В качестве характеристик плавления электродов используют линейную или массовую скорость плавления, измеряемую длиной или массой расплавленного электрода (проволоки) в единицу времени и коэффициент потерь электродного металла на угар и разбрызгивание. Скорость плавления зависит от состава сварочной проволоки, наполнителя порошковой проволоки, защитного газа, покрытия электрода, флюса, режима сварки, полярности тока и ряда других факторов.
Эти характеристики определяются экспериментально и позволяют судить о производительности и экономичности конкретного процесса сварки.
Производительность плавления электрода характеризуется коэффициентом расплавления. Коэффициент расплавления αр представляет удельную (отнесенную к одному амперу сварочного тока ) производительность процесса расплавления электрода:
где Gp — масса расплавленного металла электрода (г) за время горения дуги t (ч); Iсв — сила сварочного тока, А.
При сварке порошковой проволокой
где Кз — коэффициент заполнения порошковой проволоки, оценивающий количество порошкового материала в сердечнике.
где Gпор — масса порошкового наполнителя; Gпров — общая масса проволоки.
В зависимости от назначения проволоки коэффициент заполнения колеблется в широких пределах (15-40%).
Для электродов и порошковых проволок, содержащих в покрытии дополнительный металл (например, железный порошок), масса расплавленного металла
где Gст.эл — масса расплавленной части металлического стержня электрода или оболочки порошковой проволоки; Gдоп.м — масса расплавленного дополнительного металла, содержащегося в покрытии электрода или в сердечнике порошковой проволоки.
Производительность наплавки характеризуется коэффициентом наплавки.
Коэффициент наплавки при сваркеαн — коэффициент, выраженный отношением массы металла Gн, наплавленной за единицу времени горения дуги, отнесенной к единице сварочного тока:
где Gн— масса наплавленного металла (г) при силе сварочного тока Iсв (А) за время горения дуги t (ч).
Часто производительность наплавки оценивают массой металла, наплавленного в единицу времени:
Потери электродного металла при сварке на угар и разбрызгивание учитываются коэффициентом потерь ψ:
Он выражает отношение потерь металла к массе расплавленного электродного металла.
Для электродов и порошковых проволок, содержащих в покрытии дополнительный металл,
Рассмотренные характеристики электродов используют для нормирования сварочных работ и расхода электродов. Например, если известны площадь наплавленного металла Fн и длина шва lш, то масса наплавленного металла шва
где ρ — плотность металла (для большинства сталей ρ = 7,8 г/см3).
По паспорту выбранной марки электродов для соответствующего диаметра электрода и пространственного положения сварки определяют Iсв и коэффициенты αр, αн и ψ. Основное время сварки определяют по формуле
Массу электродов, необходимую для сварки данного шва, определяют по формуле
где Кр — коэффициент расхода электродов на 1 кг наплавленного металла шва. Значение его приводят в паспорте конкретной марки электродов (обычно Кр=1,4…1,9).
По форме сопряжения соединяемых деталей различают следующие типы сварных соединений: стыковое, угловое, тавровое, нахлесточное и торцовое. Применяют также соединения нахлесточные с точечными или пробочными и прорезными швами, выполненными дуговой сваркой.
Стыковое соединение (рис. 1, а) представляет собой сварное соединение двух деталей, расположенных в одной плоскости и примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Оно наиболее распространено в сварных конструкциях, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими видами соединений.
Нахлесточное соединение представляет собой сварное соединение, в котором соединяемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга (рис. 1, б).
Торцовое соединение — это соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу (рис. 1, в).
Угловое соединение представляет собой сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу и сваренных в месте примыкания их кромок (рис. 1, г).
Тавровое соединение (рис. 1, д) — это соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент. Как правило, угол между элементами прямой.
Сварные швы.
В зависимости от типов сварных соединений различают стыковые, угловые, точечные и прорезные сварные швы.
Стыковые швы выполняют при сварке стыковых соединений, угловые — при сварке угловых, тавровых и нахлесточных соединений, точечные и прорезные — в тавровых и нахлесточных соединениях.
По форме поперечного сечения сварные швы бывают стандартные, выпуклые и вогнутые (рис. 2).
По числу слоев сварные швы могут быть однослойными и многослойными (рис. 3).
Слой — это часть металла сварного шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва.
Валик — это металл шва, наплавленный или переплавленный за один проход.
Часть сварного шва, наиболее удаленную от его лицевой поверхности, называют корнем шва.
В зависимости от расположения швовв конструкции сварку выполняют в разных пространственных положениях, основными из которых являются: нижнее, горизонтальное, вертикальное и потолочное (рис. 4).
По характеру выполнения различают одно- и двусторонние швы, выполняемые как на весу, так и на различного рода подкладках и флюсовых подушках.
Часть двустороннего шва, выполняемую предварительно для предотвращения прожогов при последующей сварке или накладываемую в последнюю очередь в корень шва для обеспечения высокого качества шва, называют подварочным швом.
По условиям работы швы подразделяют на рабочие, воспринимающие внешние нагрузки, и связующие (соединительные), предназначенные только для скрепления частей изделия и не рассчитанные на восприятие внешних нагрузок.
Изображения и обозначения швов сварных соединений на чертежах изделий должны соответствовать Единой системе конструкторской документации (ЕСКД). Независимо от вида сварки видимый шов сварного соединения условно изображают сплошной основной линией, а невидимый — штриховой. Обозначение шва отмечают линией-выноской, заканчивающейся односторонней стрелкой. Характеристика шва, расположенного на лицевой стороне листа (видимый шов), проставляется над полкой линии-выноски, а под полкой —для шва на обратной стороне листа (невидимый шов). Структура условного обозначения стандартного шва приведена на рисунке 5.
Ниже перечислены основные стандарты на виды и конструктивные элементы швов сварных соединений для различных видов сварки:
ГОСТ 5264-80 «Ручная дуговая сварка. Соединения сварные»;
ГОСТ 8713-79 «Сварка под флюсом. Соединения сварные»;
ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные»;
ГОСТ 15164-78 «Электрошлаковая сварка. Соединения сварные»;
ГОСТ 16098-80 «Соединения сварные из двухслойной коррозионно-стойкой стали»;
ГОСТ 16038-80 «Швы сварных соединений трубопроводов из меди и медно- никелевого сплава»;
ГОСТ 11533-75 «Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом. Соединения сварные под острыми и тупыми углами»;
ГОСТ 27580-88 «Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов. Соединения сварные под острыми и тупыми углами».
Этими стандартами в зависимости от толщины металла устанавливаются формы поперечного сечения сварного шва и размеры конструктивных элементов подготовленных кромок и выполненных швов, которым присваивают условные буквенно-цифровые обозначения.
Буквенная часть указывает на вид сварного соединения: С — стыковое; У — угловое; Т — тавровое; Н — нахлесточное. Цифры являются порядковым номером типа шва в данном конкретном стандарте.
Условные обозначения основных способов сварки следующие: Р — ручная дуговая сварка (штучным электродом); ЭЛ — электроннолучевая сварка; Ф — дуговая сварка под слоем флюса; ПЛ — плазменная и микроплазменная сварка; УП — сварка в активном газе (или смеси активного и инертного газов) плавящимся электродом; ИП — сварка в инертном газе плавящимся электродом; ИН — сварка в инертном газе неплавящимся электродом; Г — газовая сварка.
Сварные швы подразделяются также по положению в пространстве (рис. 6).
По протяженности различают швы непрерывные (сплошные) и прерывистые. Непрерывный шов — это сварной шов без промежутков по длине, прерывистый шов имеет промежутки по длине. Прерывистые швы могут быть цепными или шахматными (рис. 7, а).
По отношению к направлению действующих усилий швы подразделяют на: продольные, поперечные, комбинированные и косые (рис. 7, б).
Для обозначения сварных швов используют также вспомогательные знаки (табл. 1). Все элементы условного обозначения располагаются в указанной последовательности и отделяются друг от друга дефисом. Буквенные обозначения способа сварки необходимо проставлять на чертеже только в случае применения в данном изделии нескольких видов сварки. Можно не указывать на полке мини-выноски обозначения стандарта, если все швы в изделии выполняются по одному стандарту. В этом случае следует сделать соответствующее указание в примечаниях на чертеже.
Примеры условного обозначения сварных швов приведены в таблице 2.
Конструктивные элементы сварных соединений.
Торцовые поверхности деталей, подлежащие нагреву и расплавлению при сварке, называют свариваемыми кромками. Для обеспечения проплавления кромок в зависимости от толщины основного металла и способа сварки им придают оптимальную форму, предварительно подготавливая кромки.
При сварке тонкостенных деталей применяют отбортовку кромок. Для толстостенных деталей осуществляют разделку кромок, подлежащих сварке, в виде их наклонного прямолинейного или криволинейного скоса.
На рисунке 8 приведены применяемые формы кромок для различных типов сварных соединений. Основными геометрическими параметрами кромок и соединений, подготовленных и собранных под сварку, являются угол скоса и угол разделки кромок, притупление кромок, зазор, высота отбортовки и радиус закруглений.
Углом скоса кромки называют острый угол в между плоскостью скоса кромки и плоскостью торца, угол а между скошенными кромками свариваемых частей — углом разделки.
Притуплением кромок называют длину с нескошенной части торца кромки, подлежащей сварке. При одностороннем и двустороннем скосе кромок острый край притупляют для правильного формирования шва и предотвращения образования прожогов.
Зазор — кратчайшее расстояние b между кромками собранных для сварки деталей. Зазор при сборке под сварку определяется толщиной и химическим составом свариваемых сплавов, способом сварки, конструкцией соединяемых деталей и типом соединения.
От типа и угла разделки кромок зависит количество необходимого электродного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. Двусторонний скос кромок, по сравнению с односторонним, позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6-1,7 раза. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую величину деформаций после сварки.
Этот вид сварки плавлением включает в себя те ее способы, при осуществлении которых источником нагрева является сварочная дуга, представляющая собой устойчивый электрический разряд, происходящий в газовой среде между двумя электродами или электродом и деталью.
При горении дуги и плавлении свариваемого и электродного металлов необходима защита сварочной ванны от воздействия атмосферных газов — кислорода, азота и водорода, так как они растворяются в жидком металле и ухудшают качество металла шва.
В соответствии с техническими признаками классификации сварочных процессов по способу защитысвариваемого металла и сварочной ванны от окружающей среды наиболее распространены дуговая сварка в защитном газе, под флюсом и с комбинированной защитой.
По технологическим признакам классификации в основном различают дуговую сварку плавящимся и неплавящимся электродами. Плавящимися электродами являются штучные электроды, металлические проволоки и стержни из сталей, сплавов алюминия, титана, никеля, меди и других металлов; неплавящимися — угольные, графитовые и вольфрамовые стержни и другие тугоплавкие металлы.
По степени механизации процесса наиболее распространены ручная, механизированная и автоматическая дуговая сварка.
Ниже приведены краткие описания и характеристики основных способов дуговой сварки.
Ручная дуговая сварка.
Дуговая сварка, при которой возбуждение дуги, подача электрода и его перемещение проводятся вручную. Сварку выполняют штучными покрытыми электродами. Покрытый электрод представляет собой металлический стержень с нанесенным на его поверхность покрытием (обмазкой). Сварной шов образуется за счет расплавления металла свариваемых кромок и плавления стержня сварочного электрода.
Дуговая сварка под флюсом.
Дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса. Под воздействием теплоты в зоне горения дуги плавятся кромки основного металла, электродная проволока и часть флюса. Подача проволоки в зону горения дуги механизирована, а перемещение дуги по свариваемым деталям выполняется вручную или специальными механизмами.
Дуговая сварка в защитных газах.
Дуговая сварка, при которой дуга и расплавленный металл, а в некоторых случаях и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств. При этом можно использовать как неплавящийся, так и плавящийся электроды, а процесс выполнять ручным, механизированным или автоматическим способом.
Плазменная сварка.
Сварка плавлением, при которой нагрев проводится сжатой дугой. В результате получают высокотемпературный ионизированный газ, называемый плазмой. Температура плазменной струи значительно выше, чем у обычной сварочной дуги. В качестве плазмообразующего газа чаще всего используют аргон, гелий или азот.
Электрошлаковая сварка.
Этот процесс сварки осуществляют без дугового разряда. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используется теплота, выделяющаяся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводящий шлак (флюс). Для формирования шва устанавливают медные ползуны (кристаллизаторы), охлаждаемые водой.
В соответствии с технологическими признаками классификации по виду электрода различают электрошлаковую сварку проволочным, пластинчатым электродом и плавящимся мундштуком; по наличию колебаний электрода — без колебаний и с колебаниями электрода; по числу электродов — одноэлектродную, двухэлектродную и многоэлектродную.
Электронно-лучевая сварка.
Сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия сфокусированного потока электронов, движущихся с высокими скоростями в специальной камере в глубоком вакууме. В соответствии с технологическими признаками классификации различают сварку без колебаний и с колебаниями электронного луча.
Лазерная сварка.
В соответствии с технологическими признаками классификации по виду источников энергии относится к световой сварке в числе других (солнечная и искусственными источниками света). Это сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера (название по первым буквам английской фразы, которая в переводе означает: усиление света посредством стимулированного излучения), ее можно выполнять на воздухе, в аргоне, гелии или углекислом газе.
Газовая сварка.
Сварка плавлением, при которой для нагрева используют тепло пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки. Плавление свариваемого и присадочного металлов осуществляется высокотемпературным газокислородным пламенем. В качестве горючего для сгорания в кислороде применяют ацетилен, водород, пропан-бутановую смесь, пары керосина, бензина, природный, светильный, нефтяной, коксовый и другие газы.
Термитная сварка.
Свариваемые детали помещают в огнеупорную форму, а в установленный сверху тигель засыпают термит — порошкообразную смесь алюминия с железной окалиной. При горении термитной смеси развивается высокая температура (более 2000°С), образуется жидкий металл, который при заполнении формы оплавляет кромки свариваемых изделий, заполняет зазор, образуя сварной шов.
Конструкции сложной формы, как правило, получают в результате объединения друг с другом отдельных элементов (детали, сборочные узлы) с помощью разъемных или неразъемных соединений.
ГОСТ 2601-84 «Сварка металлов. Термины и определения основных понятий» устанавливает ряд терминов и определений основных понятий при сварке металлов для сварных соединений и швов.
Сварной конструкцией называют металлическую конструкцию, изготовленную сваркой отдельных деталей. Часть такой конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы, называют сварным узлом.
Сварка — процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их местном или общем нагревании, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.
Сварные соединения — неразъемные соединения, выполненные сваркой. В сварное соединение входят сварной шов, прилегающая к нему зона основного металла, в которой в результате теплового воздействия сварки произошли структурные и другие изменения (зона термического влияния), и примыкающие к ней участки основного металла.
Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.
Основной металл — металл подвергающихся сварке соединяемых частей.
Зона термического влияния при сварке — участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке.
Сварочная ванна — это часть металла свариваемого шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком состоянии.
Углубление, образующееся в конце валика под действием давления дуги и объемной усадки металла шва, называют кратером.
Металл для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному металлу называют присадочным металлом.
Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным металлом.
Сплав, образованный переплавленным основным или переплавленным основным и наплавленным металлами, называют металлом шва.
Классификация видов сварки.
Для получения сварного соединения и образования межатомных связей атомы соединяемых деталей получают некоторую дополнительную энергию, необходимую для преодоления существующего между ними энергетического барьера, называемую энергией активации. При сварке ее вводят в зону соединения извне путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация).
В зависимости от характера активации при выполнении соединений различают два основных вида сварки — плавлением и давлением.
При сварке плавлением детали по соединяемым кромкам оплавляются под действием внешнего источника теплоты. Расплавленный металл, сливаясь в общий объем, образует жидкую сварочную ванну. При ее охлаждении жидкий металл затвердевает и образует сварной шов. Шов может быть образован за счет расплавления металла только свариваемых кромок или металла кромок и присадки, дополнительно вводимой в сварочную ванну.
При сварке давлением осуществляют совместное пластическое деформирование материала по кромкам свариваемых деталей. Благодаря пластической деформации облегчается установление межатомных связей соединяемых частей. Для ускорения процесса применяют сварку давлением с нагревом. При некоторых способах сварки давлением нагрев осуществляют до оплавления металла свариваемых поверхностей или промежуточных вспомогательных прокладок, а воздействие давления возможно в непрерывном или прерывистом режимах.
В настоящее время существует более 150 сварочных процессов, которые в соответствии с ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация» классифицируют по физическим, техническим и технологическим признакам.
Физическими признаками являются форма энергии и вид источника энергии, непосредственно применяемого для получения сварного соединения.
Все сварочные процессы по форме энергии относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому.
Термический класс включает в себя виды сварки плавлением (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая, термитная и др.), осуществляемой с использованием различных источников тепловой энергии.
Термомеханический класс — виды сварки (контактная, диффузионная, газо- и дугопрессовая, индукционнопрессовая, печная и др.), осуществляемой с применением источников тепловой энергии и давления.
Механический класс — виды сварки давлением (холодная, ультразвуковая, магнитоимпульсная, сварка трением и взрывом), осуществляемой с использованием источников механической энергии и давления.
Техническими признаками классификации сварочных процессов являются способы защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень его механизации (рис. 1).
Технологические признаки классификации устанавливаются для каждого вида сварки отдельно. Например, дуговая сварка может отличаться по виду электрода и дуги, роду и полярности тока, количеству электродов и наличию внешнего воздействию на формирование шва.
Сварка — процесс соединения металлических деталей с использованием сил молекулярного сцепления, происходящий при сильном местном нагреве соединяемых деталей до расплавления (сварка плавлением) или пластического состояния с одновременным применением механического воздействия (сварка давлением).
Сварные соединения, широко применяемые в машиностроении, обеспечивают:
существенную экономию металла;
значительное снижение трудоемкости изготовления корпусных деталей;
возможность изготовления конструкций сложной формы из отдельных деталей, полученных ковкой, штамповкой, прокаткой.
Сварные швы и разделка кромок.
Сварные швы классифицируют в зависимости от взаимного расположения соединяемых деталей на стыковые, нахлесточные, с накладками, угловые и тавровые (рис. 1).
Стыковые швы подразделяют в зависимости от формы разделки кромок на V-, Х-, К-образные (рис. 2).
Угловые и тавровые швыразличают в зависимости от формы подготовки кромок: без скоса кромок, со скосом одной кромки, со скосом двух кромок (см. рис. 1, г и д).
Оборудование для разделки кромок, зачистки швов и отделки сварных соединений.
Наиболее широко для этих целей применяют ручной механизированный инструмент. По виду привода различают пневматический и электрический ручной инструмент.
Прямая пневматическая шлифовальная машина, у которой ось шпинделя соосна с валом двигателя (рис. 3), состоит из корпуса 3 с вмонтированным в него ротационным двигателем, рукоятки 5 с пусковым механизмом и плоского шлифовального круга 6, расположенного на шпинделе 1 и закрытого кожухом 2. Пуск машины осуществляется нажатием на курок 4 пускового механизма.
Угловая шлифовальная машина отличается от описанной тем, что ее шпиндель расположен под углом 90° к основной рукоятке.
Торцевая шлифовальная машина оснащена чашечными шлифовальными кругами и работает торцом круга.
Зачистные пневматические машины аналогичны шлифовальным, но в них вместо шлифовальных кругов устанавливают щетки из пружинной проволоки.
Ручной пневматический молоток (рис. 4) применяют для зачистки сварных швов и примыкающей к ним зоны основного металла соединений от шлака и брызг расплавленного металла. Он состоит из ствола 8, ударника 7, воздухораспределительного устройства 5 с золотником 6 и пускового устройства 3 с рукояткой 1. В корпус устройства вмонтированы клапан 4 и штуцер 2, в конце ствола запрессована концевая втулка 10, в которую входит хвостовик 9 зубила.
Оборудование и приспособления для сборки частей изделия перед сваркой.
Сборочные приспособления обеспечивают правильную взаимную установку и закрепление составляющих частей сварного соединения. Эти приспособления могут быть как переносными, так и стационарными.
Переносные сборочные приспособления применяют, как правило, в условиях единичного и мелкосерийного производства. К ним относятся струбцины, стяжки, распорки, винтовые домкраты, электромагнитные фиксаторы.
Струбцины (рис. 5, а) используют для соединения двух и более частей собираемого изделия между собой или для их установки и закрепления в определенном положении.
Стяжки (рис. 5, б) обеспечивают правильное расположение кромок соединяемых частей изделия. Стяжка состоит из двух винтовых струбцин 1 и 3, соединенных винтами 2 и 4. Струбцины закрепляют на кромках соединяемых частей изделия и выравнивают их взаимное положение винтом 4, а винтом 2 стягивают части изделия для обеспечения необходимого при сварке зазора.
Электромагнитные фиксаторы (рис. 5, в и г) применяют для выравнивания кромок при стыковой сварке и фиксации зазоров между кромками свариваемых частей изделия.
Стационарные сборочные приспособления применяют для установки свариваемых изделий в положение, удобное для сварки. Наиболее часто для этих целей применяют сварочный манипулятор.
Сварочный манипулятор (рис. 5, д—ж) состоит из корпуса 7, установленного на опоре 8, поворотного стола 5 с планшайбой 6 и механизма вращения. Кинематические схемы механизмов вращения и наклона манипулятора показаны на рис. 5, е и ж.