5. Электродуговая сварка

 

С в а р к о й называют процесс получения неразъёмных сварных соединений за счёт образования межатомных связей между свариваемыми материалами. Различают сварку плавлением и сварку давлением. Электродуговая сварка относится к сварке плавлением. С в а р к а п л а в л е н и е м состоит в том, что от нагрева источником тепла происходит расплавление кромок деталей и образование сварочной ванны. Источником тепла служит электрическая дуга, возникающая между электродом и
свариваемым изделием при протекании электрического тока. Ручную дуговую сварку широко применяют в судостроении и судоремонте при соединении заготовок из сталей и цветных металлов.
Ручная дуговая сварка производится двумя способами: неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом и плавящимся металлическим электродом. Второй способ, выполняемый плавящимся электродом, является основным при ручной дуговой сварке. Сварка плавящимся электродом осуществляется с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом. Схема процесса ручной дуговой сварки плавящимся электродом приведена на рис.5.1.

Рис. 5.1. Схема ручной дуговой сварки: 1 - стержень электрода; 2 - покрытие электрода; 3 - основной металл; 4 - сварной шов; 5 - твёрдая шлаковая корка; 6 - электрическая дуга; 7 - газовая защитная атмосфера; 8 - металлическая ванна; 9 - шлаковая ванна; 10 - источник тока

Электрическая дуга 6 горит между стержнем электрода 1 и основным металлом 3. К электроду 1 и основному металлу 3 подводится постоянный или переменный ток от специального источника 10 и возбуждается электрическая сварочная дуга 6. Теплота дуги расплавляет стержень электрода и основной металл, при этом образуется металлическая ванна 8. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 2, образуя защитную газовую атмосферу 7 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 9 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванна вместе создают сварочную ванну, которая, охлаждаясь, образует сварной шов 4. Жидкий шлак, остывая, создает на поверхности сварного шва твёрдую шлаковую корку 5.
При разработке технологического процесса ручной электродуговой сварки первым этапом является выбор типа сварного соединения, который определяют взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их под сварку.
По взаимному расположению свариваемых элементов различают следующие основные типы сварных соединений: С – стыковые, Н – нахлёсточные, Т – тавровые, У – угловые (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Типы сварных соединений: а – стыковое, б – тавровое, в – нахлёсточное, г – угловое

С т ы к о в ы е соединения являются самыми типичными сварными соединениями; в них свариваемые детали примыкают друг к другу торцовыми поверхностями.
Т а в р о в о е соединение – это сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом (чаще всего прямым) к боковой поверхности другого элемента.
Н а х л ё с т о ч н о е соединение - это соединение, в котором один элемент соединения накладывается на другой.
У г л о в о е с о е д и н е н и е – сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу.
При сварке заготовок больших толщин необходимо обрабатывать соединяемые кромки для обеспечения провара по всему сечению. Форма разделки кромок может быть односторонней V–образной, Uобразной и двусторонней Хобразной. Раскрытие кромок и зазор необходимы для обеспечения провара всего сечения, а притупление кромок предотвращает прожог.
Вторым этапом при разработке технологии ручной электродуговой сварки является выбор типа и марки электрода.

 

5.1. Маркировка электродов

 

Т и п э л е к т р о д а обозначают буквой Э, после которой указывают предел прочности металла шва σв (10-1МПа), например Э46, Э46А. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Тип электрода выбирают таким образом, чтобы прочность металла шва и прочность основного металла были примерно равны. Например, если у основного металла σв = 480 МПа, то следует выбирать электрод типа Э50. Если сварное соединение должно работать при ударных нагрузках, выбирают электрод с повышенными пластическими свойствами (Э50А).
Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей предусмотрено девять типов электродов (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60); для сварки легированных и конструкционных сталей повышенной и высокой прочности - пять типов (Э70, Э85, Э100, Э125,Э150).
Для сварки легированных теплоустойчивых сталей используют электроды Э-09М, Э-09МХ, Э-05Х2М, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10Х5МФ. Первое число после буквы Э соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Далее следуют буквенные обозначения химических элементов и их содержание после соответствующей буквы (в целых процентах). Химические элементы обозначают следующими буквами: Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ю – алюминий. Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия.
М а р к а э л е к т р о д а - это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие. Электроды изготовляют либо без покрытия, либо с покрытием. Марку электрода выбирают в зависимости от химического состава свариваемого металла в соответствии с выбранным типом электрода.
С т е р ж н и сварочных электродов изготавливают из стали, чугуна, алюминиевых сплавов, меди и сплавов на основе меди. Их используют для сварки соответствующих металлов и сплавов. Для сварки сталей применяется проволока из низкоуглеродистых, легированных и высоколегированных сталей, например, Св-08, Св-08ГС, Св-12Х13 и др. Буквы и цифры в написании марки означают: Св – сварочная, первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, далее следует маркировка легирующих добавок. Например, марка Св-08 означает: Св – сварочная, 08 - 0,08% углерода.
Электродные покрытия делят на две группы: тонкие (стабилизирующие) и толстые (качественные). Назначение т о н к о г о п о к р ы т и я - облегчить возбуждение дуги и стабилизировать ее горение. Оно не создает защиты для расплавленного металла шва, поэтому при сварке происходит его окисление и азотирование. Шов получается хрупким, пористым, с различными неметаллическими включениями. Поэтому электроды с тонким покрытием используют при выполнении неответственных сварных швов. Сварные соединения высокого качества выполняют электродами с толстым покрытием.
Т о л с т о е п о к р ы т и е обеспечивает устойчивое горение дуги, защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха, раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак.
По виду покрытия электроды подразделяют основные, рутиловые, рудно-кислые и целлюлозные.
В о с н о в н ы х п о к р ы т и я х ( Б ) главными компонентами являются плавиковый шпат и мрамор. Эти покрытия дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов. Перед применением электроды с основным покрытием следует прокаливать, так как такие покрытия адсорбируют влагу при хранении. Кромки свариваемых изделий необходимо тщательно очищать от окалины и загрязнений, иначе в сварном
шве будут поры. Широко используют электроды марок УОНИ-13/45, УОНИ- 13/55, СМ-11, АНО-7, АНО-8.
В р у т и л о в ы х покрытиях (Р) основным компонентом является рутил TiO2. Благодаря высоким сварочно-технологическим свойствам, механическим свойствам металла шва и благоприятным санитарно-гигиеническим характеристикам электроды с рутиловым покрытием нашли широкое применение, в том числе и взамен электродов с рудно-кислым покрытием. К рутиловым относятся покрытия ЦМ-9, МР-3, АНО-3, АНО-5, ОЗС-3.
Р у д н о - к и с л ы е покрытия (А) содержат руды в виде оксидов железа и марганца, при плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов. Кислые покрытия имеют хорошие сварочно-технические свойства, высокопроизводительны, позволяют сваривать металл с окисленными кромками и окалиной и получать плотные швы. Однако наплавленный металл имеет относительно малую ударную вязкость, пластичность и пониженное содержание легирующих элементов, к тому же эти электроды токсичны. К рудно-кислым относят покрытия ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-8.
Ц е л л ю л о з н ы е покрытия (Ц) содержат большое количество органических составляющих, разлагающихся в процессе плавления и обеспечивающих газовую защиту расплавленного металла. Эти покрытия придают хорошее качество сварному шву при соблюдении теплового режима. Их недостаток - большие потери от разбрызгивания. К целлюлозным покрытиям относят марки ОМА-2, ЦЦ-1, ВСЦ-4.
Р е ж и м с в а р к и – один из основных элементов технологического процесса, который определяет качество и производительность сварки. Основными параметрами режима сварки являются диаметр электрода, сварочный ток, напряжение на дуге, скорость сварки. Определение режима сварки начинают с выбора диаметра электрода, его типа и марки.
Диаметр электрода для стыковых соединений выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок. Величину сварочного тока Iсв устанавливают по диаметру электрода. При сварке стыкового шва в нижнем положении используют формулу

Iсв=K·dэ,

где Iсв – сила сварочного тока, А;
– диаметр электрода, мм,
К - коэффициент пропорциональности, зависящий от диаметра электрода,
К = 30…50.
На качество сварки значительно влияет длина дуги Lд. Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачественного шва, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает «примерзание» электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво и с характерным шипением. Глубина проплавления
недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество оксидов.
Длину дуги можно определить по формуле

Lð = 0,5·(dэ + 2),

где Lð – длина дуги, мм;
dэ - диаметр электрода, мм.
Самое широкое применение получила дуга с жёсткой характеристикой, когда напряжение дуги практически не зависит от силы тока и пропорционально её длине Lд. Напряжение на дуге Uд можно определить по формуле

Uð=ß+γ·Lð,

где Uð – напряжение на дуге, В;
Lð – длина дуги, мм;
ß – коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах, В (при использовании стальных электродов ß = 10…12 В);
γ - коэффициент, характеризующий падение напряжения на 1 мм длины дуги, В/мм (γ = 2,0…2,5 В/мм).
Такая дуга горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки. Обычно напряжение на дуге составляет 20…30 В. Процесс сварки включает не только время горения дуги, но и вспомогательные операции (установку электрода, поворот детали и т. д.). Дополнительное время зависит от организации рабочего места, квалификации сварщика и учитывается коэффициентом производительности.

 

5.2. Перемещение электрода при сварке

 

На рис. 5.3 показано перемещение электрода при сварке: а – по направлению оси электрода 1 в зону дуги; б – вдоль линии свариваемого шва 2; в – поперёк линии свариваемого шва 2.

Рис. 5.3. Перемещение электрода при сварке: а – по направлению оси электрода; б – вдоль лини свариваемого шва; в – поперёк линии свариваемого шва; 1 – электрод; 2 – свариваемый шов

Скорость движения в зону дуги должна соответствовать скорости плавления электрода, чтобы сохранить постоянство длины дуги. Скорость перемещения вдоль линии свариваемого шва не должна быть большой, так как металл электрода не успеет сплавиться с основным металлом, образуя непровар.
При малой скорости перемещения возможны перегрев и пережог металла. Шов получается широкий и толстый. Производительность сварки оказывается низкой. Поперечные колебательные движения применяют для получения уширенного валика шириной (3…4) dэ, где dэ. – диаметр электрода. Поперечные движения замедляют остывание наплавляемого металла, облегчают выход газов и шлаков и способствуют наилучшему сплавлению основного и электродного металла и получению высококачественного шва.
Положение электрода зависит от положения шва в пространстве. Различают следующие положения швов: 1 – нижнее, 2 – вертикальное или горизонтальное, 3 – потолочное (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Пространственные положения при сварке: 1 – нижнее; 2 – вертикальное или горизонтальное; 3 – потолочное

Соответственно пространственному положению швы делят на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Расположение сварного шва в пространстве: а – нижнее; б – горизонтальное; в – вертикальное; г –потолочное

При сварке в нижнем положении электрод имеет наклон от вертикали в сторону направления сварки. Перемещение электрода при сварке может осуществляться способами «к себе» и «от себя». Горизонтальные швы на вертикальной плоскости выполняют правым способом, потолочные швы – как правым, так и левым способом. Сварку вертикальных швов можно выполнять сверху вниз и снизу вверх (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схема сварки вертикальных швов: а – сверху вниз; б – снизу вверх

Вертикальные швы сверху вниз применяют при малой толщине металла и выполняют только правым способом. Швы снизу вверх выполняют и правым, и левым способами. Объём сварочной ванны мал, поэтому металл удерживают от стекания концом присадочной проволоки, погружённой в ванну.
Получение уширенных швов, или валиков, ширина которых обычно не более (2…4)·, возможно за счёт колебательных движений конца электрода (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Основные виды траекторий рабочего конца электрода: а, б – движения, не способствующие усиленному прогреву; в, г, д, е, ж – способствующие усиленному прогреву обеих свариваемых кромок; з, и – способствующие усиленному прогреву одной кромки; к – способствующие прогреву корня шва

Порядок выполнения швов показан на рис. 5.8. В зависимости от длины различают следующие швы: короткие (250…300 мм), средние (350…1000 мм), длинные (более 1000 мм). Порядок выполнения длинных швов показан на рис. 5.8в. Шов выполняют короткими отрезками 1…4.

Рис. 5.8. Выполнение шва в зависимости от его длины: а – напроход; б – от середины к краям; в – обратно-ступенчатым способом

В зависимости от размера сечения швы выполняют однопроходными, или однослойными, и многопроходными, или многослойными (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема сварного шва: а – однопроходной; б – многослойный; в – многопроходной

Однопроходная сварка производительна и экономична, но металл шва недостаточно пластичен вследствие грубой столбчатой структуры металла шва и увеличенной зоны перегрева. В случае многослойной сварки каждый нижележащий валик проходит термообработку при наложении последующего валика, что позволяет получить мелкозернистую структуру металла шва и соответственно повышенные механические свойства шва и сварного соединения. При многослойной сварке расположение слоёв 1…5 бывает трёх видов: последовательное наложение каждого слоя по всей длине шва, наложение «каскадным» способом, наложение способом «горки» (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема многослойной сварки: а – последовательное наложение; б – «каскадный» метод; в – метод «горки»

Оба последних способа применяют при сварке металла значительной толщины (20…25 мм). При выполнении и многослойных швов особое внимание следует уделять качественному выполнению первого слоя в корне шва. Провар корня шва определяет прочность всего многослойного шва.

 

5.3. Сварочный пост

 

Сварочным постом называют специально оборудованное рабочее место для сварки. Сварочный пост состоит из сварочного аппарата – источника питания дуги электрическим током, пусковой аппаратуры, комплекта сварочных проводов, электрододержателя и самого рабочего места, на котором работает сварщик. При постоянном расположении сварочный пост называют стационарным, при переменном – передвижным. Схема поста для сварки переменным током изображена на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Сварочный пост для ручной дуговой сварки: 1 – трансформатор; 2 – провода; 3 – рабочий стол; 4 – электрододержатель; 5 – свариваемая деталь

Основным рабочим инструментом электросварщика является электрододержатель 4, служащий для удержания электрода, подвода к нему сварочного тока и манипулирования электродом в процессе сварки. Переменный ток от сети по проводам 2 подводится к сварочному трансформатору 1, который понижает напряжение подводимого от сети переменного тока с 220 или 380 В до 69…65 В, требуемого для возбуждения дуги при сварке.
Передвижные сварочные посты применяют при строительстве различных зданий и сооружений непосредственно на строительной площадке.
Основным оборудованием сварочного поста являются источники питания. Наиболее распространены источники питания переменного тока – сварочные трансформаторы. Обычно применяют трансформаторы типа ТД и ТДМ. Для ответственных и сложных сварочных работ посты укомплектовываются источниками постоянного тока – преобразователями ПД-502, или ПСО, а также однопостовыми выпрямителями ВД-401, ВД-501.
В условиях цеха или на крупных металлоёмких объектах может быть использован многопостовой источник питания – преобразователь ПСМ-1001, выпрямитель ВДМ-1001. В этом случае пост оборудуют балластным реостатом РБ-300 или РБ-500, подсоединяемым к сварочной шине (или проводу), идущей от многопостового источника.

 

Техника безопасности

 

Перед началом работы электросварщик должен:

  1. Проверить наличие и исправность средств индивидуальной защиты, одеть их, застегнуть манжеты рукавов костюма. Защита лица и глаз сварщика должна обеспечиваться щитками или масками со специальными темными стеклами. Для защиты головы от механических воздействий и поражения электрическим током должны применяться защитные каски. Для защиты рук работающие должны обеспечиваться рукавицами.
  2. Осмотреть и подготовить свое рабочее место, убрать все лишние предметы, не загромождая при этом проходов. Проверить состояние пола на рабочем месте. Если пол скользкий или мокрый, потребовать, чтобы его вытерли или сделать это самому.
  3. Убедиться в исправности сварочного оборудования, проводов; наличии и исправности заземления сварочной установки, сварочного стола и установленных на нем тисков. Проверить наличие и исправность работы местного отсоса и средств пожаротушения на рабочем месте.
  4. Убедиться, что вблизи места сварки нет легковоспламеняющихся и горючих материалов (горючие материалы должны находиться на расстоянии не менее 5 м от места сварки).

Во время работы электросварщик должен:

  1. Производить электросварочные работы в специально выделенных и оборудованных для этой цели местах. При проведении работ вне специально выделенного места следует оградить место электросварки ширмой, передвижными щитами высотой не менее 1,8 м.
  2. Следить, чтобы руки, специальная одежда и специальная обувь были всегда сухими.
  3. Производить электросварочные работы на постоянном рабочем месте только после включения местного отсоса.
  4. Сварку производить с помощью электрододержателя, конструкция которого позволяет осуществлять надёжное крепление электрода и его безопасную смену.
  5. Брать или перемещать предметы на посту сварки только в рукавицах.
  6. Металл в местах, подлежащих сварке, предварительно очистить от грязи, масла, окалины, ржавчины и краски и, в случае необходимости, просушить.
  7. При отходе от рабочего места выключать сварочную установку.
  8. Электросварщику запрещается:
    - касаться руками токоведущих частей;
    - работать со щитком или шлемом, имеющим щели и трещины в стеклах;
    - работать на постоянном рабочем месте без включенного местного отсоса;
    - смотреть самому и разрешать смотреть другим на электрическую дугу без защитных средств (маски, очков, щитков);
    - резать и сваривать металл на весу;
    - производить сварочные работы в помещении, где находятся легковоспламеняющиеся вещества и газы.