2015-03-08
1342
Сварочная дуга является мощным концентрированным источником тепла. Максимальная температура в зоне горения дуги может достигать 5000…7000 0 К.
Почти вся электрическая энергия дуги переходит в тепловую:
, кал/сек,
где 
– напряжение на дуге, В
– сила сварочного тока, А.
Из этой формулы следует, что мощность источника питания сварочной дуги определяется произведением силы тока, проходящего через электрод, и напряжения между электродом и свариваемой деталью.
3.1. Источники электропитания.
Питание сварочной дуги выполняется от источников переменного или постоянного тока, которые должны обеспечивать легкое возбуждение и последующее стабильное горение дуги.
Величина напряжения холостого хода должна быть в 2,5…3 раза выше рабочего напряжения и составлять:
для источников постоянного тока более 30…35 В,
для источников переменного тока более 50…55 В.
Максимум напряжения холостого хода с позиций безопасности сварщика составляет 90 В для однофазного трансформатора.
Основными показателями источников питания являются:
– величина напряжения холостого хода, В;
– форма внешней характеристики;
– мощность, кВт;
– продолжительность работы (ПР), %;
– продолжительность включения (ПВ), %.
Величина продолжительности работы ПР определяется отношением времени работы tр источника под нагрузкой к длительности полного цикла tц его работы:
, %.
Так, если tр = 3 мин, а tц = 5 мин, то ПР = 3/5 * 100 = 60 %.
Аналогично вычисляется продолжительность включения ПВ; отличие ПВ от ПР только в том, что при ПВ в период паузы производится выключение источника от сети питания (это делается в установках автоматической и полуавтоматической сварки на переменном токе).
Источники постоянного тока это сварочные генераторы (электромотором переменного тока вращается вал генератора постоянного тока), сварочные агрегаты (карбюраторный или дизельный двигатель вращает вал генератора постоянного тока) и выпрямители (селеновые, германиевые и др.).
К источникам переменного тока относятся сварочные агрегаты и сварочные трансформаторы. В производстве чаще всего используются сварочные трансформаторы, т.к. они конструктивно просты, надежны в работе, позволяют удобно изменять параметры сварки.
3.2. Плавящие электроды.
Электроды для ручной электродуговой сварки представляют собой стержни длиной от 350 до 450 мм, изготовленные из сварочной проволоки диаметром от 0,3 до 12 мм, на поверхность которой нанесена обмазка (покрытие). Для зажатия электрода в электродвигатель один конец его не имеет покрытия на длине 20…30мм.
Покрытие необходимо для повышения устойчивости горения дуги (ионизация воздушного пространства между электродом и свариваемой деталью), для защиты расплавленного металла от вредного воздействия воздуха, образования защитной шлаковой корки, легирования и рафинирования (очистки) металла сварного шва.
Покрытие электрода расплавляется несколько позже металлического стержня, образуется небольшой защитный чехол, расплавленный шлак всплывает на поверхность металла, пропуская газ и растворяя окислы.
Электроды для ручной электродуговой сварки классифицируются по назначению (для сварки стали, алюминия и чугуна), по физико-химическим и механическим свойствам металла сварного шва и по виду покрытия.
3.3. Расчет режимов электродуговой сварки деталей.
В соответствии с вариантом задания на сварку (табл.2), подобрать электрод, силу и напряжение электрической дуги, количество наплавленного металла, расход электродов и электроэнергии, рассчитать время наплавки.
1. Диаметр электрода dэ определяется толщиной свариваемого металла детали h:
| h, мм | 1…2 | 2…5 | 5…10 | >10 |
| dэ, мм | 1,5…2 | 2,5…4 | 4…6 | 4…8 |
Соответственно нижним границам (меньшим значениям) в диапазоне толшин металла h должны подбираться и меньшие значения dэ.
Диаметры электродов стандартизированы: 0,3; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 2,8;3,0;3,2; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм.
Толщину детали находят по номеру свариваемого по заданию профиля (швеллер №10 – 4,5 мм; №14 – 4,9 мм; трубы стальные: 80 мм – 3,5 мм; 32 мм – 2,8 мм).
2. Силу сварочного тока Jс подбирать в зависимости от диаметра электрода по таблицам или эмпирической формуле:
, А.
3. Рассчитываем напряжение горения дуги:
где а – коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах: а = 10…12 – стальные плавящие электроды; а = 35…38 – угольные электроды;
в – коэффициент, характеризующий падение напряжения на 1 мм дуги, в = 2,0…2,5 В/мм.
Длина дуги зависит от диаметра электрода:
, мм.
4. Сечение сварного шва и размеры его катетов устанавливаются при проектировании сварного соединения, в этой работе катеты К1 и К2 должны быть не более 3 мм для деталей толщиной до 3 мм включительно и 1,2 толщины более тонкой детали при сварке деталей толщиной более 3 мм.
Площадь сварного шва находится по формуле (размеры катетов в см):
, см2.
5. Скорость наплавки 
находится по формуле:
, см/ч.
где 
= 7…12 г/А*ч – коэффициент наплавки для ручной электродуговой наплавки;
– удельный вес наплавленного металла, = 7,8 г/см3.
6. Количество наплавленного металла:
где 
– длина сварного шва, см (рассчитываем исходя из схемы сварного соединения).
7. Расход электродов по весу определяется как:
где 
– коэффициент расхода электродов, = 1,4…1,6, учитывающий потери металла в виде брызг и паров и недоиспользования электрода.
Количество электродов, необходимое для сварки:
, шт,
где 
– длина стержня электрода, см,
– диаметр электрода, см.
8. Расход электроэнергии при сварке:
, кВт х ч,
где 
– коэффициент расхода электроэнергии, = 3…4 кВт х ч /кг для сварки на переменном токе, = 4…6 кВт х ч/кг – на постоянном токе.
9. Расчет нормы времени:
Основное время находим по формуле:
, мин,
Таблица 2.
| Варианты сварки деталей | |||
| № | Вид (длина) соединения | 1я деталь | 2я деталь |
| Нахлесточное (1500мм) Тавровое Нахлесточное (3000мм) Тавровое Угловое Тавровое Стыковое Стыковое Нахлесточное (1500мм) Тавровое Стыковое Тавровое Тавровое Угловое Тавровое Тавровое Тавровое Стыковое Нахлесточное (150мм) Тавровое Стыковое Тавровое Тавровое Угловое Тавровое | Лист стальной 3х мм Лист стальной 3х мм Лист стальной 5 мм Лист стальной 5 мм Швеллер №10 Швеллер №10 Труба стальная, 32 мм Труба стальная, 32 мм Швеллер №14 Швеллер №14 Труба стальная, 80 мм Труба стальная, 80 мм Швеллер №14 Швеллер №14 Швеллер №14 Швеллер №12 Труба стальная, 32 мм Труба стальная, 32 мм Швеллер №14 Швеллер №14 Труба стальная, 80 мм Швеллер №14 Швеллер №14 Швеллер №14 Швеллер №14 | Уголок Б-45*45*3 Уголок Б-45*45*3 Уголок Б-63*63*6 Уголок Б-63*63*6 Уголок Б-63*63*6 Уголок Б-63*63*6 Труба стальная, 32 мм Фланец стальной Лист стальной 5 мм Уголок Б-90*90*8 Труба стальная, 80 мм Труба стальная, 80 мм Труба стальная, 80 мм Уголок Б-75*50*6 Уголок Б-75*50*6 Уголок Б-45*45*4 Труба стальная, 32 мм Фланец стальной Лист стальной, 8 мм Уголок Б-90*90*8 Труба стальная, 80 мм Труба стальная, 80 мм Лист стальной, 8 мм Уголок Б-75*50*6 Уголок Б-75*50*6 |
где 
– поправочный коэффициент, зависящий от способа сварки и длины шва, К =1…1,2.
Норма штучно-калькуляционного времени учитывает поправку (1,3…1,5) на затраты вспомогательного, дополнительного и подготовительно – заключительного времени на обслуживание рабочего времени, на отдых и естественные надобности рабочего:
.
10. Подобрать тип, марку и другие параметры электрода
Для сварки и наплавки конструкционных сталей применяются типы электродов:
– для низколегированных (строительных) сталей – Э34, Э38, Э42А, Э46, Э46А:
– для среднеуглеродистых и низколегированных сталей – Э50, Э50А, Э55;
– для легированных, повышенной прочности сталей – Э60, Э60А, Э70, Э85, Э100, Э125, Э145, Э150 (цифра – временное сопротивление dв разрыва сварного соединения в кгс/мм2).
3.4. Определение коэффициента наплавки.
Коэффициент наплавки представляет собой количество наплавленного металла в граммах за 1 час наплавки при силе сварочного тока в 1 А. Величина его зависит от электрода, режима наплавки и от потерь тепла в окружающее пространство (в деталь и воздух).
Наплавка металла выполняется на стальную платину при стабильных значениях сварочного тока и напряжения.
Сначала для пластины выбирается диаметр электрода и устанавливается на трансформаторе сила тока.
В опыте замеряются параметры:
до сварки – диаметр (мм), начальную длину 
электрода (мм) и вес наплавляемой пластины 
(г);
во время сварки – силу сварочного тока 
(А), напряжение сварочной дуги 
(В), продолжительность наплавки 
(с);
в конце сварки – длину 
(мм) оставшегося электрода и вес 
(г) наплавленной пластины после удаления шлака.
Вес наплавленного металла определяется по формуле:
, г.
где К п – коэффициент потерь металла электрода (выгорание, разбрызгивание при наплавке), К п = 0,05…0,2.
V - плотность металла, г/см3
Коэффициент наплавки вычисляется по формуле:
, г/ А*ч.
Ориентировочные значения коэффициента наплавки находятся в пределах:
7…12 г/А*ч – ручная электродуговая наплавка;
15…20 г/А*ч – наплавка под слоем флюса;
25…30 г/А*ч – электрошлаковая наплавка.
Литература.
1. Барановский М.А. и др. Технология металлов и других конструкционных материалов. -Минск: Вышэйш. шк, 1973.-528 с.
2. Болдырев А.М., Орлов А.С. Сварочные работы в строительстве и основы технологии металлов: Учебник, М.: Изд-во АСВ, 1994.-432 с.
3. Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов. –М.: Металлургия,1977.-647 с.
4. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению. Под ред.С.С. Некрасова.-М.: Колос, 1978.-236 с.
5. Прейс Г.А. и др. Технология конструкционных материалов. -К.: Вища шк.,1984.-464 с.
6. Полухин П.И. и др. Технология металлов и сварка.–М.: Высш. шк.,1977. -464 с.
7. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. –3-е изд.- М.: Машиностроение, 1981.-174 с.
8. Соколов И. И. Газовая сварка и резка металлов. –М.: Высш. шк., 1986.- 304 с.
9. Храмцов Н.В. Металлы и сварка (лекционный курс на электронном носителе).-Тюмень: ТюмГАСА, 2000.-140 с.
10. Храмцов Н.В., Шулаева Л.В. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Металловедение и сварка» для студентов специальностей ТГВ, ПГС и ПСК. -Тюмень: ТюмГАСА, 2000.-87 с.
Форма
выполнения контрольной работы
1. С увеличением содержания углерода в стали уменьшаются (–) или увеличиваются (+): твердость ________, прочность _______, упругость _______, хрупкость ______, свариваемость ________.
2. Диапазон содержания (%) углерода в сталях: инструментальных ___%, строительных ___%, машиностроительных ___%, конструкционных ___%.
Приведите по две…три марки сталей: инструментальных ____________, строительных _____________, машиностроительных _______________.
3. Расшифруйте марки 5-и сталей (по варианту табл. 1).
4. Расчет режима сварки деталей (по варианту табл.2):
– приведите схему сварного соединения деталей с указанием размеров свариваемых деталей и размеров сварного шва;
– расчет (пункты 1…10);
– выбор электрода;
5. Определение (будет выполняться в лаборатории кафедры во время сессии) коэффициента наплавки для электрода ___ типа ____.
Диаметр электрода ____мм, длина электрода (до 
____мм и после сварки 
____мм). 
_____,г; 
_____,г; Напряжение 
____В, сила тока 
______А и продолжительность наплавки ______сек, удельный вес наплавленного металла v ______г/см3.
Q н г; = г/ А*ч.
Заключение по коэффициенту наплавки ___________________________.
Приложение 1.
Механические свойства сталей группы А.
| Марка | sв, МПа | sт, МПа для толщины в мм | d, %, для толщины в мм | Изгиб на 180° для | |||||
| стали | до 20 | 21..40 | 41.100 | > 100 | до 20 | 21…40 | > 40 | толщины до 20 мм | |
| Ст 0 | > 300 | — | — | — | — | d = 2a | |||
| Ст1кп | 300 …390 | — | — | — | — | d = 0,5a | |||
| Ст1пс,Ст1сп | 310 - 410 | — | — | — | — | d = 0,5a | |||
| Ст2кп | 320 …410 | d = a | |||||||
| Ст2пс, Ст2сп | 330 …430 | d = a | |||||||
| Ст3кп | 360 …460 | d = a | |||||||
| Ст3пс, Ст3сп | 370…480 | d = a | |||||||
| Ст3Гпс | 370…490 | d = a | |||||||
| Ст3Гсп | 390… 570 | — | — | — | — | d = a | |||
| Ст4кп | 400…510 | d = 2a | |||||||
| Ст4пс,Ст4сп | 410…530 | d = 2a | |||||||
| Ст5пс, Ст5сп | 490…630 | d = 3a | |||||||
| Ст5Гсп | 450… 590 | d = 3a | |||||||
| Ст6сп,Ст6сп | > 590 | — |
a — толщина образца, мм; d — диаметр оправки
Приложение 2.
Химический состав сталей группы Б, % (ГОСТ 380 – 71*)
| Марка стали | Углерод, С | Кремний, Si | Марганец, Mn |
| БСт0 | Не более 0,23 | — | — |
| БСт1кп | Не более 0,05 | ||
| БСт1пс | 0,06 …0,12 | 0,05 …0,17 | 0,25 … 0,5 |
| БСт1сп | 0,12 …0,3 | ||
| БСт2кп | 0,09 …0,15 | Не более 0,07 | |
| БСт2пс | 0,09 …0,15 | 0,05 …0,17 | |
| БСт2сп | 0,12 …0,3 | ||
| БСт3кп | Не более 0,07 | 0,3 …0,6 | |
| БСт3пс | 0,14 …0,22 | 0,05… 0,17 | 0,4…0,65 |
| БСт3сп | 0,12… 0,3 | ||
| БСт3Гпс | Не более 0,15 | 0,8 …1,1 | |
| БСт3Гсп | 0,14 …0,2 | 0,12 …0,3 | |
| БСт4кп | Не более 0,07 | ||
| БСт4пс | 0,18 …0,27 | 0,05… 0,17 | 0,4 … 0,7 |
| БСт4сп | 0,12 … 0,3 | ||
| БСт5пс | 0,28 … 0,37 | 0,05 …0,17 | 0,5 … 0,8 |
| БСт5сп | 0,15 … 0,35 | ||
| БСт5Гпс | 0,22 … 0,3 | Не более 0,15 | 0,8 ….1,2 |
| БСт6пс | 0,38 …0,49 | 0,05 …0,17 | 0,5 … 0,8 |
| БСт6сп | 0,15 … 0,35 |
Примечание: 1. В стали марки БСт0 — фосфора не более 0,07, серы — 0,06%. 2. Во всех марках стали, указанных в таблице, кроме БСт0, фосфора не должно быть больше 0,04%; серы — 0,05; хрома, никеля, меди — 0,3 каждого элемента; мышьяка — 0,08%.
.
Приложение 3.
Механические свойства арматурной стали по классам.
| Класс арматурной стали | Диаметр стержня, мм | Марка стали | Предел текучести sт, МПа | Временное сопротивление разрыву sв, МПа | Относи-тельное удлинение d, % | Испытание на изгиб в холодном состоянии |
| А-I | 6..40 6…18 | Ст3кп3, Ст3пс3, Ст3сп3, ВСт3кп2, ВСт3пс2, ВСт3сп2 ВСт3Гпс2 | На 180° с=0,5 d | |||
| А-II | 10…40 40…80 | ВСт5сп2, ВСт5пс2 18Г2С | На 180° с=3 d | |||
| Ac-II | 10…32 (36…40) | 10ГТ | На 180° с= d | |||
| A-III | 6…40 6…22 | 35ГС, 25Г2С 32Г2Рпс | На 90° с=3 d | |||
| A-IV | 10…18 (6…8) 10..32 (36…40) | 80С 20ХГ2Ц | На 45° с=5 d | |||
| A-V | (6…8) 10…32 (36…40) | 23Х2Г2Т | На 45° с=5 d | |||
| A-VI | 10…22 | 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР | На 45° с=5 d |
Примечание: 1. Буквой с обозначена толщина оправки, буквой d — диаметр стержня; 2. Диаметр, указанный в скобках, применяют по согласованию потребителя с изготовителем.
