Технология электрической сварки плавлением

    Содержание 
 
 

Введение …………………………………………………………………….  3

1.Сущность  процесса электрошлаковой сварки ………………………….  5

2.Пути  повышения производительности труда  при ручной сварке ……. 16

Выводы ……………………………………………………………………... 26

Использованы  источники …………………………………………………. 27 
 

    Введение 
 

    Сварка  — один из наиболее широко распространенных технологических процессов. К сварке относятся собственно сварка, наплавка, сваркопайка, сварка, склеивание, пайка, напыление и некоторые другие операции.

    С помощью сварки соединяют между  собой различные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы, пластмассы, стекла и разнородные материалы. Основное применение находит сварка металлов и их сплавов при сооружении новых конструкций, ремонте различных изделий, машин и механизмов, создании двухслойных материалов. Сваривать можно металлы любой толщины. Прочность сварного соединения в большинстве случаев не уступает   прочности   целого металла.

    Сварку  можно выполнять на земле и  под водой в любых пространственных положениях. Соединение при сварке достигается за счет возникновения атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел. Сближению атомов мешают неровности поверхностей в местах, где намечено осуществить соединение деталей, и наличие на них загрязнений в виде окислов, органических пленок и адсорбированных газов.

    В зависимости от методов, примененных  для устранения причин, мешающих достижению прочного соединения, все существующие разновидности сварки (а их насчитывается около 70) можно отнести к трем основным группам — сварка давлением (сварка в твердом состоянии), сварка плавлением (сварка в жидком состоянии) и сварка плавлением и давлением (сварка в жидко-твердом состоянии).

    При сварке плавлением соединение деталей  достигается путем локального расплавления металла свариваемых элементов — основного металла — по кромкам в месте их соприкосновения или основного и дополнительного металлов и смачивания твердого металла жидким. Расплавленный основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно (спонтанно) без приложения внешнего усилия сливаются, образуя общую так называемую сварочную ванну. По мере удаления источника нагрева происходит затвердевание—кристаллизация металла сварочной ванны и формирование шва, соединяющего детали в одно целое. Металл шва при всех видах сварки плавлением имеет литую структуру.

    Для расплавления металла используют мощные источники нагрева. В зависимости  от характера источника теплоты  различают электрическую и химическую сварку плавлением: при электрической сварке начальным источником теплоты служит электрический ток, при химической в качестве источника теплоты используют экзотермическую реакцию горения газов (газовая сварка) или порошкообразной горючей смеси (термитная сварка).

    Цель  контрольной работы – ознакомиться с технологией электрической  сварки плавлением; рассмотреть сущность процесса электрошлаковой сварки и  указать пути повышения производительности труда при ручной сварке. 
 
 

    1.Сущность процесса электрошлаковой сварки 
 

    Электрошлаковую сварку производят при вертикальном или близком к нему положении оси шва (с углом наклона до 30° к вертикали). Благодаря совпадению оси шва с направлением силы тяжести значительно облегчается всплывание газовых пузырей, шлака и других легких примесей и удаление их из металла. Улучшается заполнение металлом междендритных пустот. В результате склонность к образованию пор и других неплотностей при электрошлаковой сварке во много раз ниже, чем при дуговой сварке в нижнем положении: меньше чувствительность к влажности шлака, ржавчине и загрязнениям кромок.

    Вследствие  благоприятного направления роста  кристаллов в большинстве случаев отсутствует так называемая зона слабины, наблюдаемая в швах большого сечения, сваренных в нижнем положении. Это же обстоятельство значительно снижает склонность швов к образованию горячих трещин. Температурные условия в околошовной зоне характеризуются как большей погонной энергией по сравнению с отдельным слоем многослойной сварки, так и предварительным подогревом, создаваемым шлаковой ванной. Нагрев кромок начинается на уровне поверхности шлаковой ванны, а плавиться они начинают в непосредственной близости от металлической ванны. Между началом подогрева и плавлением проходит 2—3 мин и более, вследствие чего снижаются скорости нагрева и последующего охлаждения металла.

    Расплавленные флюсы образуют шлаки, которые являются проводниками электрического тока. При этом в объеме расплавленного шлака при протекании сварочного тока выделяется теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки (рисунок 1). Электрод 1 и основной металл 2 связаны электрически через расплавленный шлак 3 (шлаковая ванна). Выделяющаяся в шлаковой ванне теплота нагревает его выше температуры плавления основного и электродного металлов. В результате металл электрода и кромки основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, стекают на дно расплава, образуя ванну расплавленного металла 4 (металлическую ванну). 

    Рисунок 1. Схема процесса электрошлаковой  сварки 

    Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жидкий шлак, взаимодействует  с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным.

    Свариваемый металл, шлаковая и металлическая  ванны удерживаются от вытекания  обычно специальными формирующими устройствами подвижными или неподвижными медными ползунами 5, охлаждаемыми водой б, или остающимися пластинами. Верхняя кромка ползуна располагается несколько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует шов 7. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ванны, соприкасаясь с охлаждаемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупреждая образование в металле шва кристаллизационных трещин.

    Расход  флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду  малого количества шлака легирование наплавленного металла происходит в основном за счет электродной проволоки. Доля основного металла в шве может быть снижена до 10 ... 20%. Вертикальное положение металлической ванны, повышенная температура ее верхней части и значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствуют улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва. По сравнению со сварочной дугой шлаковая ванна - менее концентрированный источник теплоты. Поэтому термический цикл электрошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и охлаждением основного металла. Отклонение положения оси свариваемого шва от вертикали возможно не более чем на 150 в плоскости листов и на 30 ... 450 от горизонтали.

    Так как выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным образом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свариваемого с использованием одной электродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке металла большей толщины электроду в зазоре между кромками сообщают возвратно-поступательное движение (до 150 мм) или используют несколько неподвижных или перемещающихся (рисунок 2) электродов. В этом случае появляется возможность сварки металла сколь угодно большой толщины.

    Техника сварки

    Электрошлаковый процесс устойчиво протекает  при плотностях тока около 0,1 А/мм² (при дуговой сварке порядка 20 ... 30 А/мм²). Поэтому возможна замена проволочных электродов на пластинчатые (рисунок 3) или ленточные электроды.

    Рисунок 2. Схемы процесса многоэлектродной электрошлаковой сварки

    а - тремя электродами (стрелками указанно возможное возвратно-поступательное движение электродов);

    б - десятью неподвижными электродами

    Рисунок 3. Схема электрошлаковой сварки пластичным электродом

    (стрелками указанно направление подачи электродов) 

    Однако  если невозможно использование механизма  подачи пластинчатых электродов (недостаток места над изделием и др.) и при сварке изделий сложного сечения (пластинчатый электрод должен быть неподвижен) для компенсации недостатка металла для заполнения пространства между электродами и кромками основного металла, используют способ сварки плавящимся мундштуком. В этом случае пластинчатый электрод по форме может повторять форму свариваемых кромок и быть составным (рисунок 4).

    Рисунок 4. Схема электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком

    а - общий вид;

    б - положение составного пластинчатого  электрода в зазоре свариваемого стыка  

    Токоподвод  к электродной проволоке осуществляется через скользящий контакт с пластинчатым расплавляющимся электродом (мундштуком). Один из приемов наплавки плоских  поверхностей показан на рис.5, а. При  электрошлаковой контактной стыковой сварке (рис.5, б) стержней различного поперечного сечения после образования металлической ванны требуемого объема происходят выключение сварочного тока и осадка верхнего стержня. Этим способом можно приваривать стержни к плоской поверхности.

    Рисунок 5. Схемы электрошлаковой наплавки а);

    и контактной электрошлаковой сварки (б) 

    Примечание. На рисунке 5 стрелками обозначено:

    А - направление перемещения формирующего ползуна;

    Б - возвратно-поступательные движения электродов;

    В - направление подачи стержня в  шлаковую ванну 

    Число электродных проволок, их диаметр  и сечение пластинчатых электродов или плавящихся мундштуков, скорость, их подачи и другие параметры выбирают таким образом, чтобы получить скорость и напряжение сварки, обеспечивающие устойчивость процесса и требуемые размеры и форму шва.

    Заготовки под сварку следует собирать с  учетом усадки стыка после сварки. Для плотного прилегания ползунов и  формирующих устройств к кромкам  стыка последние зачищают от заусенцев, окалины и т.д. на ширину до 100 мм. Для вывода за пределы шва усадочной  раковины в конце шва (рисунок 6) устанавливают выводные, а вывода непроваров в начале шва - входные планки, которые после сварки удаляют резкой. Для начала сварки в карман, образованный входными планками, засыпают флюс, который плавится сварочной дугой до получения шлаковой ванны требуемых размеров.

    Рисунок 6. Установка выводных (а)

    и выходных (б) планок 

    После этого дуга шунтируется шлаком, и  процесс переходит в бездуговой - электрошлаковый. Перед началом сварки можно заливать шлак, расплавленный в специальном кокиле. Для наведения электрошлаковой ванны можно использовать специальные флюсы, электропроводные в твердом состоянии.

    Оригинален  процесс сварки кольцевых швов (рисунок 7). Сварку начинают на входной планке 1. В процессе дальнейшей сварки при вращении изделия дефектный участок в начале шва 2 вырезают для замыкания шва. При замыкании шва вращение изделия прекращается и начинается перемещение сварочной установки вверх (стрелка Б на рисунке 7,б), как при обычной сварке прямолинейного шва. Замыкание шва и вывод усадочной раковины осуществляют с помощью специального кармана из пластин 3 или кокиля.

    В процессе электрошлаковой сварки металл шва и околошовной зоны находится  длительное время при высоких  температурах и подвергается значительному перегреву. В результате происходит разупрочнение сварочного соединения и снижение его ударной вязкости. Для восстановления свойств применяется последующая термообработка. Для снижения длительности пребывания металла при высоких температурах в шлаковую ванну вводят дополнительную присадку в виде порошкообразного материала (рубленая проволока с гранулами 0,2…1,6 мм) или производят соответствующее принудительное охлаждение поверхности шва и околошовной зоны водяным душем.

    Рисунок 7. Электрошлаковая сварка кольцевого шва

    а - вырезка дефектов в начале сварки;

    б - замыкание шва;

    А - направление вращения изделия;

    Б - перемещение автомата  

    Применение  электрошлаковой сварки вносит коренные изменения в технологию производства крупногабаритных изделий. Появляется возможность замены крупных литых или кованых деталей сварно-литыми или сварно-коваными из более мелких поковок или отливок. 

Применение  способа электрошлаковой  сварки; достоинства  и недостатки

    Этот  способ широко используют в промышленности для соединения металлов повышенной толщины: стали и чугуна различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится возможность сварки за один проход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кромках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла.

    К недостаткам способа следует  отнести то, что электрошлаковая  сварка технически возможна при толщине  металла более 16 мм и за редкими  исключениями экономически выгодна при сварке металла толщиной более 40 мм. Основной технико-экономический эффект достигается при применении этого способа для сварки металла толщиной более 100 мм. Способ позволяет сваривать только вертикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошовной зоны неблагоприятных структур требует последующей термообработки для получения необходимых свойств сварного соединения.

    При электрошлаковой сварке металлическая  ванна образуется за счет сварочных  проволок, пластин, толстых стержней, плавкого мундштука и металла свариваемого изделия. В зависимости от того, какой из перечисляемых материалов служит электродом, различают четыре способа электрошлаковой сварки.

     1. Электрошлаковая сварка одной  или несколькими сварочными проволоками является наиболее распространенным способом. По схеме можно сваривать металлы толщиной до 50—60 мм. При большей толщине мундштуку сварочной проволоки придают колебательные движения от ползуна к ползуну, увеличивают сечение сварочной проволоки или увеличивают количество проволок. Проволокой можно сваривать металл толщиной от 20 до 600 мм любой длины.

     2. Электрошлаковая сварка одной  или несколькими пластинами или  стержнями круглого, квадратного  или любого другого сечения.  Ее применяют главным образом при значительной толщине свариваемого металла и длине шва не более 1—1,5 м. При этом способе сварки сварочный аппарат не имеет мундштуков и механизма для подачи сварочной проволоки. Пластина, служащая электродом, закреплена в сварочном аппарате, который опускается вниз по мере плавления пластины. Преимуществами этого способа являются: более простая конструкция сварочного аппарата; более простая техника сварки; возможность применения пластин или стержней из таких материалов, из которых нельзя или весьма трудно изготовить проволоку, как, например, из чугуна.

     3. Электрошлаковая сварка плавким  мундштуком представляет собой  как бы совокупность двух предыдущих  способов. При этом способе плавкой  пластиной служит плавкий мундштук, имеющий такое же очертание,  как и поперечное сечение свариваемого  изделия. В мундштуке имеются  каналы, служащие для направления  сварочных проволок. Если при  сварке пластиной или стержнем  их опускают в шлаковую ванну  по мере плавления, то плавкий  мундштук закреплен в зазоре  между свариваемыми кромками. Шов  состоит из металлов свариваемого  изделия, плавкого мундштука и  сварочных проволок. Плавкий мундштук, служащий для направления сварочных проволок, подвода к ним тока и в качестве присадочного металла, изготовляют обычно из набора пластин, стержней и трубок, в которых создают каналы для прохода сварочных проволок. Сечение мундштука составляет от 10 до 50% сечения зазора между деталями свариваемого изделия. Образование металлической и шлаковой ванны в начале сварки производится за счет плавления сварочных проволок и только после того, как шлаковая ванна достигнет нижнего конца плавкого мундштука, он тоже начинает плавиться. Электрошлаковую сварку плавким мундштуком применяют главным образом при сварке изделий, имеющих сложное поперечное сечение и небольшую длину шва.

     4. Стыковая электрошлаковая сварка (контактно-шлаковая) отличается от  предыдущих тем, что металлическая  ванна образуется за счет оплавления  торцов свариваемых деталей, т.  е. без применения присадочного  металла. При прохождении тока  через шлаковую ванну торцы  свариваемых деталей оплавляются.  После образования над нижней  деталью металлической ванны  детали сближают, шлак при этом  выжимается из зазора между  ними. Сварочный ток выключают после сближения деталей или до начала сближения. 
 
 

    2.Пути  повышения производительности  труда при ручной  сварке 

    Повышение    производительности   ручной   дуговой сварки является весьма актуальной задачей в связи с тем, что  в промышленности, строительстве и других, отраслях народного хозяйства ручной   сваркой  занимаются еще десятки тысяч электросварщиков.

    К чисто организационным мероприятиям повышения производительности труда сварщиков относятся: своевременное обеспечение сварщиков исправным, подключенным к сети сварочным оборудованием, сварочными материалами (электродами, защитным газом), сварочным инструментом, шлангами, кабелем, спецодеждой, средствами индивидуальной защиты; предоставление сварщику оборудованного рабочего места и обеспечение безопасных подходов к нему; своевременное предоставление сварщику подготовленных для сварки деталей, конструкций и технологической документации (инструктивных указаний) по технологии сварки; обеспечение сварщика необходимыми производственно-бытовыми условиями.

    К организационно-техническим мероприятиям относятся: своевременное и быстрое обслуживание сварщика квалифицированным электромонтажником для подключения оборудования и устранения неисправностей; обеспечение наиболее рациональным инструментом (электрододержателем, инструментом для зачистки швов и др.); обеспечение приспособлениями для быстрого поворота изделий или их кантовки; изготовление наиболее эффективных конструкций с минимальным количеством наплавленного металла в готовом изделии. Четкое выполнение организационных и организационно-технических мероприятий наряду с внедрением прогрессивных форм организации труда обеспечит повышение производительности труда не менее чем на 15—20 %.

    Большое значение имеют технические мероприятия, внедрение которых в последнее  время замедлилось из-за отсутствия инициативы и стремления к их осуществлению, неправильной организации труда.

    Достигнув известной квалификации и постоянно  совершенствуя свои знания и опыт, сварщик может значительно повысить производительность труда.

    Способы повышения производительности при ручной дуговой  сварке

    1.Сварка электродами с повышенным коэффициентом наплавки

    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. К таким электродам относятся АН-1, ОЗС-3, ЗРС-1 и др., использование которых существенно повышает производительность сварочных работ.

    2.Сварка  с глубоким проплавлением

    При этом способе (таблица 1) сварку ведут при опирании козырьком покрытия электрода на кромки свариваемого металла, используют электроды (например, марки ОЗС-3) с повышенной толщиной покрытия. Масса покрытия 60—80 % массы стержня при отношении диаметра электрода к диаметру стержня 1,5—1,6.

    Положение электрода при сварке угловых  и стыковых швов приведено на рисунке 8,а,б. Наклон электрода к линии шва под углом 70-80° обеспечивает вытеснение жидкого металла из сварочной ванны в сторону валика давлением дуги, давая возможность тепловому потоку дуги воздействовать на более глубокие слои основного металла. В результате глубина проплавлення возрастает, уменьшается доля электродного металла в металле шва, чем и обеспечивается повышение производительности. 
 
 

    Рисунок 8. Последовательность сварки вертикальных (а—в) и

    горизонтальных (г) швов большой толщины 
 

    Таблица 1. Характеристика сварки с глубоким проплавлением стыковых

    соединений  без скоса кромок

    Процесс позволяет выполнять одностороннюю  сварку стыковых соединений без разделки кромок металла толщиной до 8-10 мм и двустороннюю сварку металла толщиной до 16-18 мм.

    3.Сварка  трехфазной дугой

    Такая сварка (Рисунок 9,в) заключается в том, что к двум электродам и свариваемому металлу подводится ток от трех фаз источника переменного тока. В процессе сварки действуют три одновременно горящие сварочные дуги: две между электродами и основным металлом и одна между электродами. Количество выделяемого при этом тепла и соответственно производительность возрастают по сравнению со сваркой однофазной дугой в 2—3 раза.

    Для сварки трехфазной дугой используют электроды, состоящие из двух параллельно  расположенных стержней с общим  покрытием. Конструкция электрододержателей  обеспечивает подвод тока раздельно к каждому стержню электрода. 

    Рисунок 9. Схемы сварки

    а, 6-е-глубоким проплавлением;

    в - трехфазной дугой 

    Ниже  (таблица 2) приведены диаметр электрода и сила тока, используемые при сварке стыковых и тавровых соединений трехфазной дугой: 

    Таблица 2

    Сварку  выполняют ручным и механизированным способами. Металл шва имеет достаточно хорошие механические свойства. Питание трехфазной дуги осуществляют от двух обычных трансформаторов, соединенных в треугольник, либо от трех однофазовых трансформаторов. 

    4.Сварка  наклонным электродом

    При этом способе дуговой сварки покрытый электрод располагают наклонно вдоль свариваемых кромок, опираясь на них козырьком (втулкой) рабочего конца, и по мере расплавления электрода под действием силы тяжести или пружины дуга перемещается по линии шва.