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.