Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Анализ характеристик наплавочных электродов.

Цель:Изучить принципы классификации сварочных материалов (на примере классификации сварочных электродов). Получить практические навыки расчёта технологических характеристик электродов.

Задание:Экспериментальным путём определить технологические характеристики сварочных электродов при ручной дуговой сварке/наплавке металла.

По полученным экспериментальным данным произвести расчёты расхода электродов, электроэнергии и норм времени при сварке (наплавке) изделия

Общие сведения.

Штучные покрытые сварочные электроды предназначены для ручной дуговой сварки. Они изготавливаются из отрезков сварочной проволоки (стержней) длиной 250-450 мм, на поверхность которых наносят слой специального покрытия. Покрытие предназначено для стабилизации сварочной дуги, образования газовой и шлаковой защиты, легирования и рафинирования расплавленного металла. Кроме того, образующийся при плавлении покрытия шлак способствует формированию поверхности шва. Один конец электрода на длине 20-30 мм свободен от покрытия (для обеспечения токоподвода при закреплении в электрододержателе). Толщина покрытия на сторону может колебаться от 0,5 до 2 мм, а его масса составляет до 50 % от массы стержня.Длина электрода зависит от его диаметра и химического состава стержня.

1. Компоненты электродных покрытий

Вещества, из которых состоят покрытия электродов, делятся на шесть групп:

1. Газообразующие компонентыпри нагреве диссоциируют с образованием газов, которые вытесняют воздух из зоны горения дуги. Обычно вводятся в покрытие в виде минералов или органических веществ. 10 г расплавленного покрытия выделяет 1000 - 1500 см3защитного газа, что обеспечивает надёжное оттеснение воздуха из зоны сварки.

2. Шлакообразующие компоненты при расплавлении образуют шлак, который, всплывая на поверхность сварочной ванны, обеспечивает шлаковую защиту от воздуха. В качестве шлакообразующих компонентов выступают окислы: кислые -SiO2;TiO2;A12O3или основные - СаО;MnO;MgO, а также галогены -CaF2.

Шлакообразующие входят в состав таких минералов, как гранит, гематит, различные руды, ильменитовый и рутиловый концентрат. Например, гранит содержит 70 % SiO2; 20 % А12О3; 5 % СаО.

3. Раскисляющие компоненты восстанавливают часть металла, находящегося в сварочной ванне в виде оксидов. Это достигается за счёт элементов, имеющих большее, чем железо, сродство к кислороду (Са, Аl,Ti,Si,Vа,Mn,Cr). В качестве раскислителей используются ферромарганец, ферросилиций, ферротитан.

4. Стабилизирующие компоненты обеспечивают устойчивое горение дуги. Эти компоненты содержат элементы, имеющие низкий потенциал ионизации. В электрическом поле они легко ионизируются, доставляя в дугу достаточное количество заряженных частиц. Это обеспечивает устойчивость дугового разряда. Стабилизирующими являются К,Na,Cа. Они входят в состав полевого шпата, мела, поташа и др.

5. Легирующие компоненты дополняют металл шва элементами для придания ему специальных свойств - повышенной прочности, износо- и коррозионной стойкости и др. Вводятся в состав в виде ферросплавов - (ферротитан, феррохром, феррованадий). Легирование металла шва осуществляется в основном через стержень электрода. Легирование через покрытие является дополнительным.

6. Связующие компоненты связывают порошковые материалы покрытия в однородную массу. Как правило, в качестве связующего используется натриевое (Na2SiO2) или калиевое (K2SiO2) жидкое стекло. Для улучшения формовочных свойств покрытия в его состав вводятся пластификаторы - каолин, декстрин, слюда.

Некоторые компоненты покрытия, например мрамор, выполняют несколько функций одновременно.

Типы электродов.

Тип электрода характеризует свойства наплавленного металла. Для конструкционных сталей - это механические свойства, для легированных сталей со специальными свойствами (теплоустойчивые, коррозионно-стойкие, жаропрочные и т. д.) - химический состав. Обозначение типа электрода регламентируется ГОСТ 9467-75 и ГОСТ 10052-75.Обозначение содержит букву Э, после которой проставляется временное сопротивление на разрыв ув, кг/мм2. После значения ув может проставляться буква А, что означает улучшенные пластические характеристики металла шва. Например, Э42А означает, что металл, наплавленный этими электродами, имеет прочность 42 кг/мм2 (420 МПа) и улучшенные пластические свойства. Для сварки высокопрочных сталей тип электрода может быть Э100.Для сварки сталей со специальными свойствами обозначение типа электрода имеет следующий вид: Э09Х2М - наплавленный металл содержит 1,09 % углерода, 2% хрома и 1% молибдена; Э10Х25Н13Г2Б - наплавленный металл имеет химический состав: 0,1% углерода; 25% хрома; 13% никеля; 2% марганца; 1% ниобия.

Типы электродных покрытий.

Типы электродных покрытий определяются их компонентным составом, обуславливающим характер защиты расплавленного электродного металла и сварочной ванны. В покрытиях электродов одних марок может преобладать шлаковая защита, других - газовая. Газовая защита может осуществляться за счёт органических соединений или минералов. По разному может происходить выведение из металла шва водорода - за счёт кислорода либо за счёт фтора. Разной может быть степень рафинирования металла шва и очищения его от серы и фосфора. В зависимости от того, какой подход реализуется при формировании компонентного состава, различают четыре типа электродных покрытий.

Кислое покрытие (обозначается буквой А) строится на основе материалов рудного происхождения. Шлакообразующие компоненты - оксиды, газообразующие - органические. Отсутствие кальция не позволяет хорошо очистить металл от серы и фосфора.Недостатком является пониженная ударная вязкость металла шва. Наличие в шве серы и фосфора снижает стойкость против образования кристаллизационных трещин.

Основное покрытие (обозначается буквой Б) строится на базе фтористо-кальциевых соединений - СаСО3;CaF2. Газовая защита обеспечивается за счёт углекислого газа. Образующийся СаО очень стоек, поэтому свободного кислорода в зоне дуги не много. Кальций рафинирует металл шва, извлекая из него серу и фосфор. Фтор вводится для связывания водорода. Однако его количество ограничивают, поскольку он снижает устойчивость горения дуги.

Преимуществами покрытия являются высокая пластичность металла шва и повышенная стойкость против образования кристаллизационных трещин. Недостатком является их повышенная чувствительность к увеличению влажности покрытия, наличию ржавчины, склонность к порообразованию при увеличении длины дуги. В связи с этим квалификация сварщика должна быть более высокой, электроды перед сваркой целесообразно прокаливать, а свариваемые кромки очищать. Рутиловое покрытие (обозначается буквой Р). Его основу составляет рутиловый концентратTiО2(до 45%), а также алюмосиликаты (слюда, полевой шпат, каолин) и карбонаты (мрамор, магнезит). Рутиловый концентрат обеспечивает шлаковую защиту. Газовая защита обеспечивается введением органических соединений (до 5%). По механическим характеристикам сварных швов электроды с рутиловым покрытием занимают промежуточное положение между кислым и основным покрытиями. Их сварочно-технологические свойства достаточно высоки.

Целлюлозное покрытие (обозначается буквой Ц) строится на основе органических соединений. В своём составе содержит до 50% газообразующих компонентов (целлюлоза, мука, крахмал). Шлакообразующими добавками являются рутиловый концентрат, мрамор и др., однако их количество невелико, поэтому сварочная ванна достаточно вязкая, что позволяет выполнять качественные швы во всех пространственных положениях. Поскольку основу покрытия составляют органические соединения, его толщина относительно мала. Это даёт возможность осуществлять сварку в труднодоступных местах. Механические свойства шва соответствуют полуспокойной стали.Основной недостаток - повышенное разбрызгивание (до 15 %).

Электрошлаковая сварка (ЭШС) нашла широкое применение при изготовлении изделий металлургического, прокатного и энергетического оборудования, в котло-, гидро- и прессостроении, в строительстве и т.д. С помощью этого способа сварки выполняются конструкции из углеродистых и легированных сталей, титана, алюминия, меди и их сплавов. Диапазон свариваемых толщин металла составляет 20-2500 мм. Современная оснащённость ЭШС такова, что позволяет решать практически любые задачи промышленности на самом высоком техническом уровне. Причём, как показал многолетний опыт, эффективность применения ЭШС в значительной степени зависит от правильного выбора сварочного оборудования, а также рационального решения вопросов техники сварки и применения соответствующей технологической оснастки.

Цель.

Рассмотреть в данной работе мной такой вид сварки, как электрошлаковая сварка. Рассмотреть сам процесс сварки, способы сварки и соответственно их применение в различных отраслях промышленности, в том числе и машиностроения.

Описание процесса

Способ сварки, основанный на выделении тепла при прохождении электрического тока через расплавленный шлак, получил название электрошлаковой сварки. В пространстве, образованном кромками свариваемых изделий и формирующими приспособлениями, создаётся ванна расплавленного шлака, в которую погружается металлический стержень - электрод. Ток, проходя между электродом и основным металлом, нагревает расплав и поддерживает в нём высокую температуру и электропроводность. Температура шлаковой ванны должна превышать температуру плавления основного и электродного металла. Шлак расплавляет погруженный в него электрод и кромки изделия. Расплавленный основной металл вместе с электродным собирается на дне шлаковой ванны и образует металлическую ванну, которая, затвердевая, даёт шов, соединяющий кромки изделия. По мере расплавления электрод подаётся вниз.

Наилучшие условия для плавления основного металла и для получения глубокой шлаковой ванны создаются при вертикальном положении оси шва. Поэтому электрошлаковая сварка применяется наиболее часто в сочетании с принудительным формированием сварочной ванны. Электрошлаковая сварка в нижнем положении менее удобна и не получила распространения.

2. Технологические параметры процесса электрошлаковой сварки (ЭШС)

Сущность метода принудительного формирования состоит в искусственном охлаждении поверхности металлической ванны.Основное назначение шлаков при эшс - преобразование электрической энергии в тепловую.Если бы существовал шлак, не изменяющий своей проводимости в зависимости от температуры, то его сравнительно легко можно было бы использовать для целей сварки. Применение шлаков на основе фтористого кальция, обладающих большой электропроводностью, значительно сокращает время, необходимое для перехода от дугового процесса к электрошлаковому.Чтобы электродный металл надёжно сплавлялся с основным, поверхность последнего должна быть предварительно оплавлена и иметь температуру, близкую к температуре плавления. Кроме того, поверхность металла должна быть надёжно защищена от окисления. При дуговой сварке в нижнем положении расплавление кромок и заполнение разделки металлом происходит, как правило, не одновременно. Металл из полости, выплавляемой дугой, отбрасывается назад, а полость заполняется лишь после отвода дуги. При сварке вертикальных швов это явление выражено ещё более отчётливо; металл кромок, оплавляемых дугой или шлаком, стекает вниз, образуя общую ванну с электродным металлом. В результате оплавления кромок над металлической ванной всегда образуется незаполненная металлом полость.

2.1 Особенности электрошлакового процесса

Электрошлаковая сварка с принудительным формированием отличается от дуговой сварки как ручной, так и автоматической, рядом особенностей, которые необходимо учитывать и использовать при применении этого способа.При прохождении электрического тока через шлак не происходит такого интенсивного выделения газов, сопровождающегося разбрызгиванием шлака, как при дуговой сварке. При установившемся электрошлаковом процессе разбрызгивания шлака не происходит вовсе. Это позволяет вести сварку с открытой поверхностью шлаковой ванны. Подача шлака в ванну ограничивается очень небольшим количеством, равным количеству отлагающейся на поверхности шва шлаковой корки толщиной 1-1,5 мм. Это по весу составляет всего 0,2-0,3 кг на погонный метр шва, независимо от толщины металла. При толщине свариваемого металла меньше 40-50 мм трудоёмкость и стоимость сварных соединений при электрошлаковой сварке больше, чем при дуговой сварке под флюсом. Однако с ростом толщины производительность и экономичность электрошлаковой сварки быстро растут и при толщинах свыше 100 мм бывают во много раз выше, чем при дуговой сварке.

3. Область применения

Важнейшей проблемой современного машиностроения является экономное использование металлов, снижение металлоёмкости конструкций, повышение их надёжности и долговечности. Первоначальным назначением электрошлакового процесса была сварка вертикальных монтажных швов изделий, швы которых нельзя поставить в удобное для дуговой сварки нижнее положение. Электрошлаковая сварка применяется в производстве барабанов паровых котлов и других сосудов высокого давления, при изготовлении станин крупных механических прессов, траверс, архитравов и цилиндров гидравлических прессов, валов крупных гидротурбин и гидрогенераторов, корпусов крупных электромашин, паровозных и тепловозных рам, стоек мартеновских печей, коленчатых валов, крупных фланцев и многих других деталей. Широкое распространение получила электрошлаковая сварка стыков арматуры.

Электрошлаковая сварка применяется для сварки больших толщин, различных сплавов, и типов швов. Является экономичным и качественным способом сварки, по сравнению со сваркой открытой дугой. Данный процесс нашёл широкое применение в тяжёлом машиностроении и в ряде других отраслей промышленности.

Режим сварки - это совокупность ряда параметров сварочного процесса обеспечивающих устойчивое горение дуги и получение сварочных швов заданного размера и качества.

При разработке технологического процесса сварки конструкции либо изделия из определенного материала необходимо выбрать способ сварки, оборудование для сварки, сварочные материалы, конструктивный тип соединения и элементы подготовки кромок, режимы сварки, методы и нормы контроля качества сварных швов, предусмотреть мероприятия по предупреждению или уменьшению сварочных деформаций.

К технологическим расчетам, относящимся непосредственно к разработке технологии дуговой сварки плавлением, нужно отнести расчеты, связанные с оценкой ожидаемой геометрической формы и размеров, химического состава и механических свойств сварного шва и соединения в целом. покрытие электрошлаковый сварка

В процессе сварки происходят сложные физико-химические и механические процессы, как в сварном шве, так и в зоне термического влияния (ЗТВ). В зоне горения сварочной дуги, за счет выделяемого тепла, происходит нагрев и плавление основного и присадочного материалов с образованием сварочной ванны. При кристаллизации, сварочная ванна образует сварной шов, который и соединяет свариваемые элементы в единую конструкцию.

При разработке технологического процесса сварки стремятся получить показатели механических свойств сварного соединения как можно ближе к соответствующим свойствам исходного металла. Такое сварное соединение называют равнопрочным основному металлу.

Получение качественного сварного соединения называют свариваемостью. Свариваемость - комплексная характеристика металла, которая характеризует его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям. К основным критериям свариваемости обычно относят:

- окисляемость металла при сварке;

- сопротивляемость образованию горячих трещин;

- сопротивляемость образованию холодных трещин;

- чувствительность металла к тепловому воздействию сварочного цикла (склонности к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве иЗТВ, - изменение прочностных и пластических свойств металла);

- чувствительность к образованию пор;

- соответствие сварного соединения эксплуатационным требованиям.

Формулы для выбора режимов сварки и приближенного расчета геометрических размеров сварных швов и их механических свойств для механизированной сварки под флюсом для низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Для этих сталей и метода сварки указанные формулы прошли многократную опытную проверку и дают надежные результаты с точностью до ±10 - 12 %.

ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ СВАРОЧНОГО ТОКА И ДИАМЕТРА ЭЛЕКТРОДА

Таблица электродов для сварки.

Диаметр зависит от толщины кромок свариваемых металлических деталей, а также от способа сварки и размеров сварочного шва. Например, если при сварке металлических уголков и тавровых профилей толщина металла равняется 3-5 мм, то работу выполняют электродами диаметром 3-4 мм, а при толщине заготовки 6-8 мм уже потребуются электроды диаметром 4-5 мм. Для получения качественного провара корня шва при сварке стыковых многопрофильных соединений первый проход делают электродом, диаметр которого не превышает 4 мм.

Режим сварки включает такое понятие, как характеристика силы тока. От нее зависит качество шва и производительность сварки. Указанный параметр определяется диаметром сварочного электрода. Как правило, соответствующее значение силы тока фиксируется на фабричной упаковке каждой конкретной марки сварочных электродов.

Примерное соотношение диаметра и тока сварки выглядит так:

· 1,5-2 мм - 30-45 А;

· 3 мм - 65-100 А;

· 3-4 мм - 100-160 А;

· 4 мм - 120-200 А;

· 4-5 мм - 150-200 А;

· 5 мм - 160-250 А;

· 6-8 мм - 200-350 А.

Сила тока зависит еще и от пространственного положения шва. Так, при вертикальном или потолочном расположении независимо от толщины металла рекомендуется применять проволоку диаметром не менее 4 мм. В то же время при горизонтальной сварке стандартные показатели силы тока советуют уменьшать на 15-20%.

Вернуться к оглавлению

ДЛИНА СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Саморегулирование длины сварочной дуги.

Выбор режима подразумевает правильный расчет длины сварочной дуги, которая также взаимосвязана с диаметром электрода. Под термином длины дуги понимают расстояние между кромкой свариваемого предмета и концом сварочного электрода. Данный параметр очень важен для качества сварочного соединения.

Наилучшего качества при сваривании металлических элементов можно добиться поддержанием равномерной дуговой длины на протяжении всей операции. Однако этого мало, надо еще определиться с оптимальным расстоянием. Считается, что для надежной сварки необходимо стабильно поддерживать короткую дугу, когда ее длина составляет не больше диаметра электрода. Как правило, такой режим работы присущ опытным сварщикам. Но и для них, и для новичков необходимо выдерживать следующую зависимость между электродным диаметром и длиной дуги:

· 1,5-2 мм - дуга 2,5 мм;

· 3 мм - дуга 3,5 мм;

· 3-4 мм - дуга 4 мм;

· 4 мм - дуга 4,5 мм;

· 4-5 мм - дуга 5 мм;

· 5 мм - дуга 5,5 мм;

· 6-8 мм - дуга 6,5 мм.

Вернуться к оглавлению

СКОРОСТЬ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Влияние скорости сварки на качество шва.

Выбор оптимальной скорости сварочного процесса находится в прямой зависимости от толщины металлической заготовки и толщины шва. А оптимальной она будет тогда, когда расплавленный металл электрода заполнит сварочную ванну таким образом, чтобы в месте ее сочленения с кромками металла свариваемого изделия образовался равномерный переход с возвышением без подрезов и наплывов.

В идеале необходимо придерживаться такой скорости движения, чтобы по своей ширине шов оказался в 1,5-2 раза больше диаметра электрода. При излишне медленном перемещении перед его движущимся наконечником будет накапливаться слишком много раскаленного металла. Он будет растекаться из ванны и мешать качественному провару стыка и образованию дефективного шва.

Если же слишком быстро проводить электрод вдоль стыка, рабочая зона не успеет в достаточной степени прогреться, это обязательно приведет к непроваренному соединению. После охлаждения такой шов может деформироваться и даже потрескаться.

Чтобы подобрать оптимальную скорость перемещения, рекомендуется ориентироваться на получение экспериментальным способом следующих параметров ванны: ширина - 9-15 мм, глубина - до 6 мм, длина - 10-30 мм.

Вернуться к оглавлению

ПОЛЯРНОСТЬ И РОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Виды полярностей электрического тока.

Анализируя основные параметры процесса сварки, важно знать, как воздействует на конечный результат тот или иной способ подключения сварочного аппарата. От этого, в частности, зависит характер работы и выбор определенного металла.

На сегодняшний день большинство бытовых аппаратов дуговой сварки благодаря встроенным выпрямителям, будучи подключенным к источникам переменного тока, осуществляют постоянным сварочным током. При этом возможны прямой и обратный способы подключения электрода и металлической заготовки к полюсам.

Прямая полярность предполагает подключение детали к зажиму «+», электрода - к зажиму «-». Обратная полярность характеризуется подключением детали к зажиму «-», а проволоки - к зажиму «+». При этом всегда следует помнить, что полюс со знаком «+» генерирует заметно больше тепла, чем полюс со знаком «-». Качественные параметры режима меняются с изменением полярности и характеризуются следующими особенностями:

1. При прямой полярности. Осуществляется при глубоком проплавлении металла основы. Возможно использование проволоки с кальциево-фтористым покрытием для сварки низко- и среднеуглеродистых сталей (толщина - более 5 мм), сваривается чугун.

2. При обратной полярности. Выполняются сварочные работы с ускоренным плавлением электрода. Обработка низкоуглеродистых и низколегированных сталей, сварка конструкций из тонкого листа.

Вернуться к оглавлению

НАКЛОН И ДЛИНА ЭЛЕКТРОДА

Угол наклона электрода.

Положение рабочего элемента сварочного аппарат относительно стыка свариваемых металлических деталей влияет на глубину и ширину сварочного шва. Обычно сварочные операции проводят, держа электрод в целом вертикально, наклоняя его по отношению к направлению проводки несколько вперед или немного назад.

Сварка проводится только углом вперед, если электрод держится сварщиком под углом, меньшим 90 °. Выбор такого способа ведет к тому, что глубина проплавления металлической заготовки в значительной степени уменьшается, а ширина шва возрастает. Это происходит из-за происходящего в данном случае вытеснения металла, расплавленного электродом, в переднюю часть сварочной ванны.

Если наклон электрода выбран большим, чем 90 °, то заготовки свариваются исключительно под углом, направленным назад. В этом случае, как нетрудно предположить, расплавленный металл убирается в хвостовую (заднюю) часть ванны. Данный режим сварки обеспечивает существенное увеличение проплавливаемой глубины с одновременным уменьшением ширины шва.

Длина (вылет) электрода.

Что касается длины (вылета) электрода, применяемого в работе, то от указанного фактора непосредственно зависит скорость и степень его нагревания. В частности, чем больше соответствующая длина рабочего элемента, тем в большей мере он нагревается и быстрее расплавляется.

Это ведет к уменьшению силы тока и уменьшению глубины провара. Например, если сварщик применяет в работе проволоку диаметром в 1-2,5 мм, то изменение вылета электрода на 6-8 мм может стать причиной плохо сформированного шва. Однако если будет использована проволока диаметром более 3 мм, то такие же показатели вылета практически никак не повлияют на характер шва.

Вернуться к оглавлению

НАКЛОН ИЗДЕЛИЯ, ПОДВЕРГАЕМОГО СВАРКЕ

Наклон изделия при сварке.

При производстве сварочных работ на спуск (по направлению сверху вниз) под основанием дугового столба происходит утолщение слоя расплавленного металла. Из-за этого уменьшается глубина провара, но увеличивается ширина шва, растет блуждание сварочной дуги. Если сварка происходит в обратном направлении (снизу вверх), то слой расплавленного металла под дугой становится меньше.

Для того чтобы добиться нормально сформированного сварочного шва, в процессе ручной дуговой сварки рекомендуется наклонять само изделие под углом в 8-10 °. Если угол наклона окажется большим, а электрод проводится на спуск, из-под основания дуги будет подтекать жидкий расплавленный металл. При таком же угле наклона изделия, но с поднимающейся сваркой, возникают непровары, а также подрезы на шовных кромках.

Стоит отметить, что сварку на спуск используют при производстве круговых швов (например, на трубах или различных круглых сосудах). В этом случае значительно снижается риск образования прожогов металла, сварочный шов формируется наилучшим образом и устраняется опасность вытекания расплавленного металла из сварочной ванны.

Список литературы

1. Воронин Н.Н. Методические указания к курсовому проектированию: технология сварки балочных конструкций. Электронная версия.

2. Мотовилов К. В. Выбор и обоснование режимов сварки и наплавки при ремонте сборочных единиц вагонов: Методические указания. - М.: МИИТ, 2004. - 60 с.

3. Зубченко А.С. Марочник сталей и сплавов. - М.: Машиностроение, 2003.

4. Николаев Г.А и др. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. 1971.

5. Хакимов А.Н. Электрошлаковая сварка с регулированием термических циклов. - М.: Машиностроение, 1984.

6. Сизов В.С. Электрошлаковая сварка сталей больших толщин. - Л.: ЛДНТП, 1972.

Размещено на Allbest.ru