Технологический процесс и особенности сварки

Сварка является одним из ведущих технологических процессов как в области машиностроения, так и в строительной индустрии.

Способ получения неразъемных соединений деталей путем сварки и пайки стал известен людям в глубокой древности. История не сохранила нам имен первых сварщиков. Об их искусстве мы можем судить лишь по раскопкам археологов и гипотезам ученых. В египетских пирамидах были найдены золотые изделия, которые имели паяные оловом соединения, а при раскопках Помпеи обнаружены свинцовые водопроводные трубы с продольным паяным швом.

Мысль о возможности практического применения «электрических искр» для плавления металлов впервые высказал в 1753 году академик Российской Академии Наук Г.Р. Рихман при исследовании атмосферного электричества.

Но быстрое развитие сварки началось только в конце XIX в.

В 1802 году профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В.В. Петров открыл явление электрической дуги и указал возможные области её применения.

В 1882 году Н.Н. Бернардос предложил способ электрической дуговой сварки угольным электродом, а в 1888 году Н.Г. Славянов - металлическим электродом. Они же и изобрели и ряд других процессов и вариантов сварки, в частности предложили устройство для механизированной подачи сварочной проволоки в электрическую дугу, использовали дроблёное стекло в качестве флюса для защиты сварочной ванны от воздействия воздуха и других факторов.

Широкое развитие сварки и её использование в промышленности началось в 30-е годы 20-го столетия. В Советском Союзе впервые в мире были изобретены многие новые виды и высокопроизводительные способы сварки: подводная; в космосе; электрошлаковая;

в среде углекислого газа; диффузорная; сварка трением; сварка живых биологических тканей и др.

Выдающийся вклад в разработку теоретических основ сварки и её промышленное использование внесли учёные В.П. Вологодин, В.П. Никитин, К.К. Хренов, Е.О. Патон, Б.Е. Патон и др.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

В последние годы ученые-сварщики Беларуси работают над созданием ресурсосберегающих технологий, которые позволяют снизить потребление электроэнергии, уменьшить расход материалов, рационально использовать труд сварщиков при изготовлении различных конструкций, машин и изделий.

При производстве сварных изделий важную роль имеет контроль качества сварочных соединений. Для контроля качества сварки применяют различные разрушающие и неразрушающие испытания.

Методы неразрушающего контроля позволяют выявить дефекты без повреждения объектов контроля.

Повышение производительности труда в области сварочного производства достигается механизацией и автоматизацией самих процессов, т.е. переходом от ручного труда сварщика к механизированному, комплексной механизацией, включающей механизацию подготовительных, сварочных, сборочных, отдельных вспомогательных и контрольных операций.

Выбор, краткое описание и подготовка оборудования рабочего места сварщика, спецодежда

Сварочный пост - рабочее место сварщика, укомплектованное оборудованием для выполнения сварочных работ: источником питания; электрододержателем; защитным щитком; приспособлениями для сборки и сварки; вспомогательными инструментами.

Сварочные посты могут быть стационарными и передвижными.

Стационарные посты располагают в цехе, преимущественно в отдельных сварочных кабинах, в которых сваривают изделия небольших размеров. Стенки кабин могут быть изготовлены из тонкого металла, фанеры, брезента, пропитанных огнестойким раствором. Пол кабины должен быть выложен из огнестойкого материала. Стены выкрашены в светло-серый цвет, поглощающий ультрафиолетовое излучение. Освещенность кабины - не менее 80 люкс. Кабину оборудуют местной вентиляцией с воздухообменом 40 м3/ч. детали сваривают на рабочем столе высотой 0,5 - 0,7 м. Если выполняются однотипные работы, то стол заменяют манипулятором или другим приспособлением, на котором изделие собирают и сваривают в удобном для сварщика положении.

В зависимости от свариваемых материалов и применяемых электродов для ручной дуговой сварки применяют источники переменного или постоянного тока с крутопадающей характеристикой. В кабине устанавливают рубильник или магнитный пускатель для включения источника сварочного тока.

Передвижные посты, как правило, применяют при монтаже крупногабаритных изделий (трубопроводов, металлоконструкций и т. д.) и ремонтных работах. При этом часто используют переносные источники питания. Для защиты рабочих от излучения дуги ставят щиты. Для защиты от осадков используют навесы, а на монтаже - передвижные машинные залы.

К инструментам и принадлежностям электросварщика относятся электрододержатель, щиток или маска, специальный молоток с зубилом, стальная щётка, металлические клейма для маркировки сварных швов и ящик или сумка для хранения и переноски электродов и инструмента.

Электрододержатель - один из основных инструментов электросварщика, от которого во многом зависят производительность и безопасные условия труда. Электрододержатель должен удовлетворять следующим требованиям: быть лёгким (не более 0,5 кг) и удобным в обращении; иметь надёжную изоляцию; не нагреваться при работе и обеспечивать наиболее полное расплавление электрода; обеспечивать быстрое и надёжное закрепление электрода в удобном для сварки положении; его зажимное устройство должно действовать без больших усилий как при закрепление электрода, так и при его смене; присоединение сварочного провода к стержню держателя должно быть прочным и обеспечивать надёжный контакт. Для ручной дуговой сварки существует несколько типов электрододержателей. В некоторых из них для безопасной работы сварщика предусмотрено либо ручное, либо автоматическое отключение тока в момент прекращения процесса сварки. Один из таких электрододержателей показан на рисунке 8.

При ввинчивании стержня 9 в трубку до соприкосновения его с контактом, электрическая цепь от провода до цилиндрического контакта 4 замыкается. При одном-двух поворотах цилиндрической рукоятки стержень 6 вывинчивается из трубки 3 и образует зазор между ним и контактом 10, в результате чего электрическая цепь размыкается.

Щитки и маски (рис.2) применяются для предохранения глаз и кожи лица сварщика от вредного влияния ультрафиолетовых лучей и брызг расплавленного металла. Их изготовляют из лёгкого токонепроводящего материала (фибра, спецфанера). Масса щитка или маски не должна превышать 0,6 кг. За процессом сварки наблюдают через специальные стёкла. Тёмные стёкла - светофильтры марки Э-1 применяют при величине тока до 70А, Э-2 - при величине тока до 200А, Э-3 - при величине тока 400А и Э-4 - при величине тока больше 400А. Для предохранения от брызг металла светофильтры марки ТС-3 закрывают прозрачным стеклом. Для работы в монтажных условиях лучше применять каску-маску, которая также надёжно защищает голову и удобна в эксплуатации как в летнее, так и зимнее время.

Рис. 2. Маска сварщика

Сварочные провода. Ток от силовой сети подводится к сварочным аппаратам по проводам марки КРПТ. От сварочных аппаратов к рабочим местам сварочный ток поступает по гибкому проводу марки ПРГ, АПР, или ПРГД с резиновой изоляцией. К электрододержателю должен быть подключен гибкий медный провод марки ПРГД длиной не менее 3 м.

Для соединения сварочных проводов применяют специальные муфты (рис.10). Сечение сварочного кабеля, присоединяющего источник питания к электрододержателю, подбирают в зависимости от наибольшей величины сварочного тока: при токе до 240А - 25 мм²; до 300А - 35 мм², до 400А - 50 мм², до 500А - 70 мм². Гибкий (медный) кабель используют на напряжение до 220 В. В случае использования негибкого кабеля конец его, подсоединяемый к электрододержателю, длиной не менее 1,5-3м должен быть обязательно гибким. Общая длина сварочного кабеля должна быть не более 30-40м, так как при более длинном кабеле ухудшается процесс сварки из-за падения напряжения в сварочной цепи.

Рис. 3. Соединитель МС-2 сварочного провода:

1-резиновая изоляция; 2- гайка; 3,4 - вставки; 5- конус

Для подсоединения сварочного кабеля к источнику питания используют специальный концевой соединитель заводского изготовления или приваренную к кабелю клемму. Сращивание коротких кусков кабеля осуществляют соединителями заводского изготовления (рис.10) МС-2, предназначенными для соединения кабелей сечением 35, 50 и 70 мм²

Вспомогательный инструмент - в процессе работы сварщик пользуется инструментами для зачистки кромок от ржавчины и других загрязнений, а также для вырубки дефектов и зачистки швов от шлака. Для этого применяют металлическую проволочную щётку, зубило, молоток, комбинированное зубило с рукояткой, имеющее один заострённый конец, а другой конец в виде обычного зубила. Такая форма зубила удобна для очистки от шлака отдельных слоёв многослойного шва. Иногда применяют комбинированное зубило-щётку, но оно менее удобно, так как не имеет заострённого конца. У сварщика должно быть личное клеймо для клеймения выполненных швов.

Для измерения разделки кромок, зазора между стыками и сварных швов используют набор шаблонов ШС-2. Шаблоны позволяют контролировать угол скоса кромок, размер притупления, качество сборки под сварку, размер деплонации (превышение одной кромки над другой) стыковых швов и величину зазора в стыковых и тавровых соединениях. В готовых сварных швах могут быть проверены высота выпуклости стыкового и углового шва, ширина шва, величина катета углового шва.

Для работы сварщику необходимо иметь набор инструментов, включающий инструмент для зачистки (проволочную щётку, зубило, молоток), разводной ключ, шаблоны и д.р. Имеются наборы инструмента ЭНИ-300, КИ-315 и КИ-500, куда входят кроме перечисленного инструмента электрододержатель, приспособления для соединения кусков сварочного кабеля и для заземления, пассатижи и другие инструменты и приспособления. Весь этот комплект размещён в инструментальном ящике с ручкой и переносится по мере необходимости с одного поста на другой. Такой комплект каждому сварщику желательно иметь, однако есть инструменты, без которых сварщик вообще не должен работать: стальная проволочная щётка, зубило, молоток, зубило с рукояткой, имеющие один заострённый конец и другой, заточенный как зубило, пассатижи.

Спецодежда электросварщика. Спецодежда (куртка и брюки или комбинезон, а также рукавицы) изготовляются из плотного брезента, сукна, асбестовой ткани и других материалов. Спецодежда выдаётся бесплатно в соответствии с нормами и сроками носки. Брюки носят навыпуск, а куртку - не заправляют в брюки. Чтобы избежать попадания расплавленного металла, карманы куртки должны закрываться клапанами, куртка должна застёгиваться на все пуговицы. В резиновой спецодежде, обуви и перчатках, за исключением особенно сложных условий, работать нельзя, так как брызги металла прожигают резину. Головной убор должен быть без козырька, а обувь - на резиновой подошве. В холодное время года разрешается надевать валенки.

Подготовка металла (деталей) к сварке

Металл, идущий на изготовление сварных конструкций, предварительно очищают и выправляют.

Очистка должна производиться до сборки узла. В месте сварки кромки тщательно очищают от ржавчины, масла, влаги, окалины, загрязнений, наличие которых приводит к образованию пор и других дефектов. Особенно следует обратить внимание на зачистку в зазоре между кромками. Если в зазор уже собранного узла попали загрязнения, его следует тщательно продуть сжатым воздухом или прожечь пламенем горелки.

Очистка производится ручными и механическими проволочными щетками, иглофрезами, гидропескоструйным и дробеметным способами, пламенем многофакельной горелки, абразивными кругами, травлением в растворах кислот и щелочей, промывкой растворителями.

В крупных цехах для очистки стальных листов после их правки применяют поточный струйный метод последовательной обработки листов 15%-ным раствором ингибированной соляной кислоты при 40-45°С, промывку водой и нейтрализацию 3-5%-ным раствором кальцинированной соды, промывку и обработку 10%-ным пассивирующим раствором специального состава. Скорость перемещения листа в потоке - 0,5 м/сек.

Перед сваркой кромки деталей, если это предусмотрено чертежами, подвергают обрезке, скосу и очистке.

Для обеспечения качественного провара и формирования сварного шва выполняют подготовку кромок под сварку (рис. 4, а). Элементами геометрической формы подготовки кромок под сварку являются: угол разделки кромок б, угол скоса одной кромки в, зазор между стыкуемыми кромками е и притупление с. Существующие способы ручной дуговой сварки позволяют сваривать без разделки кромок металл ограниченной толщины -- до 6 мм. Поэтому при сварке металла большой толщины необходимо разделывать кромки для доступа сварочной дуги вглубь соединения и полного проплавления кромок на всю толщину.

Стандартный угол разделки кромок в зависимости от способа сварки и типа соединения изменяется от (45 ± 2) до (12 ± 2)°. От типа и величины разделки кромок зависят количество дополнительного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. Так, например, Х-образная разделка кромок по сравнению с V-образной позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6--1,7 раза.

Притупление с обычно составляет (2 ± 1) мм. Его назначение -- обеспечить правильное формирование шва предотвратить прожоги в корне шва.

Зазор е обычно равен 1--2 мм. Наличие зазора необходимо для провара корня шва.

Элементами геометрической формы стыкового шва являются ширина шва b, глубина провара h, выпуклость (вогнутость) шва q (рис. 4, б). Элементом формы углового шва является катет К.

Рис. 4 . Стыковое сварное соединение: а -- подготовка под сварку; б -- элементы сварного соединения;

Скос кромок выполняется в соответствии с типом сварного соединения. Для получения ровной и чистой поверхности кромок их иногда обрабатывают на кромкострогальных и торцефрезерных станках, длина обработки на которых может достигать нескольких метров.

Механической обработкой кромок на станках удаляют зону наклепа металла, образовавшуюся при обрезке кромок ножницами, зону термического влияния резки некоторых легированных сталей, повышают точность заготовок и устраняют деформации после кислородной резки, а также придают чашеобразную форму кромкам толстого металла (свыше 30 мм).

На кромках не должно быть зарезов глубиной более 1,5 мм.

Для сварки листов толщиной 8 мм применяю V-образную разделку кромок, угол разделки одной кромки 45°, притупление - 2 мм.

Сборка деталей под сварку

Таблица 2. Исходные данные

Тип и марка электрода выбираются в зависимости от марки и механических свойств ( _в , _т , KCV, ) свариваемого металла, назначения и условий работы конструкции (табл.3).

Таблица 3. Типы и марки электродов в зависимости от марки и механических свойств свариваемого металла

Для выбора режима сварки стыкового соединения листов принимаем марку низкоуглеродистой стали Ст3пс и электроды типа Э42 марки АНО-6.

1) Диаметр электрода: dэ =S/2+1=5 (мм)

Принимаем dэ = 5мм для выполнения основной сварки, и 3мм для подварочного шва.

2) Сила сварного тока: Iсв =k· dэ =50·5=250 (А), где k =50 А/мм.

Для электрода dэ=3мм - 150А

3) Длина сварной дуги: Lдуги=0,5·(dэ +2)= 0,5·(5+2)= 3,5 (мм).

4) Напряжение сварки: Uсв =Uак + Lдуги·Uд=12+3·2=18 (В), где:

Uак =10-12 В; Uд =2-3 В; Lдуги = (0,5 - 1,1)dэ

5) Выбираем марку проволоки исходя из механического состава основного металла Св_08.

6) Масса наплавляемого металла:

Qн =Vн·с;

где Vн - объём наплавляемого металла, с - плотность металла.

Для начала вычислим площадь сечения: F=l·S/2=12·8/2=48 (ммІ) = 0,48 (смІ)

Вычислим объём наплавляемого металла Vн = F·lшва = 0,48 ·30=14,4(смі), тогда

Qн =Vн·с=14,4 ·7,85=113,04(г.)?0,11 (кг.), где с=7,85 г./ смі

7) Нормирование расхода электродов при ручной дуговой сварке.

Qэ = Кэ · Qн =1,4·113,04 = 158,26 (г.)?0,16 (кг)

8) Определим время горения дуги:

t0=Qн/Iсв·бн=158,26 /250·9=0,07 (час), где бн - коэффициент наплавки (г. /А· час).

9) Определим скорость сварки:

н= lшва /t0=0,3/0,07= 4,3 (м/ час)

10) Выберем светофильтр для сварочного тока 250А. Для нас подходит светофильтр марки С_7.

11) Выберем сварочный трансформатор ТДМ_180 У2 (I=180A, Uсв = 15B) пределы регулирования Iсв от 50А до 450А.

Техника сварки. Схемы выполняемых движений электрода