Оборудование сварочного поста для частично механизированной сварки (наплавки) в защитном газе

Авторы материалов для ЭУМК

· В. П. Лялякин — доктор технических наук, профессор, главный специалист ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (электронный учебник);

· Д. Б. Слипко — кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией № 16.2 ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (электронный учебник);

· В. В. Овчинников — доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет», академик Международной академии информатизации, отличник изобретательства авиационной промышленности (контрольно-оценочные средства).

Рецензенты материалов ЭУМК

· И. Г. Голубев — доктор технических наук, профессор, заведующий отделом технического сервиса научного учреждения «Росинформагротех» (электронный учебник);

· С. А. Голов — заместитель директора по развитию и управлению ресурсами ГПОУ Ярославской области «Ярославский профессиональный колледж № 21», сертифици­рованный эксперт WorldSkills Russia по компетенции «Сварочные технологии» (контрольно-оценочные средства).

Версия 1.1.1.0

· © «Академия-Медиа», 2019

· © Издательский центр «Академия», 2019

· © Образовательно-издательский центр «Академия», 2019

 

Оборудование сварочного поста для частично механизированной сварки (наплавки) в защитном газе

Введение

Од­ни­ми из важ­ных от­раслей сов­ре­мен­ной сва­роч­ной тех­ни­ки яв­ля­ют­ся свар­ка и на­плав­ка.

Свар­ка — по­луче­ние не­разъем­ных со­еди­нений пос­редс­твом ус­та­нов­ле­ния ме­жатом­ных свя­зей меж­ду со­еди­ня­емы­ми час­тя­ми при их наг­ре­вании.

Нап­лавка — на­несе­ние рас­плав­ленно­го ме­тал­ла на по­вер­хность из­де­лия, наг­ре­тую до тем­пе­рату­ры оп­лавле­ния.

Нап­лавкой мож­но уве­личить раз­ме­ры из­де­лия, а так­же при­гото­вить не­пос­редс­твен­но на ра­бочей по­вер­хнос­ти сплав, об­ла­да­ющий за­дан­ны­ми свойства­ми. Нап­лавка ис­пользу­ет­ся для ус­тра­нения де­фек­тов де­талей (тре­щины, ра­кови­ны) как при из­го­тов­ле­нии, так и при экс­плу­ата­ции. При­меняя нап­лавку из­го­тов­ля­ют би­метал­ли­чес­кие из­де­лия, у ко­торых вы­сокая проч­ность и большая дол­го­веч­ность со­чета­ют­ся с не­высо­кой сто­имостью, при этом сни­жение се­бес­то­имос­ти их про­из­водс­тва дос­ти­га­ет­ся бла­года­ря то­му, что эти из­де­лия из­го­тов­ля­ют из не­доро­гой ста­ли, а за­тем на ра­бочую по­вер­хность нап­лавля­ют ме­талл, об­ла­да­ющий тре­бу­емы­ми свойст­ва­ми.

Мно­гок­ратное вос­ста­нов­ле­ние из­но­шен­ных де­талей нап­лавкой во мно­го раз уменьша­ет рас­ход ме­тал­ла на за­пас­ные час­ти.

Уве­личе­ние стойкос­ти де­тали осо­бен­но важ­но, ес­ли от нее за­висит ра­бота вы­соко­про­из­во­дительной ма­шины — про­кат­но­го ста­на, эк­ска­вато­ра, дви­гате­ля, — так как за­мена из­но­шен­ной де­тали свя­зана с дли­тельным прос­то­ем ма­шины, не­об­хо­димой для вы­пус­ка пред­при­яти­ем про­дук­ции. Эко­номи­чес­ки вы­год­но так­же уве­личи­вать стойкость де­талей слож­ной фор­мы с точ­ны­ми раз­ме­рами, сто­имость ко­торых оп­ре­деля­ют в ос­новном за­тра­ты на ме­хани­чес­кую и тер­ми­чес­кую об­ра­бот­ку.

Ши­рокое рас­простра­нение в ма­шино- и при­борос­тро­ении по­лучи­ла нап­лавка из­но­со­стойко­го слоя на за­готов­ки инс­тру­мен­та и штам­пов.

Нап­лавлять ме­талл мож­но раз­личны­ми спо­соба­ми, на­ибо­лее рас­простра­нен­ный из них — ду­говая нап­лавка пла­вящим­ся элек­тро­дом. Ис­точни­ком теп­ло­ты в дан­ном ме­тоде яв­ля­ет­ся элек­три­чес­кая ду­га.

Элек­три­чес­кая ду­га — мощ­ный ста­бильный элек­три­чес­кий раз­ряд в сре­де и­они­зиро­ван­ных ат­мосфер­ных га­зов, соп­ро­вож­да­ющийся большим теп­ло­выде­лени­ем и све­товым из­лу­чени­ем.

Элек­три­чес­кая ду­га бы­ла от­кры­та в 1802 г. вы­да­ющим­ся рус­ским фи­зиком и элек­тро­тех­ни­ком Ва­сили­ем Вла­дими­рови­чем Пет­ро­вым (1761—1834).

Ду­говая элек­три­чес­кая свар­ка бы­ла изоб­ре­тена Ни­кола­ем Ни­кола­еви­чем Бе­нар­до­сом (1842—1905), ко­торый в 1885 г. пред­ло­жил «спо­соб со­еди­нения и разъеди­нения ме­тал­лов не­пос­редс­твен­ным действи­ем элек­три­чес­ко­го то­ка». В опы­тах Н.Н.Бе­нар­до­са пре­иму­щес­твен­но ис­пользо­валась ду­га меж­ду угольным элек­тро­дом и стальны­ми лис­та­ми, а так­же меж­ду дву­мя угольны­ми элек­тро­дами. Н.Н.Бе­нар­дос изоб­рел свар­ку в струе за­щит­но­го га­за, ду­говую рез­ку на воз­ду­хе, под во­дой и др.

Дальнейшее раз­ви­тие сва­роч­ная тех­ни­ка по­лучи­ла бла­года­ря тру­дам вы­да­юще­гося ин­же­нера-ме­тал­лурга Ни­колая Гав­ри­лови­ча Сла­вяно­ва (1854—1897).

Ра­ботая на перм­ских пу­шеч­ных за­водах, Н.Г.Сла­вянов в 1888 г. изоб­рел спо­соб ду­говой элек­трос­варки ме­тал­лов пла­вящим­ся ме­тал­ли­чес­ким элек­тро­дом.

Свое изоб­ре­тение Н.Г.Сла­вянов наз­вал «элек­три­чес­кой от­ливкой ме­тал­лов» (в то вре­мя свар­кой на­зыва­ли только куз­нечную свар­ку без рас­плав­ле­ния, из­вес­тную с древ­ности). Для пи­тания то­ком пос­тов ду­говой свар­ки Н.Г.Сла­вянов впер­вые при­менил элек­три­чес­кие ге­нера­торы. Им так­же впер­вые был сконс­тру­иро­ван ре­гуля­тор дли­ны ду­ги — про­об­раз сов­ре­мен­ных сва­роч­ных ап­па­ратов. Что­бы улуч­шить ка­чес­тво ме­тал­ла шва, Н.Г.Сла­вянов ре­комен­до­вал вво­дить в не­го рас­кисли­тели и пок­ры­вать рас­плав­ленный ме­талл сло­ем шла­ка тол­щи­ной 5…6 мм, для че­го ис­пользо­валось би­тое стек­ло (этим бы­ла пред­восхи­щена идея сов­ре­мен­ной свар­ки под сло­ем флю­са).

Ду­говая свар­ка по спо­собу Н.Г.Сла­вяно­ва пла­вящим­ся ме­тал­ли­чес­ким элек­тро­дом до нас­то­яще­го вре­мени яв­ля­ет­ся ос­новным сва­роч­ным про­цес­сом. Она как спо­соб со­еди­нения ме­тал­ли­чес­ких час­тей за пос­ледние го­ды за­во­ева­ла по­ложе­ние ве­дуще­го тех­но­логи­чес­ко­го про­цес­са во мно­гих от­раслях про­мыш­леннос­ти. Ду­говая нап­лавка раз­ви­валась го­раз­до мед­леннее. Хо­тя руч­ная нап­лавка от­кры­той ду­гой из­вес­тна с 1920-х гг., ее про­мыш­ленно­му при­мене­нию пре­пятс­тво­вали не­кото­рые не­дос­татки, при­сущие это­му спо­собу: низ­кая про­из­во­дительность, тя­желые ус­ло­вия тру­да и, са­мое глав­ное, оби­лие раз­личных де­фек­тов в нап­лавлен­ном слое.

Для раз­ви­тия свар­ки и нап­лавки бы­ли раз­ра­бота­ны спе­ци­альные флю­сы, элек­трод­ные про­воло­ки и лен­ты, спо­собы пре­дуп­режде­ния ме­тал­лурги­чес­ких по­роков в нап­лавлен­ном слое, ме­тоды по­луче­ния нап­лавлен­но­го ме­тал­ла за­дан­но­го хи­мичес­ко­го сос­та­ва, ап­па­раты, ус­та­нов­ки и стан­ки для ме­хани­зиро­ван­ной нап­лавки раз­но­об­разных из­де­лий.

Су­щес­твен­ным дос­ти­жени­ем сва­роч­ной тех­ни­ки яв­ля­ет­ся спо­соб свар­ки и нап­лавки по­рош­ко­вой про­воло­кой с внут­ренней за­щитой. При из­го­тов­ле­нии та­кой про­воло­ки в сос­тав по­рош­ка вмес­те с ле­гиру­ющи­ми ма­тери­ала­ми вво­дят ми­нера­лы и га­зо­об­ра­зу­ющие ве­щес­тва. В про­цес­се плав­ле­ния про­воло­ки с внут­ренней за­щитой об­ра­зу­ет­ся не­большое ко­личес­тво шла­ка и за­щит­ный газ, что поз­во­ля­ет обойтись без до­пол­ни­тельных за­щит­ных средств. Нап­лавка и свар­ка от­кры­той ду­гой це­лесо­об­разна в тех слу­ча­ях, ког­да зат­рудни­тельна по­дача флю­са или нуж­но вес­ти ви­зу­альное наб­лю­дение за ду­гой и уп­равлять ею, нап­ри­мер, при за­вар­ке де­фек­тов литья и при свар­ке ко­рот­ких кри­воли­нейных швов.

Ме­хани­зиро­ван­ная нап­лавка про­кат­ных вал­ков, де­талей ме­тал­лурги­чес­ко­го обо­рудо­вания, же­лез­но­дорож­ных бан­да­жей, де­талей гу­сенич­ных трак­то­ров и мно­гих дру­гих из­де­лий, внед­ренная на сот­нях пред­при­ятий, ста­ла од­ним из важ­ных средств эко­номии ме­тал­ла.

Ог­ромный эко­номи­чес­кий эф­фект был по­лучен при ис­пользо­вании нап­лавки для ре­мон­та обо­рудо­вания ме­тал­лурги­чес­кой и гор­но­руд­ной про­мыш­леннос­ти и тран­спор­та. Бла­года­ря вос­ста­нов­ле­нию нап­лавкой из­но­шен­ных про­кат­ных вал­ков и дру­гих де­талей ме­тал­лурги­чес­ко­го обо­рудо­вания их рас­ход на тон­ну про­ката и дру­гой про­дук­ции сни­зил­ся в два с лиш­ним ра­за.

Мил­ли­оны из­но­шен­ных де­талей трак­то­ров, ав­то­моби­лей и сельско­хозяйствен­ных ма­шин, ко­торые раньше шли в лом, вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся ме­хани­зиро­ван­ной нап­лавкой в спе­ци­али­зиро­ван­ных ре­мон­тных це­хах.

Ши­роко ис­пользу­ет­ся нап­лавка при уп­рочне­нии де­талей в про­цес­се их из­го­тов­ле­ния. Так, для де­талей поч­во­об­ра­баты­ва­ющей тех­ни­ки (ле­мехи, ла­пы, дис­ки и др.) в це­лях уве­личе­ния их из­но­сос­тойкос­ти ши­роко при­меня­ет­ся ин­дукци­он­ная нап­лавка твер­ды­ми спла­вами.

На сме­ну на­ибо­лее ши­роко при­меня­емых в про­мыш­леннос­ти ме­тодов нап­лавки (ав­то­мати­чес­кая элек­тро­дуго­вая нап­лавка под сло­ем флю­са про­воло­кой и лен­той, нап­лавка пла­вящим­ся элек­тро­дом в сре­де за­щит­ных га­зов) в пос­леднее вре­мя ста­ли ши­роко при­меняться ме­тоды нап­лавки с ис­пользо­вани­ем плаз­мы и лу­ча ла­зера.

В пос­ледние го­ды уве­личи­ва­ет­ся пот­ребность в вы­пус­ке элек­трод­ной про­воло­ки, спе­ци­альных флю­сов, за­щит­ных га­зов и дру­гих ма­тери­алов, не­об­хо­димых для из­но­со­стойкой нап­лавки. Со­от­ветс­твен­но, уве­личи­ва­ет­ся пот­ребность в про­из­водс­тве сва­роч­но­го и нап­ла­воч­но­го обо­рудо­вания, а так­же в ор­га­низа­ции под­го­тов­ки и обу­чении кад­ров — спе­ци­алис­тов по свар­ке и нап­лавке ме­тал­лов.

Под­го­тов­ка спе­ци­алис­тов по свар­ке и нап­лавке ме­тал­лов тре­бу­ет от них твер­дых зна­ний ме­тодов на­несе­ния пок­ры­тий, при­меня­емо­го обо­рудо­вания и ма­тери­алов, ре­комен­да­ций по их ис­пользо­ванию в прак­ти­чес­кой ра­боте, со­от­ветс­тву­ющих на­выков, в том чис­ле и по ус­тра­нению ме­тал­лурги­чес­ких де­фек­тов.

ГЛАВА1Теоретические основы сварки и наплавки металлов

· 1.1. Значение сварки и наплавки и область их применения

· 1.2. Электрическая дуга и физическая сущность протекающих в ней процессов

· 1.3. Образование наплавленного валика

· 1.4. Распространение теплоты при сварке и наплавке

1.1Значение сварки и наплавки и область их применения

С по­мощью свар­ки и нап­лавки мож­но зна­чительно уве­личить сро­ки служ­бы из­но­шен­ных де­талей.

Уче­ными ус­та­нов­ле­но, что в ос­новном из­но­сы де­талей ма­шин на­ходят­ся в пре­делах 0,01…10,00 мм. При этом око­ло 83% де­талей ма­шин име­ют из­нос не бо­лее 0,6 мм [1].

Ана­лиз су­щес­тву­ющих тех­но­логий ре­мон­та де­талей и из­де­лий из ме­тал­ла по­казы­ва­ет, что бо­лее 70% объемов вос­ста­нов­ле­ния де­талей при­ходит­ся на раз­личные спо­собы элек­тро­дуго­вой свар­ки и нап­лавки [2], при­чем 30% из них при­ходит­ся на нап­лавку под сло­ем флю­са, 17% — на виб­ро­дуго­вую нап­лавку, 14% — на нап­лавку в сре­де за­щит­ных га­зов, а ос­тальные — на дру­гие спо­собы свар­ки и нап­лавки.

Учи­тывая, что у де­талей в большинс­тве слу­ча­ев из­на­шива­ет­ся по­вер­хностный (ра­бочий) слой, сос­тавля­ющий от 1 до 5% мас­сы де­тали, его мож­но вос­ста­новить (на­нес­ти) раз­личны­ми ме­тода­ми нап­лавки, а ис­пользуя при этом сов­ре­мен­ные нап­ла­воч­ные ма­тери­алы, мож­но зна­чительно уве­личить ре­сурс де­тали. От­ме­тим, что зат­ра­ты на вос­ста­нов­ле­ние де­тали, как пра­вило, сос­тавля­ют от 40 до 55% сто­имос­ти но­вой де­тали.

Вос­ста­нов­ле­ние де­талей ис­клю­ча­ет эко­логи­чес­ки раз­ру­шительный, энер­го­ем­кий, ме­тал­лурги­чес­кий цикл про­из­водс­тва.

Нап­ри­мер, при вос­ста­нов­ле­нии 1 т де­талей из ста­ли мож­но по­лучить эко­номию 180 кВт/ч элек­тро­энер­гии; 0,8 т уг­ля; 0,5 т из­вес­тня­ка и 175 м³ при­род­но­го га­за.

Но­мен­кла­тура де­талей для вос­ста­нов­ле­ния нап­лавкой только в аг­ропро­мыш­ленном ком­плек­се сос­тавля­ет бо­лее 1200 на­име­нова­ний.

Раз­ра­бота­ны раз­личные тех­но­логии и не­об­хо­димое обо­рудо­вание для вос­ста­нов­ле­ния нап­лавкой ше­ек ко­лен­ча­тых ва­лов, опор­ных кат­ков, под­держи­ва­ющих ро­ликов гу­сенич­ных ма­шин, рас­пре­дели­тельных ва­лов, де­талей га­зорас­пре­дели­тельно­го ме­ханиз­ма дви­гате­лей и т.д.

Сва­роч­но-нап­ла­воч­ные про­цес­сы ши­роко при­меня­ют­ся в аг­ропро­мыш­ленном ком­плек­се не только для вос­ста­нов­ле­ния, но и для уп­рочне­ния ра­бочих ор­га­нов сельско­хозяйствен­ных ма­шин: удельный вес вос­ста­нов­ленных де­талей в аг­ропро­мыш­ленном ком­плек­се в пос­тавке но­вых де­талей сос­тавля­ет в нас­то­ящее вре­мя 9%, что эк­ви­вален­тно эко­номии 1270 тыс. т ме­тал­ла.

Нап­лавка очень эф­фектив­на при на­несе­нии из­но­сос­тойких пок­ры­тий на но­вые де­тали при их из­го­тов­ле­нии. В этом слу­чае це­лесо­об­разно при­менять ма­тери­ал, ко­торый до­роже ма­тери­ала са­мой де­тали и ко­торый обес­пе­чива­ет по­выше­ние ре­сур­са де­тали в 4…8 раз. Осо­бен­но эф­фектив­ность нап­лавки про­яв­ля­ет­ся при вос­ста­нов­ле­нии хо­довой час­ти гу­сенич­ных ма­шин ре­жущих эле­мен­тов зем­ле­ройной тех­ни­ки — зубьев и ков­шей эк­ска­вато­ров, но­жей бульдо­зеров.

Нап­ри­мер, ис­пользо­вание на од­ном из рос­сийских ре­мон­тных пред­при­ятий спе­ци­ально­го обо­рудо­вания, но­вых тех­но­логий и нап­ла­воч­ных ма­тери­алов при нап­лавке из­но­шен­ных де­талей зем­сна­ряда япон­ской фир­мы «Ку­рамо­то» бы­ло оце­нено в 12 тыс. долл. США при сто­имос­ти но­вого ком­плек­та де­талей 380 тыс. долл. США. При этом ре­сурс ра­боты нап­лавлен­ных де­талей ока­зал­ся в 2,8 ра­за вы­ше, чем у но­вых [3].

Прак­ти­ка вос­ста­нов­ле­ния по тех­но­логии нап­лавки стальных де­талей гид­ротран­спор­те­ра аб­ра­зив­ной пульпы (кор­пу­сов, бро­недис­ков, ра­бочих ко­лес зем­сна­рядов и шла­мовых на­сосов тру­боп­ро­водов) сви­де­тельству­ет о по­выше­нии их из­но­сос­тойкос­ти в 9…10 раз.

Свар­ка и нап­лавка ши­роко ис­пользу­ют­ся для ус­тра­нения ме­тал­лурги­чес­ких де­фек­тов в от­ливках. Очень эф­фектив­на нап­лавка про­кат­ных вал­ков в ме­тал­лурги­чес­кой про­мыш­леннос­ти: ис­пользо­вание из­но­сос­тойкой нап­лавки поз­во­ля­ет по­высить их ре­сурс в 6…8 раз [4].

1.2Электрическая дуга и физическая сущность протекающих в ней процессов

Элек­три­чес­кая ду­га — дли­тельно су­щес­тву­ющий элек­три­чес­кий раз­ряд в га­зовой сре­де меж­ду дву­мя элек­тро­дами.

Ду­га яв­ля­ет­ся мощ­ным кон­цен­три­рован­ным ис­точни­ком теп­ло­ты, ис­пользу­емой для рас­плав­ле­ния ме­тал­ла.

В сва­роч­ной тех­ни­ке ча­ще все­го ис­пользу­ет­ся ду­га, го­рящая меж­ду из­де­ли­ем и пла­вящим­ся ме­тал­ли­чес­ким элек­тро­дом (про­воло­кой или лен­той); при­меня­ет­ся так­же ду­га, го­рящая меж­ду неп­ла­вящим­ся элек­тро­дом (вольфра­мовым, гра­фито­вым) и из­де­ли­ем, так на­зыва­емая ду­га пря­мого действия. На­ходит иног­да при­мене­ние и не­зави­симая ду­га, од­ним из при­меров ко­торой яв­ля­ет­ся ду­га, го­рящая меж­ду вольфра­мовы­ми элек­тро­дами.

При ис­пользо­вании пла­вяще­гося элек­тро­да ду­гу воз­бужда­ют ка­сани­ем элек­тро­дом ре­мон­ти­ру­емо­го из­де­лия. Мес­то соп­ри­кос­но­вения элек­тро­да и из­де­лия име­ет не­большую пло­щадь из-за ше­рохо­ватос­ти по­вер­хнос­ти: че­рез не­го про­тека­ет большой ток ко­рот­ко­го за­мыка­ния, в ре­зульта­те че­го ме­талл рас­плав­ля­ет­ся, об­ра­зуя жид­кую пе­ремыч­ку. При от­во­де элек­тро­да от из­де­лия пе­ремыч­ка рас­тя­гива­ет­ся, ее тем­пе­рату­ра быс­тро воз­раста­ет из-за наг­ре­ва про­тека­ющим то­ком, ме­талл дос­ти­га­ет тем­пе­рату­ры ки­пения, пе­ремыч­ка раз­ры­ва­ет­ся и в па­рах ме­тал­ла воз­ни­ка­ет ду­га.

При ис­пользо­вании неп­ла­вяще­гося элек­тро­да ду­га воз­бужда­ет­ся ис­кро­вым раз­ря­дом то­ка вы­соко­го нап­ря­жения и вы­сокой час­то­ты от спе­ци­ально­го ис­точни­ка — ос­цилля­тора. Пос­ле воз­бужде­ния ду­ги на элек­тро­де, под­клю­чен­ном к от­ри­цательно­му по­люсу (на ка­тоде), об­ра­зу­ет­ся на­ибо­лее наг­ре­тое ак­тивное пят­но (ка­тод­ное пят­но), ко­торое про­водит ток ду­ги. Свойства ду­ги за­висят от спо­соб­ности ка­тод­но­го пят­на и стол­ба ду­ги сво­бод­но рас­ши­ряться с по­выше­ни­ем си­лы то­ка. Ес­ли ка­тод­ное пят­но за­нима­ет лишь часть по­вер­хнос­ти тор­ца элек­тро­да, то по­луча­ет­ся обыч­ная (сво­бод­ная) ду­га, име­ющая срав­ни­тельно не­высо­кую сте­пень и­они­зации и тем­пе­рату­ру 5000…6000°С.

Сжа­тая ду­га воз­ни­ка­ет при ма­лом ди­амет­ре элек­тро­да и ис­кусс­твен­ном ох­лажде­нии внеш­них зон стол­ба ду­ги, нап­ри­мер, при свар­ке под сло­ем флю­са). Сте­пень и­они­зации в этом слу­чае вы­ше, тем­пе­рату­ра га­зов ду­ги сос­тавля­ет 7000…8000°С. Ха­рак­те­рис­ти­ка ду­ги име­ет U-об­разную фор­му, она пе­рехо­дит из па­да­ющей в жес­ткую (не­зави­симую от си­лы то­ка) и, на­конец, при большой си­ле то­ка ста­новит­ся воз­раста­ющей (рис. 1.1).

Рис. 1.1.Зависимость напряжения от силы тока наплавки (сварки) при постоянной длине электрической дуги

За­ряжен­ные час­ти­цы, пе­рено­сящие ток в сва­роч­ной ду­ге, на­ходят­ся в под­вижном рав­но­весии. Ес­ли ток прер­вать, то не­мед­ленно уменьша­ет­ся ко­личес­тво за­ряжен­ных час­тиц, так как на­чина­ют­ся про­цес­сы вза­им­ной нейтра­лиза­ции за­ряжен­ных час­тиц с об­ра­зова­ни­ем нейтральных ато­мов и мо­лекул; сни­жение тем­пе­рату­ры га­за быс­тро уменьша­ет сте­пень его и­они­зации. Ох­лажда­ют­ся ак­тивные пят­на на элек­тро­дах ду­ги и, со­от­ветс­твен­но, па­да­ет эмис­сия элек­тро­нов. Уменьше­ние ко­личес­тва за­ряжен­ных час­тиц в ду­ге на­зыва­ет­ся де­иони­заци­ей.

Ду­га пе­ремен­но­го то­ка про­мыш­ленной час­то­ты (f = 50 Гц) воз­бужда­ет­ся и гас­нет 100 раз/с. При каж­дом пе­рехо­де зна­чения то­ка че­рез нуль сни­жа­ет­ся тем­пе­рату­ра ак­тивных пя­тен, про­ис­хо­дит де­иони­зация га­за в ду­говом про­межут­ке и уменьша­ет­ся элек­троп­ро­вод­ность стол­ба ду­ги.

Та­ким об­ра­зом, элек­три­чес­кая ду­га пе­ремен­но­го то­ка име­ет сле­ду­ющие осо­бен­ности:

§ вследс­твие пе­ри­оди­чес­ких уга­саний и пов­торных за­жига­ний сва­роч­ная ду­га при пе­ремен­ном то­ке ме­нее ус­тойчи­ва, чем при пос­то­ян­ном;

§ ус­тойчи­вость сва­роч­ной ду­ги пе­ремен­но­го то­ка и неп­ре­рыв­ность ее го­рения улуч­ша­ют­ся при вклю­чении в сва­роч­ную цепь ин­дуктив­ности. Для под­держа­ния неп­ре­рыв­ности го­рения ду­ги в обыч­ных ус­ло­ви­ях свар­ки от­но­шение нап­ря­жения хо­лос­то­го хо­да к ра­боче­му нап­ря­жению ду­ги дол­жно сос­тавлять 1,8…2,5. С уве­личе­ни­ем нап­ря­жения хо­лос­то­го хо­да и сва­роч­но­го то­ка ус­тойчи­вость ду­ги улуч­ша­ет­ся;

§ при уменьше­нии си­лы то­ка и уве­личе­нии нап­ря­жения или дли­ны ду­ги не­об­хо­димо, что­бы нап­ря­жение хо­лос­то­го хо­да уве­личи­валось.

Ус­тойчи­вость ду­ги по­нижа­ет­ся, ес­ли в ду­говом про­межут­ке при­сутс­тву­ют эле­мен­ты с большим сродс­твом с элек­тро­ном, нап­ри­мер фтор. Улуч­ше­нию ус­тойчи­вос­ти ду­ги спо­собс­тву­ет при­сутс­твие эле­мен­тов с низ­ким по­тен­ци­алом и­они­зации — ка­лия, нат­рия, ба­рия и кальция.

1.3Образование наплавленного валика

· 1.3.1. Плав­ле­ние ме­тал­ла

· 1.3.2. Плав­ле­ние флю­са

1.3.1. Плавление металла

Рас­плав­ленный элек­трод­ный ме­талл пе­рено­сит­ся в сва­роч­ную ван­ну в ви­де ка­пель раз­лично­го раз­ме­ра. От­рыв ка­пель от элек­тро­да про­ис­хо­дит под действи­ем элек­тро­дина­мичес­кой си­лы, а так­же вследс­твие бур­но­го «ки­пения» ме­тал­ла с вы­деле­ни­ем ок­си­да уг­ле­рода (угар­но­го га­за). На кон­це элек­тро­да внут­ри кап­ли рас­плав­ленной ста­ли кис­ло­род вза­имо­действу­ет с уг­ле­родом, рас­тво­рен­ным в ме­тал­ле, с об­ра­зова­ни­ем ок­си­да уг­ле­рода. Объем об­ра­зу­юще­гося га­за во мно­го раз больше объема ме­тал­ла, по­это­му рас­ши­ря­ющийся газ раз­ры­ва­ет кап­ли ме­тал­ла и вы­зыва­ет их дроб­ле­ние. Часть ме­тал­ла на кон­це элек­тро­да ис­па­ря­ет­ся. Ме­тал­ли­чес­кий пар, ок­сид уг­ле­рода и дру­гие га­зы, по­падая в столб ду­ги, наг­ре­ва­ют­ся и рас­ши­ря­ют­ся, в ре­зульта­те воз­ни­ка­ет по­ток, яв­ля­ющийся как бы про­дол­же­ни­ем стер­жня элек­тро­да. Ду­га неп­ре­рыв­но из­ме­ня­ет свое рас­по­ложе­ние, но обыч­но не вы­ходит за пре­делы это­го по­тока га­за.

Столб ду­ги в мо­мент воз­бужде­ния за­нима­ет вер­ти­кальное по­ложе­ние. При пе­реме­щении элек­тро­да или из­де­лия столб ду­ги от­кло­ня­ет­ся в сто­рону, про­тиво­полож­ную на­прав­ле­нию свар­ки. Это объяс­ня­ет­ся от­ста­вани­ем ско­рос­ти воз­никно­вения ак­тивно­го пят­на на ос­новном ме­тал­ле от ско­рос­ти дви­жуще­гося элек­тро­да.

Бом­барди­ров­ка элек­тро­нами и и­она­ми, а так­же из­лу­чение ду­ги вы­зыва­ют плав­ле­ние ос­новно­го ме­тал­ла, ко­торый пе­реме­шива­ет­ся с рас­плав­ленны­ми кап­ля­ми элек­трод­но­го ме­тал­ла и об­ра­зу­ет сва­роч­ную ван­ну. По­ток га­зов ду­ги ока­зыва­ет дав­ле­ние на по­верх­ность ван­ны. Дав­ле­ние ду­ги про­пор­ци­онально квад­ра­ту си­лы то­ка; оно уве­личи­ва­ет­ся с уве­личе­ни­ем плот­ности то­ка (при уменьше­нии ди­амет­ра элек­тро­да) и ос­ла­бева­ет при уве­личе­нии ду­гово­го про­межут­ка (при уве­личе­нии дли­ны ду­ги).

Дав­ле­ние ду­ги вы­зыва­ет об­ра­зова­ние уг­лубле­ния (кра­тера) в сва­роч­ной ван­не под элек­тро­дом. Жид­кий ме­талл вы­тес­ня­ет­ся из кра­тера в хвос­то­вую часть ван­ны. Чем глуб­же пог­ру­жа­ет­ся ду­га в тол­щу ос­новно­го ме­тал­ла, т.е. чем глуб­же кра­тер, тем больше глу­бина проп­лавле­ния (про­вар) ос­новно­го ме­тал­ла.

Ос­новным ме­тал­лом в сва­роч­ной тех­ни­ке при­нято на­зывать ме­талл, из ко­торо­го из­го­тов­ле­но сва­рива­емое из­де­лие.

Ха­рак­терной осо­бен­ностью свар­ки под сло­ем флю­са яв­ля­ет­ся глу­бокий про­вар ос­новно­го ме­тал­ла. До­ля ос­новно­го ме­тал­ла в нап­лавлен­ном ва­лике γ_о оп­ре­деля­ет­ся от­но­шени­ем пло­щади проп­лавле­ния ос­новно­го ме­тал­ла F _o к пло­щади все­го се­чения ва­лика F _н (рис. 1.2), т.е.

 

где F _э — пло­щадь, об­ра­зован­ная плав­ле­ни­ем элек­тро­да.

Рис. 1.2.Сечение наплавленного валика при различных режимах наплавки:
h — глубина провара; F _о — площадь проплавления основного металла; F _э — площадь, образованная плавлением электрода

Зна­чение γ_о ко­леб­лется в ши­роких пре­делах: в обыч­ных ус­ло­ви­ях свар­ки под сло­ем флю­са он сос­тавля­ет 0,60…0,65. При нап­лавке глу­бокий про­вар не­жела­телен, по­это­му при­меня­ют­ся раз­личные тех­но­логи­чес­кие при­емы, поз­во­ля­ющие уменьшить γ_о.

На рис. 1.3 схе­мати­чес­ки пред­став­ле­ны про­дольный и нес­колько по­переч­ных раз­ре­зов зо­ны нап­лавки [5].

Рис. 1.3.Продольный (а) и поперечные I—V (б) разрезы зоны наплавки под слоем флюса

Ду­га (см. рис. 1.3, б, I) пла­вит ос­новной ме­талл и вы­тес­ня­ет его из кра­тера. В сва­роч­ной ван­не пе­реме­шива­ют­ся рас­плав­ленный ос­новной и элек­трод­ный ме­тал­лы. Рас­тво­рен­ные га­зы уда­ля­ют­ся (см. рис. 1.3, б, II). По ме­ре уда­ления ду­ги от рас­смат­ри­ва­емо­го се­чения уси­лива­ет­ся от­вод теп­ло­ты в мас­су из­де­лия и ос­ла­бева­ет при­ток теп­ло­ты от ду­ги. На гра­нице с не­рас­плав­ленным ме­тал­лом на­чина­ет­ся крис­талли­зация (см. рис. 1.3, б, III). Пос­те­пен­но ме­талл зат­верде­ва­ет (см. рис. 1.3, б, IV). Флюс пла­вит­ся по­зади элек­тро­да. Жид­кий флюс не ме­ша­ет уда­лению га­зов, но на­деж­но за­щища­ет рас­плав­ленную ван­ну от соп­ри­кос­но­вения с воз­ду­хом. Рас­те­ка­ясь под сло­ем сы­пуче­го флю­са, жид­кий флюс-шлак по­дог­ре­ва­ет кром­ки и об­легча­ет их оп­лавле­ние. Чем длин­нее ду­га, тем ши­ре по­луча­ет­ся ва­лик. Так как рас­плав­ленный шлак име­ет зна­чительный за­пас теп­ло­ты, он ос­та­ет­ся жид­ким до кон­ца зат­верде­вания ван­ны, не пре­пятс­тву­ет сво­бод­но­му уда­лению из нее га­зов и за­мед­ля­ет ох­лажде­ние ме­тал­ла. Шлак, зат­верде­вая, прев­ра­ща­ет­ся в кор­ку (см. рис. 1.3, б, V), обыч­но лег­ко от­де­ля­ющу­юся от по­вер­хнос­ти нап­лавлен­но­го ва­лика.

При свар­ке и нап­лавке под сло­ем флю­са тем­пе­рату­ра га­за в стол­бе ду­ги до­ходит до 8500°С. Стальные элек­тро­ды пла­вят­ся в ду­ге быс­тро, так как тем­пе­рату­ра плав­ле­ния раз­личных ви­дов ста­ли сос­тавля­ет от 1300 до 1500°С. Рас­плав­ленный ме­талл пе­рено­сит­ся в сва­роч­ную ван­ну кап­ля­ми. Пос­кольку удельный вес жид­ко­го ме­тал­ла больше чем удельный вес жид­ко­го флю­са, про­ис­хо­дит раз­де­ление ме­тал­ла и шла­ка: ме­тал­ли­чес­кие кап­ли осе­да­ют в слое шла­ка и сли­ва­ют­ся с ван­ной, шла­ковые кап­ли всплы­ва­ют в ме­тал­ли­чес­кой ван­не и при­со­еди­ня­ют­ся к шла­ку.

1.3.2. Плавление флюса

Флюс наг­ре­ва­ет­ся в ос­новном за счет из­лу­чения ду­гово­го раз­ря­да стол­ба ду­ги. Вто­ро­сте­пен­ную роль при этом иг­ра­ют теп­ло­от­да­ча го­рячих га­зов, вы­ходя­щих из по­лос­ти, где го­рит ду­га, и наг­рев вследс­твие про­тека­ния не­большой час­ти сва­роч­но­го то­ка че­рез обо­лоч­ку, ко­торая ок­ру­жа­ет ду­гу и на внут­ренней по­вер­хнос­ти ко­торой флюс наг­ре­ва­ет­ся до вы­соких тем­пе­ратур, приб­ли­жа­ющих­ся к тем­пе­рату­ре ки­пения, и вяз­кость его рез­ко сни­жа­ет­ся. Го­рячий флюс неп­ре­рыв­но сте­ка­ет вниз и вмес­те с ме­тал­лом вы­тес­ня­ет­ся из кра­тера дав­ле­ни­ем ду­ги. Неп­ре­рыв­но идет раз­бавле­ние флю­са но­выми пор­ци­ями и энер­гичное пе­реме­шива­ние его, пос­кольку ис­точник наг­ре­ва рас­по­ложен под сло­ем флю­са.

Фи­зичес­кие свойства флю­са — теп­лопро­вод­ность, теп­ло­ем­кость, плот­ность и вяз­кость — так­же ока­зыва­ют вли­яние на про­цесс плав­ле­ния. Ес­ли вяз­кость па­да­ет по­лого при по­выше­нии тем­пе­рату­ры, то тол­щи­на флю­совой обо­лоч­ки по­луча­ет­ся больше, а от­но­сительная мас­са шла­ка уве­личи­ва­ет­ся нем­но­го. При кру­том сни­жении вяз­кости с уве­личе­ни­ем тем­пе­рату­ры шла­ковая обо­лоч­ка в вер­хней час­ти по­луча­ет­ся тоньше, флюс быс­тро сте­ка­ет и уда­ля­ет­ся из зо­ны не­пос­редс­твен­но­го наг­ре­ва ду­гой.

Ко­личес­тво рас­плав­ленно­го флю­са за­висит глав­ным об­ра­зом от прос­транс­твен­но­го рас­по­ложе­ния и раз­ме­ров стол­ба ду­ги, а так­же от фи­зичес­ких свойств флю­са и др. На­ибо­лее наг­лядно ха­рак­те­ризу­ет плав­ле­ние флю­са ко­личес­тво шла­ка в грам­мах, при­ходя­ще­еся на 1 г рас­плав­ленной элек­трод­ной про­воло­ки, или от­но­сительная мас­са шла­ка. В ка­чес­тве при­мера на рис. 1.4 по­казан гра­фик за­виси­мос­ти от­но­сительной мас­сы шла­ка от си­лы то­ка и нап­ря­жения ду­ги при нап­лавке про­воло­кой из ста­ли мар­ки 70 под флю­сом мар­ки АН-348А и ско­рос­ти пе­реме­щения ду­ги 20 м/ч.

Рис. 1.4.Зависимость относительной массы шлака от режима наплавки (флюс марки АН-348А, проволока из стали марки 70 диаметром 3 мм)

По­выше­ние ско­рос­ти пе­реме­щения ду­ги вы­зыва­ет не­большое уве­личе­ние от­но­сительной мас­сы шла­ка. Су­щес­твен­ное вли­яние на от­но­сительную мас­су шла­ка ока­зыва­ет прос­транс­твен­ное по­ложе­ние нап­лавля­емой по­вер­хнос­ти: при нап­лавке «на спуск» (ду­га пе­реме­ща­ет­ся под ук­лон) от­но­сительная мас­са шла­ка уве­личи­ва­ет­ся, при нап­лавке «на подъем» — уменьша­ет­ся.

Нак­лон элек­тро­да так­же вли­яет на ко­личес­тво рас­плав­ля­емо­го флю­са: при элек­тро­де, нак­ло­нен­ном уг­лом впе­ред, осо­бен­но ес­ли угол, об­ра­зу­емый элек­тро­дом и осью нап­лавлен­но­го ме­тал­ла, ме­нее 60°, флю­са пла­вит­ся в 1,5…2,0 ра­за больше, чем при вер­ти­кальном по­ложе­нии элек­тро­да.

Плот­ность то­ка, оп­ре­деля­ющая ве­личи­ну дав­ле­ния ду­ги, так­же ока­зыва­ет большое вли­яние на ве­личи­ну от­но­сительной мас­сы шла­ка. При про­чих рав­ных ус­ло­ви­ях при нап­лавке элек­тро­дом ди­амет­ром 3 мм от­но­сительная мас­са шла­ка в 1,5…2,0 ра­за меньше, чем при нап­лавке элек­тро­дом ди­амет­ром 5 мм.

1.4Распространение теплоты при сварке и наплавке

Ду­говая свар­ка и нап­лавка соп­ро­вож­да­ют­ся быс­трым мес­тным наг­ре­вом мас­сивно­го ме­тал­ли­чес­ко­го из­де­лия. С те­чени­ем вре­мени про­ис­хо­дит пе­рерас­пре­деле­ние теп­ло­ты — от наг­ре­тых мест к мес­там с низ­кой тем­пе­рату­рой.

Каж­дая точ­ка из­де­лия, на­ходя­ща­яся вбли­зи ду­ги, очень быс­тро наг­ре­ва­ет­ся и быс­тро ох­лажда­ет­ся (рис. 1.5).

Рис. 1.5.Термический цикл точки основного металла, расположенной рядом с наплавленным валиком

На рис. 1.6 по­каза­но тем­пе­ратур­ное по­ле при нап­лавке ва­лика на по­вер­хность мас­сивно­го те­ла. Мак­си­мальная тем­пе­рату­ра, до ко­торой наг­ре­ва­ет­ся кон­крет­ная точ­ка на­плав­ля­емо­го из­де­лия, бу­дет тем вы­ше, чем бли­же она к оси дви­жения ду­ги. На оп­ре­делен­ном рас­сто­янии от ду­ги ме­талл бу­дет наг­рет до кри­тичес­ких тем­пе­ратур и при ох­лажде­нии мо­жет про­изойти его за­кал­ка. На еще меньшем рас­сто­янии от ду­ги ме­талл бу­дет на­грет до тем­пе­рату­ры плав­ле­ния. По­вер­хность, наг­ре­тая до та­кой тем­пе­рату­ры, слу­жит гра­ницей сва­роч­ной ван­ны.

Рис. 1.6.Пространственное температурное поле при дуговой наплавке валика на массивное стальное изделие при эффективной мощности электрической дуги 1000 кал/с и скорости перемещения дуги 0,1 см/с:
а — распределение температуры по поверхности ХОY по прямым, параллельным оси ОХ; б — распределение температуры в плоскости YОZ

При рас­че­тах рас­простра­нения теп­ло­ты пол­ную теп­ло­вую мощ­ность ду­ги приб­ли­жен­но счи­та­ют рав­ной теп­ло­вому эк­ви­вален­ту ее элек­три­чес­кой мощ­ности. Эф­фектив­ная теп­ло­вая мощ­ность ду­ги q, кал/с, есть ко­личес­тво теп­ло­ты, вве­ден­ное за еди­ницу вре­мени в ме­талл из­де­лия:

q = 0,24η_н U _св I _св,

где 0,24 — ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­вого пе­рево­да из элек­тро­тех­ни­чес­ких еди­ниц в теп­ло­вые, кал/(В·А·с); η_н — эф­фектив­ный ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го действия про­цес­са наг­ре­ва; U _св — нап­ря­жение ду­ги, В; I _св — си­ла то­ка ду­ги, А.

Ко­эф­фи­ци­ент η_н ха­рак­те­ризу­ет про­цесс вы­деле­ния теп­ло­ты и теп­ло­об­ме­на в ду­говом про­межут­ке и за­висит от тех­но­логи­чес­ких ус­ло­вий свар­ки: при свар­ке от­кры­той ду­гой ме­тал­ли­чес­ким элек­тро­дом η_н сос­тавля­ет от 0,50 до 0,75, при свар­ке под сло­ем флю­са — от 0,70 до 0,85; он уменьша­ет­ся при уд­ли­нении ду­ги, но ма­ло за­висит от ро­да, по­ляр­ности и ве­личи­ны сва­роч­но­го то­ка.

В про­цес­се свар­ки и нап­лавки теп­ло­та, вы­деля­юща­яся в ду­ге, за вы­четом теп­ло­ты, уне­сен­ной шла­ковой кор­кой, в ко­неч­ном сче­те пе­реда­ет­ся из­де­лию. Од­новре­мен­но про­ис­хо­дит теп­ло­от­да­ча от из­де­лия ок­ру­жа­юще­му воз­ду­ху. Ес­ли при­ток теп­ло­ты пре­выша­ет ее по­тери, тем­пе­рату­ра нап­лавля­емо­го из­де­лия бу­дет рас­ти и в ре­зульта­те тре­бу­ет­ся его пе­ри­оди­чес­кое ос­ту­жива­ние. Ес­ли по­тери теп­ло­ты больше ее при­тока, то не­об­хо­дим пе­ри­оди­чес­кий по­дог­рев из­де­лия. Иде­альным яв­ля­ет­ся слу­чай, ког­да при­ток теп­ло­ты ра­вен ее по­терям и нап­лавку мож­но вес­ти неп­ре­рыв­но при прак­ти­чес­ки пос­то­ян­ной тем­пе­рату­ре из­де­лия.

Тем­пе­рату­ра из­де­лия и ре­жим нап­лавки оп­ре­деля­ют как объем ван­ны рас­плав­ленно­го ме­тал­ла, так и ско­рость ох­лажде­ния нап­лавлен­но­го ва­лика и зо­ны тер­ми­чес­ко­го вли­яния ос­новно­го ме­тал­ла. Осо­бый ин­те­рес пред­став­ля­ет ско­рость ох­лажде­ния при тем­пе­рату­ре 550…750°С (раз­личной для раз­ных ви­дов ста­ли), от ко­торой за­висит мик­рос­трук­ту­ра и твер­дость ма­тери­ала нап­лавки.

Контрольные вопросы

1. В чем зак­лю­ча­ет­ся ос­новное наз­на­чение свар­ки и нап­лавки ме­тал­лов? В ка­ких об­ластях эко­номи­чес­кой де­ятельнос­ти она на­ибо­лее эф­фектив­на? При­веди­те при­меры.

2. Дайте оп­ре­деле­ние по­нятию «элек­три­чес­кая ду­га», ко­торая пред­назна­чена для свар­ки (нап­лавки) ме­тал­лов.

3. Ког­да и кем бы­ла изоб­ре­тена ду­говая свар­ка (нап­лавка) ме­тал­лов?

4. Ка­кие элек­тро­ды ис­пользу­ют­ся для свар­ки (нап­лавки) ме­тал­лов?

5. Опи­шите про­цесс по­луче­ния сва­роч­ной ду­ги.

6. Что та­кое «ка­тод­ное (анод­ное) пят­но» сва­роч­ной ду­ги?

7. Как об­ра­зу­ет­ся шов (ва­лик) при свар­ке (нап­лавке) ме­тал­лов?

8. Ка­кая тем­пе­рату­ра дос­ти­га­ет­ся в стол­бе сва­роч­ной ду­ги?

9. Что по­нима­ет­ся под тер­ми­ном «эф­фектив­ная теп­ло­вая мощ­ность ду­ги»?