ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разработка технологического процесса

Ручной электродуговой сварки

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к домашнему заданию

Специальность 150200 Автомобили и автомобильное хозяйство

Специальность 311300 Механизация сельского хозяйства

Специальность 030500.01 Профессиональное обучение (агроинженерия)

Специальность 311400 Электрификация и автоматизация сельского хозяйства

Специальность 170600 Машины и аппараты пищевых производств

Специальность 271300 Пищевая инженерия малых предприятий

Специальность 270102 Промышленное и гражданское строительство

Уфа 2011

УДК 378:621.791

ББК 74.58+30.61

М 34

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства (протокол № 6 от 28.10.2005 г.)

Составители: доцент Сайфуллин Р.Н., ст. преподаватель Павлов А.П.

Рецензент: к.т.н., доцент Хасанов Э.Р.

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой технологии металлов и ремонта машин к.т.н., доцент Кунафин А.Ф.

г. Уфа, БГАУ, кафедра технологии металлов и ремонта машин

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научится рассчитывать режим ручной электродуговой сварки, выбирать сварочные материалы и оборудование, назначать технологические приемы сварки.

Технологический процесс разрабатывается для условий мелкосерийного производства.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Тип сварного соединения, марка свариваемых материалов, толщина свариваемых изделий, длина шва, положение шва в пространстве.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

1 Форма подготовки (разделка) кромок свариваемых изделий определяется по ГОСТ 5264-80 в зависимости от толщины свариваемых изделий и типа сварного соединения. При толщине свариваемых изделий не более 6 мм разделку кромок не производят [1].

2 Тип электрода указывает на прочность металла шва (например, тип Э42 соответствует s_в= 420 МПа, Э50 - s_в= 500 МПа и т.д.) и выбирается в зависимости от прочности основного металла свариваемого изделия с целью обеспечения равной прочности основного металла и металла шва (приложение 1).

3 Марка электрода выбирается по справочным данным, в соответствии с выбранным типом электрода (см. приложение 2 и 3), в зависимости от используемого источника тока, положения шва в пространстве и других требований.

Например, сварку в положениях, отличных от нижнего, лучше выполнять электродами с тугоплавким покрытием на постоянном токе обратной полярности. Постоянный ток обратной полярности применяется также при сварке тонкостенных деталей и сталей с низкой теплопроводностью (легированные стали). Источники переменного тока проще по устройству, надежнее в эксплуатации и имеют более высокий коэффициент полезного действия, что также должно учитываться при выборе марки электрода. Характеристика электрода: условное обозначение по ГОСТу, расшифровка.

Марки электродов для сварки конструкционных сталей даны в приложении 2.

4 Диаметр электрода (стержня) выбирается в зависимости от толщины S свариваемых изделий по формуле:

d_э = S/2 + 1 [мм]

При сварке изделий толщиной более 10 мм диаметр электрода берется 6–8 мм вне зависимости от толщины изделий, а сварку производят многослойным швом.

На практике, в целях уменьшения массы расплавленного металла, диаметр стержня электрода принимают не более:

· при сварке нижних швов стыковых и нахлесточных соединений – 6мм;

· нижних швов тавровых и угловых соединений – 5мм;

· потолочных швов – 4мм;

· горизонтальных и вертикальных швов – 5мм (рис.1).

Рисунок 1. Расположение швов в пространстве: а – нижнее; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное.

5 Сварочный ток, определяющий качество и производительность сварочных работ, зависит от толщины свариваемых изделий, диаметра электрода, теплопроводности свариваемого материала, скорости сварки, типа сварного соединения и положения шва в пространстве.

Практически величину сварочного тока рассчитывают по формуле:

J_св = К × d_э[А] ,

где К – коэффициент плотности тока; А/мм – зависящий от материала стержней электродов (для металлических электродов 40…50, угольных 5…8, графитовых 18…20).

С увеличением теплопроводности свариваемых металлов сварочный ток увеличивается. Так при сварке алюминия J_св^Al=(1,3…1,5)J_св^Fe.

При сварке легированных сталей, имеющих пониженную теплопроводность по сравнению с углеродистыми, сварочный ток необходимо уменьшать (сварка ведется на так называемом мягком режиме) J_св^лег=(0,8…0,9)J_св^угл.

При сварке на переменном токе из-за пониженной ионизации дугового промежутка требуется повышенный сварочный ток J_св^пер=(1,1…1,2)J_св^пост.

Окончательно величину сварочного тока устанавливают с учетом соотношения толщины металла S и диаметра электрода d_э. При S>3d_э сварочный ток увеличивают на 10 … 15%, а при S<1,5d_э уменьшают на 10…15%. При сварке горизонтальных, вертикальных и потолочных швов, величину сварочного тока уменьшают по сравнению с сварочным током при сварке нижних швов на 10…15%.

6 Длина дуги зависит от диаметра электрода и определяется по формуле:

l_д = 0,5 (d_э + 2)[мм]

При увеличении длины дуги больше номинальной, время соприкосновения расплавленной капли жидкого металла с атмосферой воздуха увеличивается и тем самым увеличивается возможность насыщения жидкого металла азотом, водородом, что снижает механические свойства сварного соединения. Уменьшения длины дуги в сравнении с номинальной, приводит к неустойчивому горению электрической дуги.

7 Напряжение дуги U_д

Напряжение дуги при ручной дуговой сварке изменяется в сравнительно узких пределах и при проектировании технологических процессов выбирается на основании рекомендаций паспорта на данную марку электродов. Приближенно напряжение дуги можно рассчитывать по формуле:

U_д = U_ак + U_д· l_д [В],

U_ак= 10…12 В – постоянный коэффициент, выражающий сумму падений напряжения на катоде и аноде дуги, не зависящий от длины дуги;

U_д = 2,5 – среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм;

l_д – длина дуги, мм.

Ориентировочно напряжение дуги, можно определить по графику, приведенному на рисунке 2.

Рисунок 2. Статические вольтамперные характеристики сварочной дуги.

1 – длина дуги 2 мм; 2 – длина дуги 5 мм.

8 Масса наплавленного металлаопределяется по формуле:

Q_н = F_ш × L_ш × r[г] ,

где F_ш – площадь поперечного сечения шва, мм²; L_ш – длина шва, мм;

r - плотность наплавленного металла, г/мм³ (для стали r = 7,8 × 10^-3 г/мм³)

Расчет площади поперечного сечения шва объясним на примере сварного соединения С15, эскизы которого приведены на рисунке 3.

За расчетное сечение принимают ту часть сварного шва, которая заполняется за счет электродного металла (рис. 4).

Рисунок 4. Расчетное сечение шва

Расчетное сечение разбиваем на элементарные фигуры (рис.5).

Рисунок 5. К расчету площади сечения шва

Площадь сечения F (в мм²) находим как сумму площади элементов шва:

F_ш = F₁ + 2F₂ + F₃

На рисунке 6 показаны фигуры, используемые для вычисления площадей сечения швов.

Рисунок 6. Элементы сечений сварных швов

Площади этих фигур вычисляются по формулам:

· сегмента F₁ = 2/3 е× q

· треугольника F₂ = h² × tgβ/2

· прямоугольника F₃ = b × S

· выпуклого треугольника F₄ = (k₁ × k₂/2) × k_у

где k_у – коэффициент усиления шва (учитывает его выпуклость). Рекомендуемые значения k_у приведены в таблице 1.

Таблица 1 Коэффициенты усиления шва

9 Скорость сварки определяется по формуле:

V_св = J_св × К_н / F_ш × r[м/ч] ,

где К_н – коэффициент наплавки выбранного электрода, г/(А×ч);

F_ш × r = Q – масса наплавленного металла на 1 м длины, г/м.

Максимальная скорость сварки обычно составляет 15 м/ч.

10 Основное (технологическое) времяизмеряется временем горения сварочной дуги и вычисляется по формуле:

t_o = Q_н / J_св × К_н[ч]

Штучное время сварки

При нормировании сварочных работ различают время чистого горения дуги t_о (основное время) и время, необходимое на сварку с учетом потерь времени на подготовку изделия к сварке, замену в электрододержателе сгоревших электродов на новые и время на естественные надобности, Т_шт (штучное время). Эти величины связаны формулой:

Т_шт = t_o / К[ч] ,

где К – коэффициент использования сварочного поста (в зависимости от типа производства и вида сварочных работ: К=0,6…0,8 – в условиях промышленных предприятий, К=0,4…0,6 для ремонтных и монтажных условий).

12 Расход электродовопределяется по формуле:

Q_э = Q_н + Q_о + Q_у + Q_ш [r] ,

где, Q_о – потери на огарки (10…15% от Q_н), г;

Q_у – потери на угар и разбрызгивание (5…10% от Q_н), г;

Q_ш – потери на шлакообразование (20…35% от Q_н + Q_о + Q_у), г.

Расход электродов можно также определить по упрощенной формуле:

Q_э = (1,3 … 1,4) Q_н

13 Расход электроэнергииопределяется по формуле:

Р = U_д × J_св× t_o /h × 1000 + М_х (Т - t_o) [кВт×ч],

где U_д – напряжение дуги, В;

h - КПД источника питания ( для трансформатора при J_св=100…450 А равен 0,8 … 0,85, для генератора 0,3 … 0,4);

М_х – мощность холостого хода источника питания (для трансформатора 0,2 … 0,4 кВ×А, для генератора 2…3 кВ×А);

Т – общее (рабочее и холостое) время работы источника питания, ч.

14 Вид тока(постоянный или переменный) зависит от источника сварочного тока (трансформатор, преобразователь, выпрямитель или сварочный агрегат). Источник сварочного тока выбирают в зависимости от принятой марки электрода. Если имеется только один источник сварочного тока, то его особенности следует учитывать при выборе марки электрода.

Выбор полярности (при использовании источника постоянного сварочного тока) зависит от толщины свариваемых изделий и принятой марки электрода. Обычно применяют прямую полярность («минус» на электроде, «плюс» на изделии). При сварке изделий малой толщины для уменьшения их нагрева с целью предотвращения «прожога» и при сварке легированных сталей выбирают обратную полярность («плюс» на электроде, «минус» на изделии).

15 Источник сварочного тока выбирается в соответствии с принятым видом тока (постоянный или переменный), найденной величиной сварочного тока и условиями сварки (сварка в помещении или на открытом воздухе). При выборе источника сварочного тока необходимо использовать справочные пособия [3] и приложение 4 и 5.

Источниками сварочного тока при сварке на переменном токе являются сварочные трансформаторы; при сварке на постоянном токе – сварочные генераторы, преобразователи, сварочные выпрямители; сварочные агрегаты.

Источник сварочного тока для ручной электродуговой сварки должен иметь крутопадающую внешнюю (вольтамперную) характеристику для того, чтобы:

1) сохранять постоянное значение Jсв при колебании длины дуги;

2) ограничить величину тока короткого замыкания Jкз (Jкз<2Jсв).

РАБОЧИЕ ПРИЕМЫ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Перед сваркой, в процессе сварки и после сварки необходимо выполнить следующее:

1. Очистить кромки свариваемых изделий от грязи, масел, краски, ржавчины.

2. Выполнить разделку кромок (если это необходимо) в соответствии с ГОСТ 5264-80.

3. Установить свариваемые изделия на сварочном столе или приспособлении и закрепить.

4. Наложить прихваточные (фиксирующие) швы (длина шва 20…120 мм, в зависимости от размера изделия).

5. Варить основной шов. При толщине свариваемых изделий не более 10-12 мм сварка производится однослойным швом, при большей толщине – многослойным. Для получения качественного шва, при сварке используют следующие технологические приемы: сварка «напроход», «от середины к краям», «обратноступенчатым способом», «каскадным способом», «с предварительным прогревом», «с сопутствующим прогревом» и др.

Последовательность наложений отдельных участков основного однослойного и отдельных слоев многослойного шва, должна обеспечить минимальные деформации и остаточные напряжения сварного соединения.

6. При сварке изделий из материала с ограниченной свариваемостью применяют дополнительные меры для получения сварного соединения без дефектов, (например, предварительный прогрев свариваемых изделий и др.).

7. Очистить шов от шлака и брызг металла.

8. Провести визуальный контроль сварного соединения.

9. Заварить, если это необходимо, дефектные места.

10. Снять изделие со сварочного стола (приспособления).

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЗАДАНИЯ

5.1 Домашнее задание оформляется в виде пояснительной записки на листах формата А4.

5.2 Все пункты домашнего задания выполняются с обоснованием принятых решений или расчета.

5.3 В конце задания приводится список использованной литературы. В тексте даются ссылки на литературу, подтверждающие обоснованность принятых решений.

При выполнении домашнего задания используется лекционный материал, настоящее методическое указание, а также указанные ниже литературные источники.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Сборник стандартов ГОСТ 5264-80 «Типы сварных соединений».

2. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению / Под общей редакцией С.С. Некрасова.- М.: Агропромиздат, 1991.-287 с.

3. Прох Л.Ц., Шпаков Б.М., Яворская Н.М. Справочник по сварочному оборудованию. Киев: Техника, 1993г., 208 с.

4. Каховский Н.И. и др. Электродуговая сварка сталей. Справочник.- Киев.: Наукова думка, 1975.

Приложение 1 Типы электродов для сварки конструкционных сталей и свойства металла шва при их применении

Электроды для сварки конструкционных и низколегированных ста­лей: для сталей обычной прочности предназначены электроды Э34, Э42, Э42А Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60, Э60А; для конструкционных сталей по­вышенной прочности — электроды Э70, Э85, Э100, Э125, Э145.

Приложение 2 Электроды для сварки конструкционных сталей

* Предназначены для ванной сварки стержней арматуры железобетонных конструкций и рельсов. Могут быть использованы для обычной дуговой сварки.

** - подвергаются термической обработке

В типе электрода приняты следующие обозначения:

А — гарантируется получение повышенных пластических свойств металла шва

Типы покрытий обозначают следующими буквами:

Р — руднокислое покрытие содержит в своем составе окислы железа и марганца, способные активно окислять металл. Металл шва отличается повышенной окисленностыо. Электроды дают плотный металл швов и позволяют выполнять сварку на постоянном (прямой и обратной поляр­ности) и переменном токе.

Т — рутиловое покрытие содержит в своем составе значительное количество двуокиси титана в виде рутила. Электроды дают плотный металл швов при увеличении массы покрытия и при наличии ржавчины на кромках изделия. При сварке на постоянном и переменном токе раз­брызгивание незначительно. Устойчивость горения дуги высокая, фор­мирование швов во всех пространственных положениях хорошее.

Ф — фтористокальциевое покрытие, имеющее в качестве основы фто­ристый кальций (плавиковый шпат) и карбонаты кальция (мрамор, мел). Сварку электродами с фтористокальциевым покрытием осуществляют на постоянном токе при обратной полярности. Вследствие малой склонности металла шва к образованию кристаллизационных и холодных трещин электроды с этим покрытием используют для сварки больших сечений.

О — органическое покрытие.

По международной классификации электроды подразделяют по сле­дующим признакам: механическим свойствам металла шва, типу покры­тия, положению шва в пространстве, роду тока и полярности. Тип по­крытия по международной классификации условно обозначают следую­щими буквами: А — руднокислое (кислое), В — основное (фтористо-кальциевое), С — органическое (целлюлозное), О — окислительное, Р — рутиловое, V-специальное.

Приложение 3 Условное обозначение электродов для ручной

электродуговой сварки (по ГОСТ 9466-75 и 9467-75)

		ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПО ПОЛЯРНОСТИ И НАПРЯЖЕНИЮ Переменный ток, Напряжение холостого хода, В Рекомендуемая полярность постоянного тока, любая прямая обратная Переменный ток неприменим - - 50±5 70±10 90±10

Приложение 4 «Единая система обозначения электросварочного оборудования»

· Первая буква - сокращенное название изделия (А – агрегат; В – выпрямитель; Г – генератор; П – преобразователь; Т – трансформатор).

· Вторая буква – вид сварки (Д – дуговая; П – плазменная).

· Третья буква – способ сварки (О – открытой дугой; Г – в защитных газах; Ф – под флюсом; У – универсальный).

· Четвертая буква – характеристика источника (М – многопостовой; И – импульсивный).

· Пятая буква показывает тип двигателя для агрегатов с приводным двигателем внутреннего сгорания (Б – бензиновый; Д – дизель).

· Первые две цифры, следующие за буквенными индексами, показывают значение номинального сварочного тока в сотнях ампер.

· Третья и четвертая цифры – номер модификации источника питания.

Следующие после цифр буквенно-цифровые индексы показывают:

· Первая буква – климатическое исполнение (ХЛ – для эксплуатации в районах с тропическим климатом);

· Вторая цифра – категорию размещения источников питания (1 – открытый воздух; 2 – не отапливаемые помещения; 3 – помещения с естественной вентиляцией; 4 – помещение с принудительной вентиляцией и отоплением; 5 – помещение с повышенной влажностью).

Примеры:

ТДМ – 317У3 – трансформатор для угловой сварки при монтажных работах, однопостовой, номинальный сварочный ток 310А, «7» модификация для районов с умеренным климатом, с размещением в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

ТДФЖ – 2000У3 – трансформатор для дуговой сварки под флюсом, с жесткой внешней характеристикой; номинальный сварочный ток 2000А, У3 – см. выше.

ВДГМ – 1602У3 – выпрямитель для дуговой сварки в защитных газах, многопостовой, со значением сварочного тока 1600А, имеет вторую модификацию, предназначен для эксплуатации в районах с умеренным климатом и для работы в закрытых помещениях.

ВДУ – 506У3 – выпрямитель для дуговой сварки, универсальный (с падающей и жесткой характеристиками), номинальный сварочный ток 500А, 6_я – модификация, У3 – см. выше.

АДОД – 305Т1 – агрегат для ручной дуговой сварки с дизелем в качестве автономного привода, со значением сварочного тока 300А, имеет пятую модификацию, предназначен для эксплуатации в районах с тропическим климатом и для работы на открытом воздухе.

Приложение 5 Источники тока для электродуговой сварки

* В диапазонах малых и больших токов соответственно