Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ПУТЕЙ
СООБЩЕНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К КУРСОВОЙ РАБОТЕ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
НА ВАГОНОРЕМОНТНОМ ПРЕДПРИЯТИИ»
для студентов специальности 150800
ИРКУТСК 2003
УДК 621.791.03(085)
Предназначены для студентов, изучающих дисциплину «Технология сварочного производства на вагоноремонтном предприятии».
В работе изложены принципы выбора сварочных и наплавочных материалов и расчёта основных технологических параметров процесса.
Ил. 8. Табл. 16. Билиогр.: 2. назв.
Составитель - Н.О. Тютрин, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство»
Рецензент - В.И. Семков, заместитель начальника службы
вагонного хозяйства управления ВСЖД по ремонту
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ 3
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
СВАРКИ ИЛИ НАПЛАВКИ 24
2.4. Определение основных параметров процесса наплавки 47
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 48
2
1. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ
1.1. Общие принципы выбора сварочных материалов
При дуговой сварке металл сварного шва получается в результате кристаллизации сварочной ванны, образовавшейся при расплавлении кромок свариваемых элементов и дополнительного присадочного металла.
Присадочный металл и другие вещества, используемые при дуговой сварке с целью получить неразъемное соединение с заданными свойствами, принято называть сварочными материалами. К сварочным материалам относят сварочную проволоку, электроды, флюсы, защитные газы.
Указанные материалы должны обеспечить требуемые размеры и свойства сварного шва, хорошие технологические и санитарно-гигиенические условия, высокую производительность процесса сварки. Удовлетворение этих требований является основой для выбора сварочных материалов.
Диаметр электрода и проволоки выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и размера шва. Однако следует учитывать, что, чем больше диаметр сварочной проволоки и электрода, тем выше производительность.
Марка проволоки, флюса и электрода выбирается в зави- симости от свойств сварного шва и технологических особенностей его выполнения, к которым относятся, например, пространственное расположение и тип сварного соединения, свариваемость металла, толщина листов в зоне сварки.
1.2. Материалы для дуговой сварки [1, т. 2, с. 969]
Сварочная проволока стальная. ГОСТ 224670 предусматривает изготовление 77 марок диаметром 0,312 мм. Применяется для механизированных способов сварки и для изготовления плавящихся электродов. Стандартом регламентирован химический состав проволоки. Некоторые, наиболее употребительные марки проволоки приведены в табл. 1.1.
3
ГОСТ 787175 регламентирует химический состав 14 марок проволоки из алюминия и его сплавов, а ГОСТ 16130-85 прутки и проволоку 17 марок из мели и сплавов на медной основе.
Порошковая проволока применяется при механизированной сварке и представляет собой трубчатую проволоку, заполненную порошкообразным наполнителем, состоящим из газо-шлакообразующих и легирующих веществ. Сохраняет технологические преимущества голой проволоки и является универсальным сварочным материалом, обеспечивающим возможность любой степени легирования и надежной защиты сварного шва от воздуха. Наиболее широко применяется при наплавке.
Порошковую проволоку выпускают по специальным техническим условиям. Для сварки наиболее широкое применение получили следующие марки порошковой проволоки (ПП):
ПП-AHl для сварки низкоуглеролистых сталей в ниж
нем положении; j
ПП-АНЗ для сварки низколегированных сталей в нижнем положении;
ПП-АН7 для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей в любых пространственных положениях;
ПП-АН8 для сварки низколегированных сталей в углекислом газе.
Металл шва, полученный при сварке, указанными проволоками, соответствует электроду типа Э50 у ПП-AHl и Э50А у других, приведенных выше.
Электроды плавящиеся применяются для ручной дуговой сварки различных металлов и сплавов. Общие требования к стальным электродам установлены ГОСТ 946675, где электроды разделены по различным признакам, основными из которых следует считать следующие:
6
Кислое покрытие содержит много SiO2, MnO, малочувствительно к наличию ржавчины и окалины на кромках свариваемого металла. Имеет ряд недостатков: большие потери на угар и разбрызгивание, повышенная склонность к образованию горячих трещин и старению металла сварного шва. Можно применять только для сварки малоуглеродистой стали на переменном и постоянном токе во всех пространственных положениях, но при надежной вентиляции, так как покрытие обладает повышенной токсичностью из-за выделяющихся окислов марганца.
Рутиловое покрытие в качестве основной шлакообразующей части содержит TiO2. Этот тип покрытия обеспечивает устойчивое горение дуги на переменном токе, малочувствителен к изменению длины дуги, наличию окалины и ржавчины, нетоксичен и поэтому широко применяется для сварки ответственных изделий из малоуглеродистых и низколегированных сталей.
Основное покрытие не содержит окислов железа и марганца; их основной частью является СаСО3 и СаF2. .Наплавленный металл содержит меньше кислорода и водорода и мало склонен к образованию горячих и холодных трещин, обладает высокой пластичностью и вязкостью. Поэтому электроды с этими покрытиями применяют для сварки стали большой толщины для ответственных сварных конструкций, а также для сварки конструкций из легированных сталей, так как покрытие обеспечивает повышенное усвоение металлом шва легирующих элементов Мn, Сг, Мо, которые в этом случае почти не выгорают. Недостатком покрытия является необходимость применения постоянного тока обратной полярности и чувствительность к длине дуги. При сварке длинной дугой, а также при наличии на основном металле ржавчины, окалины или повышенной влажности покрытия металл шва может оказаться пористым.
Целлюлозное покрытие (газозащитное) дает очень небольшое количество шлака, в результате чего уменьшается длительность существования сварочной ванны, и поэтому оно пригодно для сварки вертикальных и потолочных швов, а также для сварки стали малых толщин (менее 3 мм). В зависи-
7
мости от состава покрытия применяется для сварки на постоянном или переменном токе.
Для повышения производительности сварки в некоторые покрытия вводится повышенное количество железного порошка.
Кроме вышеуказанных признаков, электроды еще подразделяются в зависимости от толщины покрытия, рода применяемого тока и пространственного положения шва. Наиболее часто применяют электроды, у которых коэффициент веса покрытия составляет 3040%. Исключением являются электроды с покрытием типа Ж и Ц, у первых этот коэффициент составляет 140175%, у вторых 910%.
Длина электродов l зависит от диаметра d . При d менее 3 мм l= 200 или 250 мм; при d = 3 мм l = 300 или 350 мм; при d = 4 мм l= 350 или 450 мм; bпри d=5 мм l= 450 мм.
Ввиду большого разнообразия применяемых покрытий электроды по ГОСТ делятся на типы не по составу покрытий, а по назначению электродов и механическим свойствам или по химическому составу металла сварного шва.
ГОСТ 946775 «Электроды для сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы». В обозначении типа электрода входит буква Э и цифры, указывающие предел прочности при растяжении металла шва. Буква А, стоящая в обозначении типа после цифры, указывает, что электрод гарантирует повышенную вязкость и пластичность металла шва. Стандартом установлены следующие типы электродов: Э38, Э42, Э42Л, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60, Э70, Э85, Э100, Э125, Э150.
Электроды для сварки конструкционных сталей выбираются по механическим свойствам. Электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей выбираются в зависимости от химического состава, механических свойств стали и максимальной рабочей температуры, при которой регламентированы показатели длительной прочности металла шва, поэтому дли них принято другое обозначение.
Стандартизировано 9 типов электродов, например Э-09Л1,
Э-09МХ, Э-10ХЗМ1БФ, где буквенно-цифровое обозначение после буквы Э обозначает, химический состав металла сварного шва. Аналогичное обозначение типов (например, Э-07Х20П9) принято для электродов, предназначенных для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами по
8
ГОСТ 105275. Этот стандарт устанавливает 49 типов электродов, которые выбирают по химическому составу, механическим свойствам и структуре металла сварного шва.
Организации, разрабатывающие электродные покрытия и заводы, изготавливающие электроды, выпускают их по маркам, каждая из которых имеет свое назначение и должна соответствовать определенному типу электрода и требованиям стандартов.
В технической документации условное обозначение электродов должно состоять из марки, диаметра, группы электродов и обозначения стандарта ГОСТ 946675. Например, электрод УОНИ-13/45-3.0-2-ГОСТ946675, где УОНИ 13/45 марка электрода, 3,0 диаметр, 2 группа. В соответствии с типом электрода, указанном в технических условиях на изготовление сварной конструкции по справочной литературе
[1, т. 2] выбираются марки электродов. Наиболее употребительные при изготовлении и ремонте подвижного состава и строительно-дорожных машин марки сварочных электродов приведены в табл. 1.2.
Для дуговой или газовой сварки чугуна с предварительным подогревом применяют чугунные стержни по ГОСТ 267170 с покрытием ОМЧ-1. При сварке чугуна, без предварительного подогрева (холодная сварка) применяют электроды ОЗЧ-1, МНЧ-1 или ЦЧ-4. Первые два применяют в тех случаях, когда после заварки дефекта обязательна механическая обработка. Стержень электрода 03Ч-1 выполнен из меди, а у МНЧ-1 из сплава НМЖМц с покрытием типа Б. У электродов ЦЧ-4 стержень выполнен из проволоки СвО8 и покрытия типа Б, содержащего элементы, образующие стойкие карбиды; механическая обработка таких швов затруднена.
Для деформируемых сплавов на основе алюминия применяют электроды марки ОЗА-1, а для отливок ОЗА-2.
Флюсы применяются при механизированных способах сварки в сочетании со сварочной проволокой. По способу изготовлении разделяются на керамические и плавленые.
9
10
11
12
Керамические флюсы по технологии изготовления и составу сходны с электродными покрытиями. В них можно вводить любые -легирующие элементы, что позволяет легко получать любой требуемый состав металла при сварке. Однако они обладают рядом существенных недостатков и при сварке обычных сталей не применяются. Основная область их использования сварка высоколегированных специальных сталей и наплавочные работы.
Плавленые флюсы состоят из окислов различных металлов, которые в заданной пропорции расплавляют при температуре около 1400°С. Принципиальное отличие плавленого флюса от керамического заключается в том, что плавленый флюс не может содержать легирующие элементы в чистом виде. Легирование, плавлеными флюсами происходит путем восстановления элементов (практически только Si и Мn) из окислов, находящихся во флюсе.
На основные марки плавленых флюсов существует ГОСТ 208781, в котором регламентирован химическим состав, строение и размеры зерна и даны рекомендации по их применению (табл. 1.3). Буква М в конце обозначения марки флюса указывает, что флюс мелкой грануляции предназначен для сварки проволокой менее 3 мм; буква П флюс пемзовидный; С стекловидный; ПС смешанный.
У пемзовидных флюсов (АН-20П, АН-26П, АН-6O) насыпной вес меньше, что приводит к снижению глубины проплавления. Сильноокислительные флюсы содержат в основном окислы SiO2 и МnО, а слабоокислительные практически их не содержат и применяются преимущественно для высоколегированных сталей.
Так как химический состав металла шва тесно связан с химической активностью флюса и составом сварочной проволоки, флюс для сварки различных марок углеродистой и низколегированной стали и марку проволоки выбирают одновременно, т. с. выбирают систему флюс проволока из расчета, чтобы металл шва содержал не менее 0,204% Si и Мn для предупреждения образования пор.
Например, для низкоуглеродиcтой проволоки (Св-08) не
обходимо применять высокомарганцовистый и высококрем
нистый флюс (AH-348, ОСЦ-45). Легирование Si и Мn проис
ходит за счет обменных реакций между металлом шва и шла
ком: - ■
МnО + Fe---- FeO + Мn;
SiO2 + 2Fe ---- 2FeO + Si.
14
Для проволоки Св-10Г2 применяют высококремнистый флюс с низким содержанием МnО (не более 15%).
При дуговой и газовой сварке алюминия применяют без-кислородный флюс АН-А1 «а основе хлористых соединений К, Na и криолита, а для сварки алюминиевых сплавов флюс АН-А4, содержащий еще и LiCi.
Защитные газы делятся на две группы: химически инертные и активные. Наиболее широко применяются аргон и углекислый газ.
Аргон выпускается по ГОСТ 1015782 и применяется при сварке плавящимся или неплавящимся вольфрамовым электродом для сварки алюминия и нержавеющих сталей.
Углекислый газ поставляется по ГОСТ 805082 и широко применяется при дуговой автомагической и полуавтоматической сварке сталей в основном плавящимся электродом. При применении углекислого газа сварочная проволока должна содержать повышенное количество сильных раскислителей (чаще всего Si и Мл). Наиболее широко применяется проволока
Св-08Г2СА (табл. 1.4).
Для улучшения формирования шва, снижения разбрызгивания металла и других технологических свойств применяют газовые смеси, например: СО2 + 20% О2; Аr 4- 25% СО2; Ar + 70% Не. Сварка в углекислом газе является наиболее. дешевым способом дуговой сварки.
1.3. Общие принципы выбора наплавочных материалов
Дефекты деталей, поступающих в ремонт, можно разделить на три группы:
1) износ, приводящий к изменению размеров и геометрической формы, появлению рисок и зазоров на поверхности;
Устранение вышеуказанных дефектов связано с применением специфических способов восстановления и материалов. Наплавкой наиболее часто восстанавливаются детали, получившие износ.
Одним из наиболее важных факторов, определяющих свойства восстановленного слоя, является его химический состав.
16
Выбор состава наплавленного металла зависит от условий работы деталей и вида износа наплавленной поверхности. В зависимости от этих факторов можно выделить следующие типы наплавленного металла:
1. Для деталей, работающих в условиях трения металла о
металл при нормальной температуре, применяют наплавки
типа низкоуглеродистой и низколегированной стали. Главная цель восстановление размеров и свойств наплавки на уровне изношенного слоя детали. Повышение твердости ограничено взаимодействием с другой деталью и необходимостью механической обработки, поэтому твердость наплавленного металла менее 400 НВ. Применяют недифицитные и недорогие легирующие элементы. Состав металла наплавки типа стали 15ХГ2С, 25X3, 15Г2Х, ЗОХГСА обеспечивает достаточную твердость и вязкость.
17
1.4. Материалы, применяемые при дуговой наплавке
При дуговой наплавке применяют следующие материалы:
3)проволока порошковая
9) порошковые материалы.
Позиции 1, 3, 4, 7, 8 рассмотрены в разделе 2. Это мате
риалы, которые могут применяться и при сварке и при на
плавке. Рассмотрим более подробно характеристики напла
вочных материалов. Проволока наплавочная стальная диамет
ром менее 3 мм, выпускается по ГОСТ 1054382. и применяет
ся для механизированной износостойкой наплавки. Стандар
том установлены 30 марок наплавочной проволоки, из кото
рых 9 углеродистых, 11 легированных и 10 высоколегирован
ных.:
Некоторые марки наплавочной проволоки приведены втабл.1.4 ^'
Порошковая проволока для наплавки находит все более
широкое применение и выпускается как самозащитная, при
меняемая при полуавтоматической .иаплавке, а также для ав
томатической наплавки под флюсом или. в защитной среде
углекилслого газа [1,.т, 2].
18
20
Некоторые марки выпускаемой порошковой проволоки:
ППАН1 мягкая наплавка, проволока самозащитная для наплавки деталей, работающих в условиях трения металла о металл;
ПП200Х10Г8 для наплавки под флюсом деталей, работающих в условиях абразивного износа с ударами;
ПП-ТН200 ППТН-450 самозащитная, для наплавки деталей подвижного состава.
Химический состав наплавленного металла проволокой ПП-ТН350: С = 0,13%, Мп = 0,69%, Si = 0,63%, Сг «0,41%, Тi = 0,81%.
Наплавочные электроды для износостойкой наплавки. ГОСТ 1005075 регламентирует химический состав и твердость наплавленного металла для каждого типа электрода, что и отражено в обозначении типа электрода. Характеристика и область применения некоторых наиболее употребительных наплавочных электродов приведена в табл. 1.5.
Применение при наплавке ленты весьма целесообразно. При этом достигается наибольшая производительность и уменьшается глубина проплавления и доля участия основного металла в наплавке, обеспечивается более ровная поверхность наплавки.
Для наплавки используется лента сплошного сечения и порошковая:
а) холоднокатаная шириной S = 20100 мм при тол
щине б = 0,41,0 мм. Изготавливается из углеродистой кон
струкционной стали (ГОСТ 228479), например, марки 30,
40; из пружинной и инструментальной стали (ГОСТ 2283 '
79), например, 65Г, и из коррозионно-стойкой стали
(ГОСТ 498679), например, марки 20X13, 20Х13Н4Г9,
12Х18Н9Т;
б) металлокерамическая поставляется по ГОСТ 22366
•77, изготавливается прокаткой порошкообразной шихты с по
следующим спеканием (S = 25100 мм, 6 = 0,81,2 мм) на
пример, ЛС-20Х10Г10Т, ЛС-70ХЗМ;
в) порошковая состоит из стальной оболочки сечением
4 * 30 мм, заполненной порошком. Поставляют по техни
ческим условиям, например, марки ПЛ-У30Х30ГЗТЮ,
ПЛ-У30Х25Н4С4;
г) литая изготавливается методом жидкой прокатки,
выпускается толщиной 0,81,0 мм, например, марки
ЛЛ-УЗОГС, ЛЛ-4Х13. Из всех рассмотренных лент имеет
наиболее низкую стоимость.
21
22
Механические смеси порошков для наплавки (ГОСТ 1154675) в зависимости от химического состава разделены на марки. С-2М, ФБХ6, БХ и КБХ. Стандартом определена и область их применения. Например, порошок марки БХ содержит 0,71,0% С; 35,044,0% Сu; 0,51,0% Si; 7,09,0% В, применяется в тех случаях, когда требуется высокая твердость наплавки (63 HRC).
'При выборе материала для наплавки необходимо учитывать, что при дуговой наплавке наплавленный металл может очень сильно отличаться от состава наплавочных материалов по двум причинам:
разбавление основным металлом;
вследствие взаимодействия расплавленного металла с газовой и шлаковой фазами сварочной зоны.
Рассмотрим влияние некоторых факторов на изменение химического состава при дуговой наплавке.
Наплавленный металл представляет собой сплав основного и электродного металла. Состав наплавки определяется долями участия основного и электродного металла и зависит от количества слоев способа и режима наплавки. При многослойной наплавке только в четвертом слое устраняется влияние основного металла. Доля участия электродного металла в первом слое (при однослойной наплавке).
где Fнп сечение части наплавленного слоя, образовавшейся за счет электродного металла;
Fcn общее сечение наплавленного слоя;
Fnp сечение части слоя, образовавшейся за счет основного металла.
При автоматической наплавке с постоянной скоростью подачи проволоки поперечное сечение наплавленного слоя
, где Fэл сечение электродн. проволоки, мм2;
V скорость подачи проволоки и наплавки, м/ч.
Доля участия основного металла определяется из соотношения:
. 23
Различные методы дуговой наплавки отличаются тепловой подготовкой основного и наплавляемого металлов.
При наплавке дугой косвенного действия (плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой) основной металл нагревается столбом дуги и теплотой перегретого наплавляемого металла. Проплавление основного металла и у0 в этом случае может быть заметно уменьшено.
При дуге прямого действия на основном металле располагается катодное пли анодное пятно, поэтому ограничить глубину проплавления значительно труднее, особенно при значительном сосредоточении дугового разряда (проволока небольшого диаметра, высокая плотность тока). Поэтому при автоматической и ручной дуговой наплавке проволокой, глубина проплавления значительно выше, чем при наплавке ленточным электродом.
При взаимодействии с газами и шлаками часть легирующих элементов выгорает, особенно таких как Al, Zr, Ti, Si, Mn, Cu. Степень усвоения легирующего элемента при наплавке зависит, от состава наплавочных материалов, а также от режима и способа наплавки. Электроды для износостойкой наплавки изготавливаются с покрытием основного типа (Б), при котором угар легирующих элементов минимален. При автоматической наплавке легированными проволоками необходимо применять слабоокислительные флюсы АН20, АН26, а при высокоскоростной наплавке АН60.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ (НАПЛАВКИ)
2.1. Общие положения
Основные параметры процесса дуговой сварки (наплавки) определяют геометрические размеры сварных швов (наплавок) и их свойства, поэтому правильное определение параметров процесса непосредственно связано с обеспечением высокого качества и надежности изделий.
Основные параметры процесса электродуговой (или газоэлектрической) сварки (наплавки) можно разделить на две группы:
I. Параметры, определяемые независимо от способа сварки (наплавки): род (постоянный, переменный) и полярность (прямая, обратная) тока, сила сварочного тока 1св, напряжение на дуге Uд.
24
2. Специфические параметры для определенных способов сварки (наплавки): скорость сварки Vcв , скорость подачи электродной проволоки Vпp, количество флюса или защитного газа, вылет электрода и целый ряд других параметров.
При определении основных параметров различных процессов сварки и наплавки рекомендуется пользоваться схемами приведенными на рис. 2.12.4 (см. стр. 26 и 27).
2.2. Определение рода тока и его полярности
Технологические свойства дуги в значительной мере опрe -деляются родом и полярностью сварочного тока.
Сварочный ток применяется двух родов: переменный и по -стоянный.
Понятие полярности тока относится только к постоянному току, так как при переменном токе полярность изменяется с частотой 50 Гц.
Полярность бывает: прямая когда «минус» источника
постоянного тока подключен к электроду (катоду), а «плюс»
к изделию (аноду), и обратная, когда «плюс» - на элек
троде.
При прямой полярности па изделии выделяется до 70% теплоты дуги, что обеспечивает глубокое проплавленне свариваемого металла. При обратной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой. При этом на аноде (электроде) выделяется большое количество энергии, что приводит к значительному его разогреву и увеличению скорости плавления. При использовании переменного тока количество теплоты, выделяющееся на электроде ai изделии примерно одннаковое.
Род и полярность тока оказывают значительное влияние на форму и размеры шва, что объясняется различным количеством теплоты, выделяющимся на катоде и аноде дуги, и скоростью плавления электрода. При сварке на постоянном токе прямой полярности глубина проплавления на 4050%, а на переменном на 1520% меньше, чем на постоянном обратной полярности. Поэтому швы, в которых требуется небольшое количество электродного металла и большая глубина проплавления (стыковые и угловые без разделки кромок) целесообразно выполнять на постоянном токе обратной полярности.
Род и полярность тока имеют существенное значение при сварке в инертных газах алюминия, титана и сплавов на их основе, а также жаропрочных сталей к ряда цветных метал-
25
26
27
лов. В частности, при сварке алюминиевых сплавов рекомендуется применение переменного или постоянного тока обратной полярности, так как препятствующая сварке окисная пленка Аl2О3 разрушается вследствие действия эффекта катодного распыления, при бомбардировке катода ионами аргона.
Сварка на переменном токе отличается меньшей устойчивостью горения дуги по сравнению со сваркой на постоянном токе. Однако сварка на переменном токе более экономична. Поэтому, если возможно применение как переменного, так и постоянного тока, обычно отдается предпочтение сварке на переменном токе.
Вопрос о том, какую полярность выбрать при сварке на постоянном токе, решается в каждом случае отдельно. При этом следует меть в виду, что в некоторых случаях (в зависимости от марки флюса, рода защитного газа и марки электродной проволоки) глубина проплавления, ширина шва, производительность процесса и устойчивость горения дуги в значительной мере зависят от полярности (табл. 2.2).
Горячую сварку серого чугуна ведут электродами ОМЧ-1 на постоянном токе прямой полярности. В заводской маркировке ставится цифра, обозначающая рекомендуемый. род тока и полярность. Цифра «ноль» в маркировке означает использование постоянного тока обратной полярности [1, т. 2, с. 3738].
Сварка и особенно наплавка в среде защитных газов обычно ведется с использованием постоянного тока обратной полярности, что уменьшает разбрызгивание, повышает устойчивость горения дуги и способствует лучшему формированию металла шва.
Газоэлектрическая сварка алюминиевых сплавов производится с использованием неплавящегося вольфрамового электрода на переменном токе и плавящимся электродом на постоянном токе. •
2.3. Определение параметров режима сварочного процесса
2.3.1. Ручная дуговая сварка
п л а в я щ и м с я э л е к т р о д о м
Режимом сварки называют совокупность характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных швов заданных размеров, формы и качества.
28
Параметры режима, определяемые при ручной дуговой сварке (РДС), представлены на рис. 2.1.
Определение режима сварки обычно начинают с выбора диаметра электрода, который назначают в зависимости от толщины свариваемых деталей или от катета шва при сварке угловых и тавровых соединений (табл. 2.1).
При сварке многопроходных стыковых соединений первый проход должен
выполняться электродами диаметром не более 5мм, так как при большем
диаметре затруднен доступ для провара корня шва. При сварке угловых и
тавровых соединений, как правило, за один проход выполняются швы катетом
не более 89 мм. При необходимости выполнения шва с большим катетом
применяется сварка за два прохода и более
При определении числа проходов следует иметь в виду, что максимальное поперечное сечение металла, наплавленного за один проход, не должно превышать 3040 мм2.
Для определения числа проходов угловых и тавровых соединений общая площадь поперечного сечения наплавленного металла, мм2.
здесь Ку коэффициент увеличения, учитывающий наличие зазоров и выпуклость, определяется в зависимости от катета К по табл. 2.2.
29
Таблица 2.2
Значения |
коэффициента Ку |
|||||
Катет шва К |
34 |
56 |
710 |
1220 |
2030 |
30 |
Кy |
1,5 |
1,35 |
1.25 |
1,15 |
1.10 |
1,05 |
При сварке швов стыковых соединений площадь поперечного сечения (мм2) металла, наплавляемого за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия формирования, должна составлять:
для первого прохода (при проварке корня шва)
F1 = (6 + 8) dэ , (2.2)
для последующих проходов
Fп= (8+12)dэ. (2.3)
Для определения числа проходов при сварке швов стыковых соединений с разделкой кромок необходимо рассчитать общую площадь поперечного сечения наплавленного металла (рис. 2.5)
Рис. 2 5. Форма поперечного сечения наплавленного металла
(стыковой шов с V-образной разделкой)
30 FH = 2F' + F" + F111
или
Fн = h2tq0.5a +b*s +2/3q (2h*tq0.5a +b +6) (2.4)
Число проходов
n = (Fн F1) / Fн (2.5)
Кроме того, для определения FH и n можно пользоваться готовыми таблицами в справочнике [2].
Силу сварочного тока рекомендуется определять по формуле
(2.6)
где dэ диаметр электродного стержня, мм;
j допускаемая плотность тока, А/мм2; определяется по табл. 2.3.
Таблица 2.3 Допускаемая плотность тока в электроде при РДС
Плотность тока (А/мм2) при dэ
Виды покрытия
3 мм
4 мм 5 мм
6 мм
Рудно-кислое, рутило- вое 14-20
11,516 1013,5 9,512,5
Фторнсто-кальциевое
1318.5
1014,5 912,5
8,512,0
Возможно также применение формулы
, (2.6)
где к определяется по табл. 2.4.
31
Таблица 2.4
Значения коэффициента к
d, мм |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
к |
2530 |
3045 |
3550 |
4055 |
4560 |
Напряжение дуги при РДС изменяется в сравнительно узких пределах и при проектировании технологических процессов UД выбирается согласно паспорту на выбранную марку
электрода.
Тепловое воздействие дуги при РДС, определяющее структурные и термодеформационные процессы в зоне шва, зависит от погонной энергии сварки
(2.8)
где qп погонная энергия сварочного источника теплоты, Дж/см
VCB скорость сварки, см/с;
η эффективный к. п. д. дуги, для РДС принимается равным 0,50,6.
Величина qn при РДС может быть определена по приближенной формуле
qп = 14 500 - Fн,
(2.9)
где Fн площадь наплавленного металла, см2, определяется по формуле (2.4).
Скорость РДС Vсв обычно задается ориентировочно и контролируется косвенно по необходимым размерам получаемого шва.
32
Рекомендуется приближенно оценивать Vсв (ом/с) по формуле
(2,10)
где ан коэффициент наплавки, г/А ч;
γ плотность наплавленного металла, г/см3;
Fн площадь наплавленного металла, см2.
2.3.2. Автоматическая и полуавтоматическая
сварка
Параметры режима, которые необходимо определить при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, указаны на рис. 2.2. После выбора способа сварки, а также рода тока и его полярности переходят к определению других параметров.
Автоматизированная сварка может производиться с обеспечением полного провара за один проход без разделки кромок (рис. 2.6,а), за два прохода с двух сторон без разделки кромок (рис. 2.6,6), за несколько проходов с одной (рис. 2.6,в) или с двух сторон (рис. 2.6,г) с разделкой кромок.
В любом из этих случаев параметры режима определяют исходя из глубины проплавления за один проход.
Силу сварочного тока выбирают так, чтобы она обеспечи-вала заданную глубину проплавления Н:
(2,11)
где Н1 глубина проплавления за один проход;
33
а)
Рис. 2.6. Поперечное сечение стыковых швов, выполненных автоматической сваркой
Кh коэффициент пропорциональности, определяемый по габл. 2.5 в зависимости от ряда параметров.
Таблица 2.5
Значения коэффициента Kh , мм/100 А
Марка флюса или защитного газа |
Диаметр электродной проволоки, мм |
ПерПеременный ток |
Постоянный ток |
|
прямая полярность |
обратная полярность |
|||
ОСЦ-45 |
2 |
1.30 |
1.15 |
1.45 |
3 |
1.15 |
0.95 |
1.30 |
|
4 |
1.05 |
0,85 |
1.15 |
|
5 |
0,95 |
0,75 |
1,10 |
|
6 |
0.90 |
|
|
34
Продолжение табл. 2.5
Диаметр электродной проволоки ориентировочно
(2.12)
где j допускаемая плотность тока, определяемая при отсутствии разделки кромок по табл. 2.6.
Таблица 2.6 Допускаемая плотность тока в зависимости от диаметра электрода
dэ , ММ |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
j, А/мм» |
65200 |
4590 |
35-60 |
3050 |
2545 |
При сварке шланговым полуавтоматом диаметр электродной проволоки допускается не более 2 мм. 35
Скорость сварки
Vcв =A/Iсв (2.13)
где А константа, которую для получения швов требуемой формы, обладающих высокой технологической прочностью, следует принимать в пределах, указанных в табл. 2.7.
Таблица 2.7 Величина коэффициента А в зависимости от диаметра электрода
dэ. мм |
А, а*м/ч |
dэ ,мм |
А, *м/ч |
1,2 |
(2-5) 103 |
4.0 |
(1620) 103 |
1.6 |
(5-8) 103 |
5,0 |
(2025) 103 |
2,0 |
{812) 103 |
6,0 |
(2530) 103 |
3,0 |
(1216) 103 |
Напряжение на дуге определяется в зависимости от принятого диаметра электрода и силы сварочного тока по формуле
,(2.14)
Погонная энергия сварки определяется по формуле (2.8), причем эффективный к. п. д. дуги для случая автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом принимается равным
η = 0,80,85, а в случае сварки в среде СО2 η = 0,650,7.
Скорость подачи электродной проволоки
, (2.15)
где ар - коэффициент расплавления, г/А ч ,
Iсв - сила сварочного тока, А;
Р' - вес 1 пог. см проволоки, г .
36
(2.16)
здесь d диаметр проволоки, см;
γ удельный вес проволоки, г/см3.
Для автоматической сварки на переменном и на постоянном токе прямой полярности
ap = A + Б*Iсв/d , (2.17)
где А и Б- постоянные коэффициенты, определяемые по табл. 2.8
I сила сварочного тока, А
d диаметр электродной проволоки, мм
Таблица 2.8
Таблица Значения коэффициентов А и Б
Мирка флюса |
А |
Б |
||
Прямая полярность |
ПерПеременный ток |
Прямая полярность |
ПерПеременный ток |
|
АН-348А АН-348 AH-348 Ш ОСЦ46 |
2,3 2,8 1,4 2,5 |
7.0 7.3 6.0 7.1 |
0,065 0.10 0,081 0.09 |
0,040 0,052 0.038 0.045 |
При автоматической сварке на постоянном токе обратной полярности коэффициент ар изменяется мало и может быть взят равным - 12 г/А ч.
При полуавтоматической сварке на переменном и постоянном токе прямой полярности
ap = 6,6 + 0,04Iсв/d (2.18)
37
При сварке на постоянном токе обратной полярности ар можно принять равным 0,8 от ар для переменного тока:
ар=0,8 ар (2.19)
Коэффициент ар при сварке и наплавке под флюсом можно также определять по формулам:
а) на переменном токе
ар =7,0 + 0,04 Iсв/dэ; (2.20)
б) на постоянном токе прямой полярности
ар =2,0+. (2.21)
где Iсв сварочный ток, А;
dэ диаметр электрода, мм.
Коэффициент наплавки
(2.22)(222)
где φ коэффициент потерь электродного металла вследствие окисления, испарения и разбрызгивания, %.
При сварке под флюсом φ = 1 - 3.
При сварке в углекислом газе
ар = 3 + 0.08 Iсв/ dэ . (2.23)
Коэффициент наплавки ан определяется по формуле (2.22) с учетом того, что φ = 10 - 15.
Аналогично производят расчет параметров режима для второго и последующих проходов в случае многослойной сварки (см. рис. 2.6, б, в, г).
При сварке в среде защитных газов вычисленные параметры режима должны быть сопоставлены с приведенными в табл. 2.9. По этой же таблице определяется расход газа.
38
Таблица 2.9
Режимы автоматической и полуавтоматической сварки
в среде углекислого газа стыковых и угловых соединений
из углеродистых сталей
39
Продолжение табл. 2.9
Толщина металла, мм |
Количе- ство слоев |
Диаметр свароч- ной про- волоки, мм |
Сила сварочного тока, А |
Напря- жение на дуге, В |
Скорость сварки, м/ч |
Расход газа, л/мин |
Катет шва, мм |
5 |
2 |
2,0 |
300350 |
3032 |
2530 |
1713 |
911 |
о |
3 |
2,0 |
300350 |
3032 |
2530 |
1718 |
1114 |
5 |
45 |
2,0 |
300350 |
3032 |
2530 |
1718 |
1316 |
5 |
1 |
2,5 ' |
300350 |
3032 |
2530 |
17^18 |
78 |
2.4. Определение основных параметров процесса наплавки
Исходным критерием для выбора режима наплавки является величина износа, а также толщина стенок или диаметр ремонтируемой детали. Кроме того, при разработке технологии наплавки должны быть предусмотрены мероприятия по предотвращению сварочных деформаций, из которых наиболее часто применяют методы уравновешивания деформаций и интенсивного отвода тепла в процессе, наплавки. При наплавке ремонтируемых деталей деформации недопустимы, так как их трудно, а зачастую и невозможно устранить методами правки или механической обработки.
При разработке технологии наплавки (в отличие от сварки) необходимо стремиться к уменьшению глубины проплавления, особенно когда применяется легированная износостойкая наплавка, так как для участия основного металла в наплавке yo возрастает с увеличением глубины проплавления, в результате чего снижается твердость и износостойкость.
При восстановлении наплавкой деталей подвижного состава в депо наиболее широко применяют ручную или полуавтоматическую дуговую наплавку плавящимся электродом, так как ремонт деталей носит мелкосерийный характер.
Наплавка производится широким валиком с амплитудой поперечного перемещения от 2 до 5 диаметров электрода. Такой прием увеличивает прогрев валика и замедляет охлаждение сварочной ванны, что уменьшает возможность появления непроваров, шлаковых включений и пор.
40
Валики накладывают после удаления шлака, чтобы каждый последующий перекрывал предыдущий на 1/2 1/3 ширины предыдущего. Доля участия основного металла в наплавке у0 снижается с 0,65 у первого валика до 0,45 у последующих. Поверхность наплавки более ровная и припуск на механическую обработку составляет 23 мм. При многослойной наплавке необходимо применять тонкие валики, что уменьшает опасность трещинообразования под влиянием усадки.
При наплавке участков небольшой длины рекомендуется наплавка челночным способом (зигзагообразное перемещение электрода), при котором наплавляется полоса шириной 40 80 мм. Шлак не успевает закристаллизоваться и его удаляют после наплавки всей полосы. Производительность повышается, так как не требуется дополнительного времени на удаление шлака при подходе дуги. При наплавке челночным способом уменьшается скорость охлаждения околошовной зоны, что создает условия для наплавки без предварительного подогрева некоторых деталей из среднеуглеродистой стали.
Для повышения производительности ручной дуговой наплавки применяют электроды большого диаметра (56 мм) с железным порошком в покрытии, наплавку короткой дугой, дополнительный присадочный металл в виде проволоки, прикрепленной к электроду, или порошковой ленты, уложенной на поверхность наплавки. Дополнительный присадочный металл расплавляется за счет тепла дуги, горящей между электродом и изделием, в результате чего более эффективно используется тепло дуги и повышается коэффициент наплавки.
Применение шланговых полуавтоматов позволяет повысить производительность в 23 раза по сравнению с ручной дуговой наплавкой. В полуавтоматах наиболее эффективно применение порошковой проволоки, особенно самозащитной.
Расчет режима ручной и полуавтоматической дуговой наплавки производится так же, как и для аналогичных способов дуговой сварки.
Автоматической наплавкой восстанавливают плоские и цилиндрические поверхности при массовом производстве.
Режим наплавки выбирается по справочным таблицам или расчетным путем и затем корректируется с учетом формы и размеров наплавленных валиков.
41
Форма шва характеризуется коэффициентом формы провара
φ = b / hn
где b - ширина шла;
hn глубина проплавления.
С увеличением Icu глубина проплавления возрастает почти линейно до некоторых величин. Это объясняется ростом давления дуги на поверхность сварочной ванны и увеличением погонной энергии сварки. Одновременно увеличивается количество расплавленного металла и, как следствие, высота усиления шва. Ширина шва возрастает незначительно, так как при увеличении тока дуга заглубляется в основной металл.
Увеличение плотности тока, применяющееся в проволоках небольшого диаметра, резко увеличивает глубину проплавления и снижает φ, поэтому при наплавке необходимо стремиться к применению проволоки большого диаметра и меньшей плотности тока.
При увеличении напряжения увеличивается длина и подвижность дуги, в результате ширина шва возрастает, а глубина проплавления и высота усиления почти не меняется, поэтому коэффициент формы шва возрастает, вместе с тем увеличивается количество расплавленного флюса и его влияние на химический состав наплавленного слоя.
Увеличение скорости наплавки уменьшает погонную энергию и уменьшает толщину прослойки жидкого металла под дугой. В результате все размеры шва уменьшаются. С увеличением вылета электрода возрастает интенсивность его нагрева джоулевым теплом, в результате толщина прослойки жидкого металла под дугой растет и, как следствие, уменьшается глубина проплавления. Этот эффект можно использовать при наплавке.
При наплавке с поперечными колебаниями электрода глубина проплавления и высота усиления уменьшается, а ширина шва b увеличивается в несколько большей степени, чем амплитуда колебаний электрода.
Состав и строение флюса также оказывают заметное влияние на форму и размеры шва. При уменьшении насыпной массы флюса (пемзовидные флюсы) попытается газопроницаемость слон флюса над сварочной ванной и, как результат
42
этого, уменьшается давление в газовом пузыре дуги. Это увеличивает толщину прослойки под дугой и уменьшает глубину проплавления (валик низкий и широкий с плавным переходом к основному металлу).
Стекловидный флюс увеличивает глубину проплавления. Крупнозернистый флюс дает более широкий валик и с меньшей глубиной проплавления, чем мелкозернистый.
При наплавке следует стремиться к тому, чтобы припуск на обработку не превышал 1,52 мм, т. е. поверхность должна быть достаточно ровной, без значительных наплывов и провалов между валиками. При наплавке под флюсом это достигается определенным соотношением тока инапряжения (рис. 2.7).
При наплавке плоских поверхностей небольшой ширины приходится ограничивать стекание шлака и металла в процессе наплавки дополнительными устройствами (иногда этого удается избежать подбором режима уменьшением Iсв и Uд и увеличением Vcв ).
При наплавке цилиндрических поверхностей детали небольшого диаметра ( d < 500 мм) по винтовой линии (деталь вращается (непрерывно, а дута перемещается вдоль оси детали со скоростью, при которой одному обороту детали соответствует смещение дуги, равное шагу наплавки) приходится учитывать возможность cтекания сварочной ванны, усиливающуюся с увеличением ее длины, что ограничивает выбор режимов по силе тока и напряжению (см. рис. 2.7), так как
Рис. 2.7. Напряжение дуги в зависимости от силы
сварочного тока при наплавке под флюсом
Заштрихован оптимальный диапазон
43
длина сварочной ванны зависит от мощности дуги и может быть определена по формуле
где -- эффективная мощность, Вт;
λ коэффициент теплопроводности, Вт/м*град;
Тпл температура плавления, °К.
Величина смещения электрода с «зенита» в сторону, противоположную направлению вращения детали, необходимо выбирать с учетом длины сварочной ванны.
При диаметре наплавляемой детали более 500600 мм эти ограничения становятся несущественными.
При диаметре валика менее 50 мм даже при всех применяемых ограничениях режима ( 1св = 100 A; dэл= 1,2 мм; Uд = 24 В; смещение электрода с зенита навстречу вращению) получить удовлетворительное формирование валиков практически не удается происходит стекание металла в направлении вращения детали. Цилиндрические детали такого размера наплавляют cамозащитной проволокой или вибродуговым способом, или в защитной среде углекислого газа. При наплавке вблизи торца цилиндрической детали для удержания шлака и расплавленного металла прикрепляют диск-фланец большого диаметра.
При наплавке на плоскую поверхность режим наплавки зависит от износа детали и может быть принят по данным табл. 2.10 или определен расчетным путем.
Таблица 2.10
Рекомендуемый режим наплавки плоской поверхности в зависимости от износа детали
Износ мм |
Сила тока, А |
Скорость наплавки, м/ч |
Напряжение на дуге, В |
Род тока |
|
23 34 45 56 |
4- 2 3 5 |
160226 340350 360460 650700 |
2025 25 2025 2530 |
3032 3234 3234 3436 |
Постоянный Постоянный нлн переменный То же |
44
Рис. 2.8. Зависимость скорости наплавки и силы сварочного тока и
от диаметра изделия:
1) диаметр электрода 33.5 мм,
2) 45 мм
400 600 800 1000 Dмм
При наплавке цилиндрических деталей, кроме износа, необходимо учитывать диаметр детали (рис. 2.8). Наплавка цилиндрических деталей малого диаметра (50200 мм) вызывает затруднения из-за осыпания флюса и стекания расплавленного металла. Рекомендуемый режим наплавки под флюсом цилиндрических деталей малого диаметра приведен в табл. 2.11.
Режим наплавки может быть определен и расчетным путем по следующей схеме:
Т а б л ица 2.11 Режим наплавки под флюсом цилиндрических деталей
Параметры |
Диаметр детали, мм |
||||
200 |
160 |
120 |
90 |
6О |
|
dэл мм |
2 |
2 |
2 |
1,6 |
1.2 |
Сила тока, А |
220260 |
200240 |
170-200 |
150180 |
110-130 |
Напряжение, В |
27-30 |
27-30 |
26 - 29 |
26-29 |
2528 |
Скорость наплавки , м/ч |
2832 |
24-28 |
2024 |
1620 |
1418 |
Шаг наплавки, мм |
4 -5 |
4- 5 |
4-5 |
4 |
4 |
45
Iсв =а*Fсв ,
где а = 35160 А/мм2 большие плотности тока принимают для электродов меньших диаметров; Fэл площадь проволоки, мм2.
где Vпр скорость подачи проволоки , м/час
ар коэффициент расплавления, г/А*ч
dэл диаметр электрода, см
γ плотность металла проволоки, г/см3 (для стальной проволоки γ = 7,8).
5. Скорость наплавки определяют из соотношения
где Vпр скорость подачи проволоки, м/ч;
Fэл площадь проволоки, мм2;
Fнп площадь наплавленного валика, мм*.
Площадь наплавленного валика
Fнр = h*S*a
где h заданная толщина наплавленного слоя, мм;
S шаг наплавки, мм, при однопроходной наплавке
S= (3-4) dзл;
а коэффициент, учитывающий отклонение фактической площади сечения наплавленного слоя от площади прямоугольника;
для автоматической сварки под флюсом а = 0,6 0,7.
46
Число оборотов наплавляемой детали
где n число оборотов наплавляемой детали, об/мин;
D диаметр наплавляемой детали, мм;
Vнр скорость наплавки детали, м/ч.
Литература