного металла можно получить различную механическую прочность его.

2. Флюсы для автоматической и полуавтоматической сварки должны обеспечивать защиту сварочной ванны от контакта с воздухом, раскисление и легирование металла сварочной ванны, необходимое формирование швов и стабилизацию горения дуги. Почти исключительное применение имеют так называемые плавленые флюсы, представляющие собой крупинки, состоящие из сплава различных оксидов и фторидов. Наибольшее распространение при сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей получили флюсы марок ОСЦ-45 и АН-348А.

В плавленых флюсах раскислителей и легирующих в чистом виде, как это имеет место в электродных покрытиях - нет. Поэтому они могут быть введены в сварочную ванну за счет кремне - и марганцевосстановительного процессов, причем восстанавливаться и переходить в металл шва эти металлы будут в том большем количестве, чем больше содержание их оксидов во флюсе (рис.5.2).

Рис. 5.2. Переход кремния (а) и магранца (б) из плавленого флюса в металл сварочной ванны (схема)

Для предотвращения пористости необходимо подавить реакции окисления углерода в остывающей части сварочной ванны. Для этого необходимо в ней иметь 0,15 - 0,25 % кремния. Так как при сварке используют низкоуглеродистую проволоку Св-08A, в которой практически полностью отсутствует кремний, то все это количество должно быть восстановлено из флюса. Как следует из рис. 5.2, а, для перехода такого количества кремния содержание кремнезема во флюсе должно составлять 35 - 45 %.

Как следует из рис. 5.2, б, для этого необходимо иметь во флюсе 35 - 45 % оксида марганца.

Таким образом, при использовании низкоуглеродистой проволоки для получения качественных швов (без пор и горячих трещин) необходимо применять только кислые (с высоким содержанием кремнезема) высокомарганцовистые плавленые флюсы.

Надо иметь ввиду, что в кремнемарганце восстановительные процессы протекают активно, если расплавленный флюс будет жидкотекучим (т. е. будет иметь малую вязкость). Для обеспечения этого во флюс вводят такие

компоненты, которые при расплавлении флюса снижали бы вязкость расплава в узком («коротком») интервале температур (рис. 5.3). Таким флюсующим материалом является плавиковый шпат, который вводится во флюсы в количестве 5 - 8 % и более.

Рис. 5.3. Схема температурной зависимости вязкости флюса: 1-длинного; 2-“короткого”.

Кроме того, «короткие» флюсы лучше формируют шов, т. е. делают его поверхность более гладкой, с плавным сопряжением со свариваемым металлом,

3. Защитные газы. Аргон газообразный чистый используется трех сортов: высшего, первого и второго. Содержание аргона соответственно 99,99, 99,98 и 99,95 % . Примеси - кислород, азот, влага. Аргон хранится и поставляется в баллонах под давлением 150 • 98,06 кПа. Цвет окраски баллону присвоен серый, надпись «Аргон чистый» зеленого цвета.

Углекислый газ поставляется в баллонах черного цвета вместимостью 40 л. В такой баллон заливается сжиженная углекислота массой 25 кг, дающая при испарении около 12,5 м3 газа.

2. Тепловое воздействие сварочного источника на свариваемый металл.

Методы расчетного определения параметров режима сварки

Под действием тепловой энергии, вводимой в изделие при сварке, металл в зоне сварного шва расплавляется, а непосредственно прилегающие к шву участки нагреваются до высоких температур и вследствие этого в зоне термического влияния происходят структурные превращения.

Рис. 5.4. Схемы распределения максимальных температур при сварке (а) и диаграммы состояния железо-углерод (б); участки:

1-неполного расплавления, 2-перегрева, 3-нормализации, 4-неполной перекристаллизации, 5-рекристаллизации, 6-синеломкости

На рис. 5.4 приведена схема диаграммы состояния железоуглерод и в том же температурном масштабе построена кривая распределения максимальных температур в околошовной зоне.

Как видно из рис. 5.4 размеры всей зоны термического влияния и отдельных ее участков зависят от характера распределения максимальных температур, до которых нагревались эти участки.

Величина коэффициента наплавки зависит от способа сварки рода тока, полярности подключения и сварочных материалов. Так, при ручной дуговой сварке электродами УОНИ-13 на постоянном токе обратной полярности эта величина составляет 7 - 8 г/(А • ч), в случае использования электродов ЦМ-7 при питании дуги переменным током - около 10 г/(А • ч). При сварке под флюсом на переменном токе на оптимальных режимах - около 15, на постоянном токе обратной полярности - около 13 г/(А • ч). При сварке в углекислом газе проволокой Св-0872С 14 :15 г/(А • ч) и т. д.

3. Деформация и напряжения, возникающие при сварке, и способы борьбы с ними

Процесс сварки всегда сопровождается неравномерным нагревом изделия. Зоны металла, прилегающие к сварному шву, в процессе сварки нагреваются до высоких температур, а затем по мере распространения тепла в массе изделия охлаждаются. В результате местного нагрева и последующего охлаждения происходят объемные изменения в металле, приводящие к возникновению временных и остаточных деформаций и напряжений.

Для понимания процесса их образования рассмотрим некоторые случаи формоизменения при нагревании и охлаждении.

а. Нагрев стержня, свободного от внешних связей (рис. 5.5,а).

Рис. 5.5. Деформации и напряжения при нагревании и охлаждении стержня: а-свободного от внешних связей; б-жестко закрепленного; в-изменения температуры и длины стержня, свободного от внешних связей при нагреве и охлаждении; г-изменение напряжений в жестко закрепленном стержне при нагреве и охлаждении

При равномерном нагреве незакрепленного стержня до температуры Т его длина l0 и диаметр d0 увеличатся на l0бТ и d0бТ, однако после охлаждения до исходной температуры размеры стержня вновь станут такими же, какими они были до нагрева, т. е. равномерный нагрев стержня, свободного от внешних связей, не вызывает изменений его формы и размеров и не сопровождается возникновением в нем внутренних напряжений.

б. Нагрев стержня, встречающего препятствие в осевом направлении расширению и укорочению (рис. 5.6, б), приведет к появлению в нем напряжений сжатия и упругих деформаций сжатия, пропорциональных бТ.

Рис.5.6. Зависимость остаточной кривизны прямоугольных полос разной ширины (h) от режима сварки: а-вид полосы с наплавкой после охлаждения, б-характер изменения кривизны в зависимости от погонной энергии сварки для h, см: 1-5; 2-10; 3-15; 4-20; 5-30; 6-40

В этих пределах температур процесс формоизменения в стержне будет обратимым. При дальнейшем повышении температуры (с момента времени t1 рис. 5.6, б) кроме упругих деформаций появятся пластические деформации, по величине равные общим тепловым (бТ) за вычетом упругих деформаций: епл.сж = бТ-ет .

С понижением температуры (с момента времени t2) в стержне будут уменьшаться напряжения сжатия вплоть до момента времени t3, когда они станут равными нулю. Дальнейшее охлаждение должно бы привести к соответствующему укорочению, так как стержень закреплен, то в нем появятся напряжения растяжения, которые в момент времени t4 достигнут величины предела текучести ут, и при дальнейшем охлаждении возникнут пластические деформации растяжения вплоть до момента времени t5, т. е. до охлаждения изделия до исходной температуры.

В результате в стержне возникнут остаточные напряжения, по величине равные пределу текучести материала.

Наибольшее практическое значение имеет определение остаточных деформаций. В большинстве случаев достаточную для практики точность обеспечивает использование инженерного метода расчета, предложенного Н. О. Окербломом. Так как величину деформации определяет ширина зоны разогрева до определенной температуры пластической деформации, то наибольшее влияние оказывает погонная энергия сварки, т. е. отношение мощности источника к скорости сварки, и сопротивляемость изгибу рассматриваемого сечения.

Согласно этой методике определение сварочных деформаций производится следующим образом. Рассчитывают погонную энергию сварки, отнесенную к толщине металла, и для данной ширины свариваемых листов по графику рис. 5.6 находят ожидаемую кривизну С, 1/см. На рис. 5.7 представлен график, характеризующий относительное укорочение от погонной энергии сварки и размеров поперечного сечения.

Из графика следует, что при достаточно больших размерах площади поперечного сечения свариваемых элементов, когда отношение qп /F ? 150, связь между деформациями и значением погонной энергии характеризуется прямолинейной зависимостью.

При этом для стальных конструкций, как это следует из графика рис. 5.7, ?ц.т = 3,5 • 10-6 qп /F.

Имея в виду, что относительная деформация продольной оси полосы, проходящей через центр тяжести сечения ?ц.т = ?лF / J , а кривизна полосы С = z?лF / J, где ?лF - сумма произведения местных относительных деформаций на площадь участка, занимаемого ими, см2; F - площадь поперечного сечения полосы, см2; J - момент инерции поперечного сечения полосы, см4; z - расстояние от оси полосы до центра тяжести площади, характеризующей местные деформации л, см; можно написать:

?лF = З,5 • 10-6 • qп. Тогда кривизна С = 3,5 • 10-6 qпz /J.

Заключение

В заключении можно отметить, что из всего вышеизложенного, при сварке всегда имеют место определенные изменения размеров и формы изделия, что следует учитывать как при проектировании, так и при изготовлении сварных конструкций. К числу мер борьбы с деформациями при сварке относятся различного рода закрепления, нагружения внешними силами, «обратный» выгиб свариваемых элементов и др.

В то же время различные меры борьбы с деформациями оказываются эффективными лишь при определенных условиях. Наиболее часто для предотвращения сварочных деформаций или уменьшения их применяют закрепления свариваемых деталей, которые вызывают появление в процессе сварки остаточных деформаций растяжения и поэтому могут понизить общие напряжения свариваемого изделия. Однако как показала практика использования этого способа, закрепления не могут заметно снизить сварочные деформации, если специальными средствами не обеспечить усиленный теплоотвод из свариваемого изделия в оснастку.

Недостаточная эффективность закреплений, как средства борьбы с деформациями, привела к применению обратных выгибов изделия перед сваркой: для получения изделия, недеформированного после сварки, оно должно перед сваркой иметь некоторую начальную кривизну противоположного знака по сравнению со знаком кривизны, вызываемой сваркой.

В некоторых случаях существенную эффективность обеспечивает ограничение зоны нагрева до температур, при которых имеет место пластическая деформация металла околошовной зоны, искусственным охлаждением металла шва и зоны термического влияния благодаря применению прижимов или ползунов из высокотеплопроводного материала (например, меди) либо, если это допустимо для свариваемого металла, душирование шва и околошовной зоны непосредственно за сварочной ванной. Интенсивный теплоотвод может существенно снизить размеры зоны, претерпевающей пластическую деформацию и тем самым уменьшить величину остаточных деформаций.

Существует также способ уменьшения деформации так называемой «раскаткой шва». В этом случае по горячему металлу шва прокатывается стальной ролик с таким усилием, чтобы он как бы «раздавал» металл шва и тем самым создавал в. нем не напряжения растяжения, а напряжения сжатия.

Положительные результаты по получению сварных конструкций заданных размеров и формы может обеспечить выбор правильной последовательности сборки и сварки изделия, таким образом, чтобы деформации, возникшие при сварке последующих швов, имели обратный знак по сравнению с теми, которые образовались от предыдущих швов (метод «уравновешивания деформаций»).

Расчетная оценка ожидаемых деформаций при различных вариантах последовательности сборки и сварки позволяет выбрать такую очередность технологических операций, при которой итоговые деформации сварных изделий будут находиться в пределах допусков на точность изготовления данной сварной конструкции.

Литература:

1. Технология металлов и материаловедение. -- Кнорозов Б. В., Усова Л, Ф., Третьяков А. В. и др. --М.: Металлургия, 1987. 800 с.

2. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением: Учеб-ник для вузов. -- 4-е изд. -- М.: Машиностроение, 1977. 447 с.

3. Акулов А. И., Бельчук Г. А., Демянцевич В. П. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебное пособие для вузов.--М.: Машиностроение, 1977. 432 с.

4. Технология металлов и сварка. Учебник для вузов. Под ред. П. И. Полухина. М., “Высш. школа”, 1977.464 с.

5. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Акад Б. Е. Патона. М., “Машиностроение”, 1974.768 с.

Размещено на Allbest.ru