Технология ручной дуговой сварки углеродистых сталей

Схема процесса показана на рисунке 7.1. Дуга горит между стержнем электрода 1 и основным металлом 7. Под действием теплоты дуги электрод и основной металл плавятся, образуя металлическую сварочную ванну 4. Капли жидкого металла 8 с расплавляемого электродного стержня переносятся в ванну через дуговой промежуток. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 2, образуя газовую защиту 3 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла.

Рис. 7.1. Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием (стрелкой указано направление сварки)

Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги металл сварочной ванны затвердевает и образуется сварной шов 6. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твердую шлаковую корку 5, которая удаляется после остывания шва.

Режим ручной сварки включает в себя: род тока, силу тока, полярность, напряжение дуги, скорость сварки, диаметр электрода.

Зависимость диаметра электрода от толщины металла приведена в табл. 7.1.

Табл. 7.1.

Род тока – постоянный или переменный, это параметр сварочного режима, который значительно влияет на качество сварного шва.

Исходя из этого, особо ответственные швы следует сваривать на постоянном токе соответствующей полярности, согласно рекомендациям завода-изготовителя, указанного на упаковочном ярлычке. Сварочные электроды при этом можно применять с покрытием как основного, так и рутилового типа. Сварку на переменном токе разрешается применять при выполнении менее ответственных швов. Взаимозависимость рода тока, типа электродного покрытия и сварного оборудования представлена в табл. 7.2.

Таблица 7.2.

Сила сварочного тока определяется диаметром электрода, допускаемой плотностью тока на единицу площади поперечного сечения электрода, положением в пространстве. При расчете силы тока можно использовать формулы или зависимость согласно табл. 7.3.

1.     Jсв = (20 + 6dэл )dэл, где  dэл – диаметр электрода

2.     Jсв = k  dэл, где k – коэффициент, принимаемый в зависимости от диаметра электрода, k = 30 – 50 для d = 3 – 4 мм; k = 50 – 60 для d = 5 – 6 мм.

Определение силы тока по допускаемой плотности производится по формуле, а также, учитывая тип электродного покрытия. Табл. 7.3.

Iсв = πd²/4 * i,

где   πd²/4 – площадь торца электродного стержня, мм; i – плотность тока А/мм²

Табл. 7.3.

Полярность тока является характеристикой постоянного тока и выбирается в соответствии с маркой электрода и технико-экономическими соображениями.

Следует помнить, что электрическая дуга прямой полярности обеспечивает более глубокое проплавление основного металла, и тем самым, улучшает качество сварных швов. Дуга обратной полярности применяется для обеспечения устойчивого плавления электродов с покрытием основного типа.

В зависимости от пространственного положения шва, сварочный ток при сварке вертикальных и горизонтальных швов уменьшают на 15-20 %, а при сварке потолочных на 20-25% против силы тока, применяемой при сварке в нижнем положении.

Контроль силы сварочного тока и напряжения при использовании сварочных выпрямителей осуществляют при помощи контрольных приборов – амперметром и вольтметром, при использовании сварочных трансформаторов при помощи механической шкалы и измерительными клещами.

Напряжение на дуге (Uд) при ручной сварке изменяется в пределах 20-36 В в зависимости от длины сварочной дуги и не регламентируется.

Скорость сварки (Vсв) определяется по формуле:

,Vсв = (Iсв*α_н)/(γ*FН1*100),

где α_н  – коэффициент наплавки, для РДС α_н  = 8–10 г/(А ч );

γ – плотность металла, γ = 7,8 г/см³;

FН1 – площадь поперечного сечения наплавленного металла за один проход, см².

Требования технологии при сварке стыковых швов листовых конструкций сводятся к установлению :

1.     Количества и сечения слоев (площадь сечения);

2.     Последовательности наложения швов;

3.     Направления ведения сварки;

4.     Техники манипулирования электродом;

Количество слоев сварного шва, укладываемых в разделку, определяется толщиной свариваемых элементов, формой подготовки кромок и требуемой площадью сечения шва.

Толщина (сечение) первого (корневого) прохода, с учетом проплавления, не должна превышать 4-5 мм, или быть по сечению не более 30 мм². Сечение 1-го слоя определяется по формуле:

F₁ = (6-8) dэл (мм²) ,

где dэл - диаметр электрода для корневого шва (2,5; 3 мм).

Толщина слоев шва последующих проходов выбирается из соображения:

1.Благоприятного термического воздействия верхнего слоя на нижний, ранее сваренный. Правильно выбранная толщина слоя, обусловленная режимом, диаметром электрода и т.д., улучшает структуру и механические свойства металла шва и околошовной зоны и сечение последующих слоев шва определяется по формуле:

Fсл = (8-12) dэл (мм²)

2. Получения благоприятной структуры металла шва.

3. Минимизации сварочных напряжений и деформаций конструкции.

Ручная дуговая сварка элементов с толщиной стенки в интервале 5-8 мм, 8-12 мм и 12-16 мм выполняется 2-мя,3-мя и 4-мя слоями соответственно.

При необходимости выполнения подварочного шва, его сечение должно быть равным корневому шву. Перед выполнением подварочного шва, обратную сторону корневого шва необходимо : а) очистить от шлака и брызг, б) произвести механическим способом (шлифмашинка) разделку кромок глубиной 3-4мм, шириной 6-8 мм, удалив из нее возможные дефекты. Сварку заполняющих слоев производят после удаления шлака, брызг, наплывов и других дефектов корня шва. Аналогичные требования к послойной зачистке заполняющих слоев шва всех видов разделки кромок.

Способы выполнения швов по длине зависят от размеров сварной конструкции. Условно считают швы длиной до 250 мм короткими, длиной 250 – 1000 мм – средними, а более 1000 мм – длинными.

Короткие швы по длине обычно сваривают напроход (рис. 7.2, а). Швы средней длины сваривают от середины к краям (рис. 7.2, б) либо обратноступенчатым способом (рис. 7.2, в). Длинные швы однопроходных стыковых и угловых соединений и первый проход многопроходных швов сваривают от середины к концам обратноступенчатым способом (рис. 7.2, г, д).

Рис. 7.2. Способы выполнения сварных швов по длине

Спецдвижения торца электрода (манипуляции), являются обязательными для получения сварных швов с заданными эксплуатационными свойствами.

Совершенная техника манипулирования позволяет :

1.       Управлять тепловым потоком, регулируя тем самым, степень проплавления металла.

2.       Осуществлять дегазацию расплавленного металла от растворенных в нем газов (азота, кислорода, водорода), обеспечивая тем самым рафинирование металла шва

3.       Регулировать высоту отдельных слоев шва и его геометрию в целом.

4.     Управлять процессом формирования швов в положениях, отличающихся от нижнего (потолочное, вертикальное, горизонтальное на вертикальной поверхности, изменяя угол наклона электрода к плоскости сварки, длину дуги и манипулируя рабочим концом электрода).

Колебательное перемещение электрода поперек оси шва для прогрева кромок и получения требуемой ширины шва и глубины проплавления позволяет за один проход получать шов шириной до 4 диаметров электрода, а без – 1,5 диаметра. Виды поперечных колебаний показаны на рисунке.

В процессе колебания электрода середину пути проходят быстро, задерживая электрод по краям. Такое изменение скорости колебания электрода обеспечивает лучший провар по краям. Равномерная ширина валика достигается одинаковыми поперечными колебаниями.

Наиболее удобно выполнять сварку в нижнем положении, швы получаются высокого качества, так как в этом случае легко выделяются неметаллические включения и газы из расплавленного металла сварочной ванны. При этом также имеются лучшие условия для формирования металла шва, поскольку расплавленный металл сварочной ванны удерживается от вытекания нерасплавившимися кромками. Наложение валиков рекомендуется проводить слева направо или к себе.

Сварку стыковых однопроходных швов без разделки кромок с одной стороны выполняют при толщине стали от 1 до 4 мм, с двух сторон – от 2 до 5 мм.

Сварка многослойных швов имеет свои особенности. После сварки каждого слоя необходимо тщательно очищать его от шлака, а затем сваривать следующий слой. Первый корневой слой сваривают электродами диаметром 2,5 – 3 мм, а последующие слои – электродами большего диаметра: 3 – 5 мм (в зависимости от толщины металла и положения шва в пространстве).

Необходимо особо тщательно сваривать швы, к которым предъявляют требование непроницаемости (плотности). Даже при толщине металла 3 – 4 мм их рекомендуется сваривать в два слоя с разделкой кромок или без разделки.

При сварке швов с V-образной разделкой за несколько проходов обеспечить хороший провар первого слоя в корне разделки гораздо легче. Для уменьшения остаточных деформаций и напряжений сварку ведут, накладывая каждый последующий слой навстречу предыдущему. Швы с Х-образным кромок более предпочтительны, чем с V-образным, так как в 1,6 – 1,7 раза уменьшается объем наплавленного металла, повышается производительность сварки и, кроме того, снижается величина угловых деформаций.

Если с обратной стороны соединения возможен подход к корню шва и допустима выпуклость обратной стороны шва, целесообразно выполнять подварку корня швом небольшого сечения с последующей укладкой основного шва с лицевой стороны соединения. Допускается выполнять подварочный шов после выполнения основного. Для этого удаляется часть корневого шва методом вышлифовки или воздушно-дуговой строжки. Качественное выполнение подварочного шва во многом обеспечивает прочность всего сварного соединения.

В местах поворота сварной шов следует заваривать без отрыва дуги. Не допускается гашение и зажигание дуги на поворотах сварного шва.

Выполняя вертикальные швы, силу сварочного тока уменьшают на 15 – 20% по сравнению со сваркой в нижнем положении. При способе сварки «снизу вверх» дугу возбуждают в нижней точке шва (рис. 7.3). Сваркой подготавливают горизонтальную площадку сечением, равным сечению шва. При этом электрод совершает поперечные колебания (рис. 7.4).

Рис. 7.3 – Выполнение вертикальных швов «снизу вверх»

Рис. 7.4 – Движения концом электродов при выполнении проходов

При сварке «по спирали» или «полумесяцем» (рис. 7.4, а, б) вначале наплавляют полочку на свариваемые кромки, а затем небольшими порциями наплавляют металл, постепенно перемещая электрод выше, оставляя внизу готовый сварной шов.

При сварке «углом» (рис. 7.4, в) электрод попеременно перемещают вверх-вниз, беспрерывно наплавляя металл на кромки и равномерно перенося его вверх электродом.

При сварке елочкой (рис. 7.4, г) вначале поднимают электрод вверх направо, а затем опускают вниз. Капля жидкого металла застывает между кромками. Затем электрод поднимают вверх влево и снова опускают вниз, оставляя новую порцию металла.

Сварка «на спуск» (рис. 7.5) затрудняет получение качественного провара: шлак и расплавленный металл подтекают под дугу и от дальнейшего стекания удерживаются только силами давления дуги и поверхностного напряжения. Иногда их оказывается недостаточно, и расплавленный металл вытекает из ванны. Сварка «сверху вниз» позволяет избежать прожогов при сварке тонкого металла. Используются электроды с основным и целлюлозным покрытием (марок АНО-9, ВСЦ-2, ВСЦ-3, ОМА-2).

Рис. 7.5 – Выполнение вертикальных швов «сверху вниз»

Сварка горизонтальных стыковых швов более затруднительна, чем вертикальных, из-за стекания расплавленного металла из сварочной ванны на нижнюю кромку. В результате возможно образование подреза на верхней кромке.

Дугу возбуждают на нижней кромке, затем электрод переводят на верхнюю (рис. 7.6).

Рис. 7.6 – Возбуждение дуги при сварке горизонтальных швов

Сварку горизонтальных стыковых швов можно вести вертикально расположенным электродом, а также «углом вперед» и «углом назад» (рис. 7.7).

Рис. 7.7 – Сварка горизонтальных стыковых швов

Очередность выполнения проходов показана на рис. 7.8.

Рис. 7.8 – Очередность выполнения проходов при сварке горизонтальных швов

Сварка потолочных швов наиболее сложна. Газы, выделяемые покрытием электрода, поднимаются вверх и могут оказаться в шве, поэтому используют только хорошо просушенные электроды. Удлинение дуги нередко вызывает подрезы. Узкие валики накладывают в разделку тремя способами.

При сварке «лесенкой» электрод располагают под углом к плоскости 90 - 130°, подводят к изделию и зажигают дугу. После образования маленькой порции расплавленного металла электрод отводят на 5 – 10 мм от потолочной плоскости и возвращают, перекрывая закристаллизовавшуюся порцию металла расплавленным примерно на 1/2 - 1/3 ее длины (рис. 7.9, а).

При сварке «полумесяцем» электрод располагают под углом 90 - 130° к потолочной плоскости и, манипулируя по схеме полумесяца, беспрерывно заходят электродом на закристаллизовавшуюся часть металла (рис. 7.9, б).

Обратнопоступательная сварка производится по следующей схеме: конец электрода сварщик беспрерывно возвращает назад, на кристаллизующуюся часть металла, постоянно удлиняя валик (рис. 7.9, в).

Рис. 7.9 – Способы выполнения потолочных швов

Сварка потолочных и горизонтальных швов затруднена тем, что жидкий металл стремится вытечь из ванны. Поэтому сварку ведут короткой дугой. сварочный ток уменьшают на 15 – 20% по сравнению со сваркой в нижнем положении. При сварке многослойных швов для первого валика нужно воспользоваться электродом диаметром 2,5 – 3,0 мм, для последующих слоев – 3,0 – 4,0 мм.