Федеральное агентство по образованию

  Государственное образовательное учреждение

  Высшего профессионального образования

  Тульский  государственный университет

  Кафедра «Сварка, литье и технология конструкционных материалов» 
 

  КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

  По  дисциплине: «Сварка, пайка и склеивание материалов»

  На  тему: «Современное состояние сварочных материалов, для ручной дуговой сварки покрытыми электродами». 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                         Выполнила: ст. группы 662371

                                                                         Сиволобова А.В.____________

                                      Проверил:

                                                                        асс. Протопопов Е.А.________ 
 
 
 
 
 
 

Тула 2010

Содержание

   Введение

     Дуговая сварка – процесс, при котором  теплота, необходимая для нагрева  и плавления металла, получается за счет электрической дуги, возникающего между свариваемым металлом и электродом.

     Под действием теплоты электрической  дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии.

     При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая  для образования и поддержания  электрической дуги, получается от специальных источников питания  постоянного или переменного тока. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  1. История электросварки

     1802 год – В.В. Петров открыл явление электрической дуги и указал, что появляющийся «…белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются, и от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может».

     1803 год – В.В. Петров опубликовал книгу «Известия о гальвани-вольтовых опытах…», где описал способы изготовления вольтова столба, явление электрической дуги и возможность её применения для электроосвещения, электросварки и электропайки металлов.

     1882 год – Н.Н. Бенардос изобрёл электрическую сварку с применением угольных электродов.

     1889 год – Н.Г. Славянов впервые  в мире применил дуговую электросварку при постройке судов.

     1893 год – На Всемирной выставке  в Чикаго Н.Г. Славянов получил  золотую медаль за способ электросварки  под слоем толчёного стекла.

     1905 год – В.Ф. Миткевич впервые  в мире предложил применять  трёхфазную дугу для сварки металлов.

     Дуга  представляет собой электрический  разряд в газе между электродами, к которым подведено напряжение источника тока.

     Ток в дуге обусловлен так называемыми свободными электронами и положительными и отрицательными заряженными частицами вещества – ионами. Процесс образования этих частиц называется ионизацией. В средней части дуги расположен столб дуги, ярко светящейся и имеющей температуру около 6000 градусов по Цельсию. Столб заканчивается на электродах катодным и анодным пятнами, через которые проходит весь ток дуги.

     Плотность тока на пятнах весьма велика, благодаря  чему в этих зонах происходит интенсивное нагревание до температуры испарения материала электродов. Столб дуги окружает пламя – раскалённые пары и газы, температура которых резко падает по мере удаления от столба.

     Дугу  перемещают при сварке в ручную или  механически вдоль кромок соединяемых  деталей, благодаря чему достигается непрерывное плавление их и образование соединения – сварного шва. Глубиной проплавления называется наибольшая глубина расплавления основного металла в сечении шва.

  2. Классификация дуговой сварки

     Классификация дуговой сварки производится в зависимости  от степени механизации процесса, рода тока и полярности, типа сварочной дуги, свойств сварочного электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха.

     По  степени механизации различают:

     - ручную дуговую сварку

     - полуавтоматическую дуговую сварку

     - автоматическую дуговую сварку

     Отнесение процессов к тому или иному  способу зависит от того, как выполняются  зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.

     При ручной дуговой сварке указанные  операции, необходимые для образования  шва, выполняются человеком вручную  без применения механизмов.

     При полуавтоматической дуговой сварке плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.

     При автоматической дуговой сварке под  флюсом механизируются операции по возбуждению  дуги, поддержанию определённой длины  дуги, перемещению дуги по линии  наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки  более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

     По  роду тока различают:

     - электрическая дуга, питаемые постоянным  током прямой полярности (минус  на электроде);

     - электрическая дуга, питаемая постоянным  током обратной (плюс на электроде)  полярности;

     - электрическая дуга, питаемая переменным током.

     По  типу дуги различают

     - дугу прямого действия (зависимую  дугу);

     - дугу косвенного действия (независимую  дугу).

     В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также  является частью сварочной цепи, и  для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором – дуга горит между двумя электродами.

     По  свойствам сварочного электрода  различают

     -   способы сварки плавящимся электродом;

     - способы сварки неплавящимся электродом (угольным, графитовым и вольфрамовым).

     Сварка  плавящимся электродом является самым  распространённым способом сварки; при  этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше – многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание – сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.

     По  условиям наблюдения за процессом горения  дуги различают:

     - открытую;

     - закрытую;

     - полуоткрытую дугу.

     При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла – светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах.

     Закрытая  дуга располагается полностью в расплавленном флюсе – шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима.

     Полуоткрытая  дуга характерна тем, что одна её часть  находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.

     По  роду защиты зоны сварки от окружающего  воздуха различают:

     - дуговая сварка без защиты (голым  электродом, электродом со стабилизирующим покрытием);

     - дуговая сварка со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом);

     - дуговая сварка со шлакогазовой  защитой (толстопокрытыми электродами);

     - дуговая сварка с газовой защитой  (в среде защитных газов);

     - дуговая сварка с комбинированной  защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

     Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.

     Защитные  покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.

     В последнее время получает распространение  плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например – водяного пара.

     Известна  также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.

     В зависимости от способа дуговой  сварки, т. е. от материала применяемого электрода, свойства электрической дуги меняются. Так, при горении дуги между свариваемым металлическим изделием и угольным электродом дуги имеет большую длину и несколько иную форму, чем дуга, горящая между изделием и металлическим электродом.

     В последнем случае явления, происходящие в дуге, значительно сложнее, так  как в дуговом промежутке помимо паров, образуемых при сгорании электрода, присутствуют капли расплавленного и пары сгорающего в дуге электродного покрытия.

  3. Ручная дуговая сварка покрытыми металлическими электродами

     При ручной дуговой сварке покрытыми  металлическими электродами, сварочная  дуга горит с электрода на изделие, оплавляя кромки свариваемого изделия и расплавляя металл электродного стержня и покрытие электрода. Кристаллизация основного металла и металла электродного стержня образует сварной шов. 

     Рисунок 1. Схема сварки покрытым металлическим электродом

     Электрод  состоит из электродного стержня  и электродного покрытия. Электродный  стержень – сварочная проволока; электродное покрытие – многокомпонентная  смесь металлов и их оксидов.

  3.1 Зажигание сварочной дуги

     Перед зажиганием (возбуждением) дуги следует установить необходимую силу сварочного тока, которая зависит от марки электрода, типа сварного соединения, положения шва в пространстве и др.

     Зажигание (возбуждение) производиться двумя  способами. При первом способе электрод подводят перпендикулярно к месту начала сварки и после сравнительно легкого прикосновения к изделию отводят верх на расстояние 25 мм. Второй способ напоминает процесс, зажигая спички. При обрыве дуги повторное зажигание ее осуществляется впереди кратера на основном металле с возвратом к наплавленному металлу для вывода на поверхность загрязнений, скопившихся в кратере. После этого сварку ведут в нужном направлении.

     Применение  того или иного способа зажигания  дуги зависит от условий сварки и  от навыка сварщика.

  3.2 Положение и перемещение электрода при сварке

     Положение электрода зависит от положения  шва в пространстве. Различают  следующие положения швов: нижнее, вертикальное и горизонтальное на вертикальной плоскости, потолочное. Сварку вертикальных швов можно выполнять сверху вниз и снизу вверх.

     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".

     При отсутствии поперечных колебательных  движений конца электрода ширина валика равна (0,8 - 1,5) d электрода. Такие швы (или валики) называют узкими, или ниточными. Их применяют при сварке тонкого металла и при наложении первого слоя в многослойном шве.

     Получение средних швов (или валиков), ширина которых обычно не более (2 - 4) d электрода, возможно за счет колебательных движений конца электрода.  

     Рисунок 2. Основные виды траекторий поперечных колебаний  конца электрода

     В зависимости от длины различают  короткие (250 300 мм), средние (350 1000 мм) и  длинные (более 1000 мм) швы. В зависимости от размеров сечения швы выполняют однопроходными или однослойными, многопроходными или многослойными. 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 термическую обработку при наложении последующего валика, что позволяет получить измельченную структуру металла шва и соответственно повышенные механические свойства шва и сварочного соединения. Расположение слоев при многослойной сварке бывает трех видов наложения; последовательное каждого слоя по всей длине шва, "каскадным" способом и способом "горки". Оба последних способа применяют при сварке металла значительной толщины (более 20 25 мм). При выполнении многослойных швов особое внимание следует уделять качественному выполнению первого слоя в корне шва. Провар корня шва определяет прочность всего многослойного шва.

  3.3 Подбор силы тока и диаметра электрода

     Силу  сварочного тока выбирают в зависимости  от марки и диаметра электрода, при  этом учитывают положение шва  в пространстве, вид соединения, толщину и химический состав свариваемого металла, а также температуру  окружающей среды. При учете всех указанных факторов необходимо стремиться работать на максимально возможной силе тока.

     Силу  сварочного тока определяют по формуле

     Iсв=πdэ2*j/4,

     где dэ - диаметр электрода (электродного стержня), мм;

           j - допускаемая плотность тока, А/мм2.

    Таблица

  Значения допускаемой плотности тока в электроде

     При приближённых подсчётах величина сварочного тока может быть определена по одной  из следующих формул:

     Iсв=k*dэ

     Iсв=k1*dэ1,5

     Iсв=dэ*(k2+α*dэ)

     где dэ - диаметр электрода (электродного стержня), мм;

     k1, k2, α - коэффициенты, определённые  опытным путём:

     k1=20…25; k2=20; α=6.

   4. Типы электродов (тип покрытия, функции покрытия, реакции шлак металл, газ-металл)

     Покрытие  электрода предназначено для  повышения устойчивости горения дуги, образования комбинированной газошлаковой защиты, легирования и рафинирования металла. Для изготовления покрытий применяют различные материалы (компоненты).

     1. Газообразующие компоненты - органические  вещества: крахмал, пищевая мука, декстрин либо неорганические вещества, обычно карбонаты (мрамор СаСО3, магнезит МgСО3 и ДР-).

     2. Легирующие элементы и элементы-раскислители: кремний, марганец, титан и др., используемые в виде сплавов  этих элементов с железом, так  называемых ферросплавов. Алюминий  в покрытие вводят в виде  порошка-пудры. 

     3. Ионизирующие или стабилизирующие компоненты, содержащие элементы с низким потенциалом ионизации, а также различные соединения, в состав которых входят калий, натрий, кальций, мел, полевой шпат, гранит и др.

     4. Шлакообразующие компоненты, составляющие  основу покрытия, - обычно это  руды (марганцовая, титановая), минералы (ильменитовый и рутиловый концентраты, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, плавиковый шпат и др.)

     5. Связующие - водные растворы силикатов  натрия Na2OSiO; и калия K2OSiO2, называемые  натриевым или калиевым жидким  стеклом, а также натриево-калиевым жидким стеклом.

     6. Формовочные добавки — вещества, придающие обмазочной массе лучшие  пластические свойства, - бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

     Для повышения производительности сварки, увеличения количества дополнительного металла, вводимого в шов, в покрытии электродов может содержаться железный порошок до 60% массы покрытия. Многие материалы, входящие в состав покрытия, одновременно выполняют несколько функций, обеспечивая и газовую защиту в виде газа СО2, и шлаковую защиту в виде СаО и т. д.

     Газовая защита образуется в результате диссоциации  органических веществ при температурах выше 200 °С:

     Cn (H2O)n.i - (п - 1)СО + (п - 1)Н2 + С; 

     диссоциации карбонатов при температуре ~900 °С (при  парциальном давлении в газовой фазе РCO2 = 1 (кгс/см2)

     СаСОз -» СаО + СО2; МgСОз -> МgО+СО2,

     а также последующей диссоциации  СО2:

     2СО2 -+ 2СО + О2

     Состав  шлакообразующих может быть различным; это окислы СаО, MgO, MnO, FeO, AI2O3, SiO2, TiO2, Na2O, галогены CaF2 и др.

     Виды (типы) электродных покрытий

     Кислое  покрытие (А) отличается тем, что в  его состав входят образующие шлаковую защиту различные руды и материалы, содержащие большое количество кислорода, напри мер гематит содержит 92% Fe2O3, гранит - 66 - 71% SiO2, 15 - 21% AI2O3 и т. п. Для удаления кислорода и восстановления железа из оксидов применяют ферросплавы, для газовой за щиты вводят органические примеси - крахмал, декстрин. Сварка электродами с этим покрытием возможна на постоянном и переменном токе во всех положениях. В сварочной ванне происходит активное раскисление железа, она кипит, что способствует дегазации металла. Допускается сварка при небольшой окалине и ржавчине, однако при этом происходит повышенное разбрызгивание, и вследствие применения ферромарганца выделяется, значительное количество токсичных марганцевых соединений, что ограничивает применение таких покрытий. Кроме того, металл шва склонен к образованию кристаллизационных трещин.

     При плавлении кислых покрытий (А) большая  часть введенных в них ферросплавов окисляется рудами; легирование металла кремнием и марганцем идет по схеме кремнемар-ганцевосстановительного процесса; оно не позволяет легировать металл элементами с большим сродством к кислороду. Образующиеся шлаки, обычно кислые, не содержат СаО и не очищают металл от фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода и неметаллических включений.

     В результате швы обладают пониженной стойкостью против горячих трещин, ударная вязкость металла шва  обычно не превышает 12 кгс-м/см2. В связи  с высоким содержанием в покрытии ферромарганца и окислов железа они более токсичны, так как аэрозоли в зоне сварки и зоне дыхания сварщика содержат Большое количество вредных соединений марганца.

     Основное  покрытие (Б) содержит: фтористокальциевое соединение - плавиковый шпат, в котором CaF2 более 75%; карбонаты кальция - мрамор, мел с содержанием более 92% СаСО3 и ферросплавы. При расплавлении это покрытие кроме шлака выделяет большое количество защитного углекислого газа, образующегося вследствие диссоциации карбонатов. Сварка электродами с основным покрытием возможна постоянным током с обрат ной полярностью и во всех положениях. Для сварки переменным током в покрытие добавляют более активные стабилизаторы - калиевое жидкое стекло, поташ и др. Металл, наплавленный электродами с основным покрытием, обладает высокими механическими показателями, особенно ударной вязкостью при положительных и низких температурах; не склонен к образованию кристаллизационных трещин и старению; содержит минимальное количество кислорода и азота. Эти электроды применяют для сварки наиболее ответственных деталей и конструкций. Следует иметь в виду, что сварка электродами с основным покрытием должна вестись короткой дугой и при хорошей очистке свариваемых кромок от ржавчины, окалины, жира и влаги во избежание образования пористости в швах.

     Эти покрытия слабо окислительные, поэтому  позволяют легировать металл шва элементами с большим сродством к кислороду. Наличие большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор и выводящих их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла, его повышенные пластические свойства, а легирование марганцем и кремнием обеспечивает высокую прочность. Швы, выполненные такими электродами, обладают высокой стойкостью против образования горячих трещин и наиболее высокой (по сравнению с любыми другими покрытиями) ударной вязкостью, которая составляет не менее 13 кгс-м/см2 и может достигать 25 кгс-м/см2.

     При использовании этих электродов металл шва склонен к образованию пор при загрязнении кромок маслом и ржавчиной, а также при увеличении толщины покрытия и длины дуги. На базе покрытий основного типа (Б) обычно составляют композиции покрытий электродов для сварки ответственных конструкций из низколегированных и углеродистых ста лей, среднелегированных сталей и всех электродов для сварки высоколегированных сталей.

     Целлюлозное покрытие (Ц) содержит в основном оксицеллюлозу  или аналогичные ей органические вещества, а также рутил и ферросплавы. Это покрытие при расплавлении выделяет главным образом много защитного газа и небольшое количество шлака для процесса раскисления. Электроды с этим покрытием пригодны для сварки во всех положениях на постоянном и переменном токе и употребляются в основном для сварки первого слоя стыков труб.

     Рутиловое покрытие (Р) содержит 50% рутилового концентрата, в котором 50% ТЮ2, карбонаты кальция - мрамор, тальк, мусковит, магнезит, ферросплавы, целлюлозу. Газовая защита обеспечивается за счет диссоциации материалов и органической составляющей. Раскисление и легирование - ферросплавами.

     Электроды с рутиловым покрытием пригодны для сварки постоянным и переменным токами во всех положениях. Они обеспечивают высокое качество наплавленного  металла, обладают хорошими технологическими свойствами и применяются для сварки низкоуглеродистой стали. В международной практике приняты следующие условные обозначения видов (типов) электродных покрытий (в скобках приведено обозначение электродных покрытий по ГОСТ 9466-75):

     А (А) - электроды с покрытием кислого  типа;

     В (Б) - электроды с покрытием основного типа;

     R (Р) - электроды с покрытием рутилового  типа;

     С (Ц) - электроды с целлюлозным покрытием;

     RA - электроды с покрытием кисло-рутилового  типа;

     RB - электроды с покрытием рутил-основного  типа;

     RC - электроды с покрытием рутил-целлюлозного типа;

     S (П) - электроды с покрытиями прочих  видов, в том числе специальными.

     К физическим свойствам шлака, образующегося  при плавлении электродного покрытия, относятся: