Ручная дуговая сварка.

Ручная дуговая сварка — дуговая сварка, при которой воз­буждение дуги, подача электрода и его перемещение производятся вручную. В процессе сварки электрод перемещают по направлению к изделию по мере плавления электрода, вдоль соединяемых кромок и поперек соединения (по­перечные колебания) для получения необходимых формы и сечения шва.

Это наиболее универсальный способ, который позволяет без замены сва­рочного инструмента и оборудования (при правильно выбранном сварочном режиме) выполнять швы различных типов в любом пространственном положе­нии в цеховых и монтажных условиях. Покрытыми электродами сваривают черные и цветные металлы и различные сплавы и выполняют наплавку слоев с особыми свойствами. Для возбуждения и стабильного горения дуги использу­ют специальные источники постоянного или переменного тока с крутопадаю­щей внешней вольт-амперной характеристикой.

Сущность процесса ручной дуговой сварки.

Возбуждение (зажигание) дуги происходит при кратковре­менном замыкании электрической сварочной цепи между изделием и концом электрода и быстром отводе электрода на расстояние 2…4 мм, в результате чего в парогазовом промежутке возникает дуговой разряд (рис. 1). Теплота, вы­деляющаяся в дуговом разряде, обеспечивает плавление стержня и покрытия электрода и металла соединяемых деталей.

При плавлении стержня капли жидкого электродного металла проходят через дуговой промежуток. Перенос электродного металла происходит в боль­шинстве случаев без коротких замыканий. Размер капель и частота переноса определяются параметрами режима. С ростом сварочного тока диаметр капель уменьшается, а частота переноса увеличивается. С повышением напряжения на дуге диаметр капель увеличивается. При этом снижается частота переноса и растет время пребывания капель на торце электрода, где возможно их взаи­модействие с атмосферой, что обусловливает повышенное выгорание легирую­щих элементов.

Расплавляющееся покрытие образует шлак и газы. Шлак обволакива­ет капли электродного металла, но не полностью предохраняет металл от взаимодействия с атмосферой, поэтому необходима и газовая защита. С этой целью в электродные покрытия вводят газообразующие компоненты. Основной и электродный металлы расплавляются, образуя сварочную ван­ну. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно не превышают следующих значений: по глубине проплавления — 7 мм, по ширине — 15 мм и по длине — 30 мм. Шлак с каплями электродного металла попадает в свароч­ную ванну и всплывает на ее поверхность. По мере удаления дуги расплавленный металл сварочной ванны охлаждается и затвердевает, образуя сварной шов. Жидкий шлак, покрывающий ванну, также затвердевает и на поверхности шва появляется твердая шлаковая кор­ка, удаляемая после сварки.

Таким образом, покрытие электрода обеспечивает газошлаковую защиту металла сварного соединения от взаимодействия с воздухом и металлургиче­скую обработку металла в ванне. Основными преимуществами способа являются универсальность и просто­та оборудования. Недостаток — невысокая производительность и применение ручного труда. Невысокая производительность обусловлена малыми допусти­мыми значениями плотности тока, а также тем, что металл шва формируется в основном за счет электродного металла.

Ограничение плотности тока вызвано низкой допустимой температурой на­грева электрода проходящим сварочным током, которая для покрытий с боль­шим содержанием органических веществ не превышает 200°С, а для покрытий основного типа — не более 700°С. При большой силе тока наблюдается перегрев электрода. В результате ухудшаются защитные свойства покрытия, наблюда­ется его осыпание со стержня, нарушается стабильность плавления электрода.

Формирование шва в основном за счет электродного металла объясняется невысокой глубиной проплавления при сварке. Доля участия основного метал­ла в формировании шва обычно не более 35%. В этих условиях определяющим в производительности процесса становится коэффициент наплавки, значение которого зависит от физико-химических свойств покрытия, рода тока и его полярности, состава электрода, режима сварки и изменяется обычно в пределах 8…12 г/А⸳ч.

При расчете количества электродов, расходуемых на сварку данного шва, исходят из коэффициента расплавления электрода, который больше коэффици­ента наплавки на количество электродного металла, теряемого на разбрызгива­ние и испарение и определяемого коэффициентом потерь. Величина коэффици­ента потерь изменяется в пределах от 5 до 15% в зависимости от плотности тока в электроде, состава покрытия и режима сварки. Если учесть, что при сварке покрытыми электродами до 15% длины стержня электрода теряется в виде неиспользуемых отходов (огарков), то общие потери электродного металла на угар, разбрызгивание и огарки могут быть до 30%.

Основные параметры режимов при ручной дуговой сварке.

Под режимом сварки понимают совокупность контролируе­мых параметров, при которой обеспечивается устойчивое горение дуги и по­лучение швов заданных размеров, формы и свойств. Параметры режима под­разделяют на основные и дополнительные. К основным параметрам относят диаметр электрода, силу сварочного тока, род и полярность его, напряжение дуги. К дополнительным параметрам — наклон и поперечные колебания элек­трода, положение шва в пространстве, число проходов.

Диаметр электродов выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве. Примерное соотношение между толщи­ной металла S и диаметром электрода d при сварке шва в нижнем положении следующее:

S, мм	1…2	3…5	4…10	12…24	30…60
d, мм	2…3	3…4	4…5	5…6	6 и более

Выполнение вертикальных, горизонтальных и потолочных швов независи­мо от толщины свариваемого металла производится электродами небольшого диаметра (до 4 мм), так как при этом меньше стекание жидкого металла и шла­ка из сварочной ванны. При сварке многослойных швов для лучшего провара корня шва первый шов сваривают электродом диаметром 3…4 мм, а последую­щие — электродами большего диаметра.

Сила сварочного тока обычно устанавливается в зависимости от выбранно­го диаметра электрода. При сварке швов в нижнем положении величину тока подсчитывают, пользуясь эмпирическими формулами:

I_св = Kd или I_св = (20 + 6d)d,

где d — диаметр электрода, мм; K — коэффициент, зависящий от диаметра электрода и имеющий следующие значения:

d, мм	2	3	4	5	6
К	25…30	30…45	35…50	40…45	45…60

При сварке на вертикальной плоскости силу тока уменьшают на 10…15%, а в потолочном положении — на 15…20% против значения, выбранного для нижнего положения.

Род тока и полярность устанавливают в зависимости от вида электродного покрытия, состава свариваемого металла и его толщины. При сварке посто­янным током обратной полярности на электроде выделяется больше теплоты. Поэтому обратная полярность применяется при сварке тонких деталей с целью предотвращения прожога, при сварке легированных сталей во избежание их перегрева и при сварке электродами с основным покрытием, когда требует­ся повышенное выделение теплоты на электроде для плавления тугоплавких компонентов покрытия. Переменный ток можно использовать при сварке углеродистых сталей электродами с кислыми, рутиловыми и целлюлозными покрытиями.

Напряжение дуги при ручной дуговой сварке устанавливается в пределах 20…36 В и регламентируется производителем электродов. Число проходов определяют, учитывая, что площадь поперечного сечения металла, наплавляе­мого за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия фор­мирования, должна составлять: для первого прохода (при сварке корня шва F₁ = (6…8) d) ; для последующих проходов F_n = (6…8) d, но не более 40 мм².

Технология сварки различных типов соединений и швов ручной дуговой сваркой.

Подготовка и сборка сварных соединений перед ручной дуговой сваркой.

Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах, выполняемых ручной ду­говой сваркой, установлены ГОСТ 5264-80. В нем предусмотрено четыре типа соединений в зависимости от толщины свариваемых деталей.

По форме подготовленных кромок соединения бывают с отбортовкой кро­мок, без скоса кромок и со скосом кромок — одной или двух. Выполнять швы можно как с одной стороны соединений (односторонние), так и с двух сторон (двусторонние).

При расположении свариваемых деталей под углом основные типы, конструктивные элементы и размеры швов сварных соединений установлены ГОСТ 11534-75, которым предусмотрены формы подготовки кромок и размеры выполнения швов угловых и тавровых соединений.

От состояния поверхности свариваемых кромок в значительной мере за­висит качество сварных швов. Подготовка кромок под сварку состоит в тща­тельной очистке их от ржавчины, окалины, грязи, масла и других инородных покрытий. Кромки очищают стальными вращающимися щетками, гидропескоструйным и дробеметным способами, шлифовальными кругами, пламенем сварочной горелки, травлением в растворах кислот и щелочей.

Подготовленные детали собирают под сварку. При сборке важно выдер­жать необходимые зазоры и совмещение кромок. Точность сборки проверяют шаблонами, измерительными линейками и различного рода щупами. Сборку выполняют в специальных приспособлениях или на выверенных стеллажах. Временное закрепление деталей производят струбцинами, скобами или прихваткой короткими швами. Количество прихваток и их размер определяются технологической документацией.

Общие технические приемы при ручной дуговой сварке.

Технология ручной дуговой сварки предусматривает выполнение следующих операций: возбуждение дуги, перемещение электрода в процессе сварки, выполнение швов в опреде­ленном порядке в зависимости от особенностей сварных соединений и завар­ка кратера.

Для образования заданных размеров сварного шва и требуемой формы проплавления электроду придается сложное движение в трех направлениях.

Первое движение — это движение электрода в направлении оси со скоро­стью его плавления для поддержания определенной длины дуги, которая зави­сит от марки и диаметра электрода и ориентировочно должна быть в пределах

L_д = (0,5…1,1) d,

где L_д — длина дуги, мм; d — диаметр электрода, мм.

Длинная дуга способствует более интенсивному окислению и азотированию расплавляемого металла, что приводит к пористости металла шва, и увеличи­вает разбрызгивание.

Второе движение электрода направлено вдоль оси шва и производится со скоростью сварки.

В результате этих двух движений образуется узкий шов шириной не бо­лее 1,5 диаметра электрода. Такими швами сваривают тонкий металл, а также корень шва при многослойной (многопроходной) сварке.

Третье движение — это колебание конца электрода поперек оси шва, ко­торое необходимо для образования валика определенной ширины, хорошего провара кромок и замедления остывания сварочной ванны. Колебательные движения электрода поперек оси шва (рис. 2) могут быть различными — в за­висимости от формы, размеров и положения шва в пространстве. При сварке с поперечными колебаниями ширина валика может составлять (2…4)d, а фор­ма проплавления зависит от траектории движения и изменяется в поперечном сечении шва в соответствии с количеством теплоты, вводимой в основной ме­талл, обратно пропорциональным скорости перемещения конца электрода.

Заканчивают сварку заваркой кратера, который образуется в шве при об­рыве дуги и является местом скопления неметаллических включений и зарож­дения трещин. Для этого электрод держат неподвижно до естественного обры­ва дуги или укорачивают дугу вплоть до частых коротких замыканий, после чего ее резко обрывают. При перерывах в процессе сварки, например при смене электрода, следует переплавить застывший металл кратера и только после это­го продолжить процесс.

Техника выполнения стыковых и угловых швов при ручной дуговой сварке.

Стыковые соединения без скоса кромок, со скосом одной или двух кромок сваривают однослойными или многослойными (многопроходны­ми) швами с одной стороны или с двух сторон стыка. Сварку выполняют на весу, на остающейся стальной подкладке или с предварительной подваркой корня шва (рис. 3). Первый слой и подварку корня шва выполняют электродом диа­метром 3…4 мм.

В ответственных конструкциях при односторонней сварке на весу корень шва удаляют механической обработкой или газовой поверхностной строжкой, а затем накладывают подварочный шов.

Угловые швы применяют при сварке угловых, тавровых и нахлесточных соединений. Сварка угловых швов в ниж­нем положении может производиться вертикальным электродом «в лодочку» или наклонным электродом (рис. 4).

Сварка угловых швов «в лодочку» обеспечивает требуемое формирование шва и хороший провар корня и стенок без опасности образования подрезов, а также имеется возможность выполнять за один проход швы большого сече­ния. Однако при катете более 12 мм рекомендуют применять многослойные швы и собирать детали с минимальным зазором для предупреждения вытека­ния металла сварочной ванны.

При сварке угловых швов наклонным электродом, возможно образование подрезов на вертикальной полке, а также неполное проплавление корня шва или кромки горизонтальной детали, поэтому при катете более 8 мм сварку ве­дут многопроходным швом (рис. 5). Для лучшего провара корня шва первый слой выполняют узким швом электродом диаметром 3…4 мм без колебатель­ных движений.

Техника сварки металла различной толщины при ручной дуговой сварке.

При сварке листов толщиной 0,5…3 мм возможно сквозное проплавление металла (прожог), поэтому применяют малые токи, отбортовку кромок, теплоотводящие или остающиеся подкладки.

Сварку с отбортовкой кромок выполняют на постоянном токе, часто на спуск в полувертикальном положении (45…65°).

При использовании временных теплоотводящих подкладок (массивных медных и бронзовых плит или брусков) сборку осуществляют без зазора, обе­спечивая плотное прилегание свариваемых листов к подкладке.

Остающиеся подкладки применяют при сварке встык. Сварку ведут с проплавлением элементов из тонколистового металла и приваркой их к подкладке.

С увеличением толщины металла в сварных соединениях возрастают объ­емные сварочные напряжения, которые создают опасность возникновения и развития в швах трещин, поэтому сварку толстолистовых конструкций ведут различными способами (рис. 6).

Металл толщиной 15…20 мм сваривают способом двойного слоя. На участ­ке I (рис. 6, а) длиной 250…300 мм, наплавляют первый слой шва, счищают с него шлак и по горячему металлу первого слоя (не ниже 150…200 °С) накла­дывают второй слой.

Металл толщиной 20…25 мм и более сваривают блоками или каскадом. Свар­ку блоками (рис. 6, б) выполняют отдельными участками, а промежутки между ними заполняют до того, как будет завершена сварка всего шва. При сварке ка­скадом (рис. 6, в) каждый последующий участок многослойного шва перекры­вает весь предыдущий участок или его часть. При V-образной подготовке кромок длина участка — 300…400 мм, а при Х-образной подготовке — 500…800 мм.

Металл толщиной 30 мм и более часто сваривают одновременно два сварщи­ка, находящихся с противоположных сторон соединения.

Сварка швов различной протяженности при ручной дуговой сварке.

В зависимости от длины швы раз­деляют на короткие (300…350 мм), средние (350…1000 мм) и длинные (свыше 1000 мм).

Короткие швы сваривают от одного конца шва к другому (напроход); швы средней длины — от середины соединения к концам; длинные швы — обрат­ноступенчатым способом, при котором сварной шов выполняется следующими один за другим участками в направлении, обратном приращению шва (рис. 7). Длина ступени (участка) —100…350 мм, причем ступени более длинные при сварке толстого металла. При выполнении многослойных швов также исполь­зуется обратноступенчатый способ, при этом смежные участки вышележащих слоев сваривают в направлении, обратном сварке нижележащих швов. Концы швов смежных участков должны быть смещены на 25…30 мм.

Особенности сварки в различных пространственных положениях при ручной дуговой сварке.

В зави­симости от положения в пространстве существенно изменяются условия фор­мирования шва, поэтому для получения заданной формы шва необходимо назначать соответствующие режим и технику сварки (табл. 1).

Нижнее положение является наиболее удобным для сварки, так как капли электродного металла легко переходят в сварочную ванну под действием собственного веса, и жидкий металл не вытекает из нее. Кроме того, наблюдение за сваркой в нижнем положении более удобно. В процессе сварки электрод наклоняют по направлению сварки на угол 10-20° (рис. 8, а — б).

В вертикальном положении расплавленный металл сварочной ванны стре­мится стечь вниз, поэтому вертикальные швы выполняют короткой дугой при переносе электродного металла с короткими замыканиями дугового промежут­ка. Вертикальные швы выполняют как снизу вверх, так и сверху вниз (рис. 8, в).

В первом случае застывший металл шва удерживает сварочную ванну. Для полного предотвращения вытекания жидкого металла ванны осуществляют поперечные движения электродом, которые позволяют управлять тепловым потоком и получать валик увеличенной ширины, равной 2-3 диаметрам элек­трода, что обеспечивает быстрое затвердевание жидкого металла.

Сварку сверху вниз применяют при малой толщине металла или при вы­полнении первого слоя многослойного шва. В этом случае подтекающий под дугу жидкий металл уменьшает возможность образования сквозных прожогов. Для улучшения условий формирования шва амплитуда колебаний электрода должна быть небольшой, а дуга очень короткой.

В горизонтальном положении для предупреждения стекания жидкого ме­талла ванны скос кромок стыковых соединений делают на одной верхней де­тали (рис. 8, д). В нахлесточных соединениях удержанию расплавленного металла способствует горизонтальная кромка нижнего листа. Колебательные движения электродом совершают по спирали.

В потолочном положении (рис. 8, г) сила тяжести препятствует переносу электродного металла и вызывает стекание расплавленного металла, поэтому объем сварочной ванны должен быть небольшим. Это достигают применением электродов малого диаметра (3…4 мм) и небольших сварочных токов. Основ­ным условием получения качественного шва является поддержание короткой дуги путем периодических замыканий электрода с ванной жидкого металла. Одновременно электроду сообщают поперечные колебательные движения.

Повышение производительности ручной сварки.

Существует три основных направления повышения произ­водительности: во-первых, за счет увеличения коэффициента наплавки, во-вторых, за счет большей доли участия основного металла в формировании шва и, в-третьих, при использовании специальных методов сварки покрытыми электродами.

Введение в состав покрытия железного порошка приводит к повышению коэффициента наплавки до 18 г/А-ч. В этом случае в образовании шва прини­мает участие не только металл электродного стержня, но и металл, вводимый в состав покрытия. Например, при увеличении в рутиловом покрытии электро­дов содержания железного порошка с 20% до 50…60% производительность сварки в нижнем положении возрастает примерно в 1,5…2 раза.

Сварка с глубоким проплавлением позволяет увеличивать долю участия основного металла в металле шва, чем и обеспечивается повышение произво­дительности. При этом способе сварку ведут, опираясь покрытием электрода на кромки свариваемого металла. Используют электроды с повышенной тол­щиной покрытия при массе покрытия 60…80% массы стержня и отношении диаметра электрода к диаметру стержня 1,5…1,6. Таким способом удается вы­полнять одностороннюю сварку встык без разделки кромок стальных листов толщиной 8…10 мм и двустороннюю сварку листов толщиной 16…18 мм.

Сварка наклонным электродом (рис. 9, а) позволяет повысить произво­дительность труда в 2,5…3 раза за счет одновременного обслуживания одним сварщиком до 3…4 постов. При этом способе используют приспособление, со­стоящее из штанги, электрически изолированной от свариваемого металла, и обоймы, к которой подводят ток от источника питания сварочной дуги. Для фиксирования штанги на изделии используют струбцины или постоянные маг­ниты. Плавящийся покрытый электрод устанавливают наклонно, опирают на изделие и закрепляют в обойме, которая во время плавления электрода сколь­зит под действием силы тяжести по штанге, при этом дуга перемещается вдоль свариваемых кромок, образуя шов. Этим способом можно выполнять стыковые и угловые швы.

Для сварки используют специальные электроды, которые при диаметрах 4…8 мм имеют длину 450…1000 мм, а при диаметрах 6…10 мм — длину 700…1200 мм. Сварочный ток подбирают из расчета

I_св = (40…45)d, А.

Сварка лежачим электродом также позволяет обслуживать одновремен­но несколько постов. При этом способе специальный покрытый плавящийся электрод укладывают вдоль свариваемых кромок (рис. 9, б — в). При диаметрах электродов 4 и 8 мм толщина покрытия составляет соответственно 1,5 и 3 мм, а длина электродов — 700 и 900 мм.

Многослойную сварку выполняют, укладывая три или более электродов в разделку кромок стыка или в угол таврового соединения при положении «в лодочку». Ток к электродам подается от нескольких источников.