Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра т...
14 downloads
205 Views
1MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра технологии конструкционных материалов и метрологии
В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО, С. А. СТЕПАНОВ, Ю. В. КНЫШЕВ
СВАРКА Часть I ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ Учебное пособие
Санкт-Петербург 2009 1
УДК 621.791.07 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. А. Иванов (ПГУПС); канд. техн. наук, доцент А. П. Орлов (СПбГАСУ)
Гордиенко, В. Е. Сварка: учеб. пособие: лабораторный практикум / В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев ; СПбГАСУ. – СПб., 2009. Ч. I . Основные способы сварки. – 64 с. ISBN 978-5-9227-0164-8 Приведены указания по выполнению шести лабораторных работ. Описаны процессы, технология и оборудование основных способов сварки, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудования. Предназначено для студентов механических и строительных специальностей. Табл. 10. Ил. 28. Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия
ISBN 978-5-9227-0164-8
© В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, 2009 © Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2009
2
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящий практикум рассчитан на студентов механических и строительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов». Целью лабораторных работ является изучение процессов, технологии и оборудования основных способов сварки, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте металлических конструкций и оборудования. Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности. К выполнению лабораторной работы допускаются только подготовленные студенты, предварительно изучившие теоретический материал по учебнику и настоящему практикуму. В ходе выполнения лабораторных работ студенты группами по 4–6 человек под руководством преподавателя или учебного мастера изучают технику и технологию способов сварки, сварочное оборудование и его технико-экономические возможности, а также самостоятельно проводят экспериментальные исследования и (по возможности) выполняют сварочные операции. По окончании лабораторной работы каждый студент индивидуально оформляет отчет о проделанной работе, который должен содержать исчерпывающие текстовые и графические ответы на поставленные вопросы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя.
3
Лабораторная работа № 1 РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА Цель лабораторной работы – изучение сущности процессов сварочного оборудования, техники и технологии ручной дуговой сварки. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить сущность ручной сварки, оценить роль и влияние покрытия электродов на качество сварного шва; 2) изучить сварочное оборудование постоянного и переменного тока; 3) освоить методику определения основных сварочно-технологических характеристик плавящихся электродов и оценить производительность сварки различными электродами; 4) ознакомиться с техникой и технологией ручной дуговой сварки. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – посты для ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токе, однопостовые сварочные трансформаторы, электромеханические преобразователи (генераторы), выпрямители, макеты аппаратов, защитные маски со светофильтрами, керн, молоток, зубило, линейка металлическая, цифровые маркеры, весы, секундомер; материалы – электроды различных марок диаметром 3…5 мм, пластины из низкоуглеродистой стали Ст3сп размером 4 25 100 мм; плакаты – схемы сварочных постов, устройства сварочных аппаратов, типов сварных швов и соединений, техника ручной дуговой сварки; справочная литература – справочники, ГОСТы. 1. Сущность ручной дуговой сварки. Исследование влияния покрытия электродов на качество сварного шва Для ручной дуговой сварки обычно применяют металлические электроды, состоящие из стержня 8 и покрытия 9 (рис. 1.1). Плавление электрода и свариваемого металла в процессе сварки осуществляется теплотой электрической (сварочной) дуги 7, горящей между электродом и свариваемым металлом 1. Электродный металл в виде капель 10 переходит в жидкую металлическую (сварочную) ванну 4, которая после удаления дуги кристаллизуется, образуя сварной шов 2. 4
Рис. 1.1. Схема процесса ручной дуговой сварки: 1 – основной металл; 2 – сварной шов; 3 – шлаковая корка; 4 – сварочная ванна жидкого металла; 5 – жидкий шлак; 6 – газовая защитная атмосфера; 7 – сварочная дуга; 8 – металлический стержень электрода; 9 – покрытие электрода; 10 – капли расплавленного металла
Образуемая при сварке сварочная дуга является мощным устойчивым электрическим разрядом в газовой среде. Сварочная дуга состоит из трех областей: анодной, катодной и столба дуги. При коротком замыкании электрода с деталью происходит разогрев этого участка. С разогретых участков, в основном с катодной области, начинается эмиссия электронов, которые, сталкиваясь с молекулами газов и атомами паров металла, вызывают их ионизацию. В результате этого дуговой промежуток становится электропроводным и возникает устойчивая сварочная дуга, температура в которой достигает 6000…12 000 °С. Тепловой мощности такой дуги достаточно для плавления металла. 5
Металлические стержни электродов изготавливают из сварочной проволоки диаметром 0,3…12 мм. Длина стержня 250…450 мм. Для сварки сталей ГОСТом предусмотрено 77 марок стальной сварочной проволоки. Покрытие электрода выполняет следующие функции: 1) защищает расплавленный металл сварочной ванны от вредного влияния кислорода, азота и водорода воздуха. Из паров и газов материалов покрытия над жидким металлом образуется локальная газовая атмосфера, которая препятствует контакту жидкого металла с воздухом. Одновременно материал покрытия образует жидкий слой шлака, после затвердевания которого остается легкоотслаивающаяся шлаковая корка; 2) легирует, т. е. вводит в металл шва химические элементы (кремний, марганец и др.), чтобы придать ему необходимые свойства (прочность, твердость и т. д.); 3) раскисляет расплавленный металл сварочной ванны, удаляет кислород из жидкого металла. Окислы металлов, остающиеся в металле шва, снижают его механические свойства; 4) рафинирует расплавленный металл сварочной ванны, т. е. очищает его от серы и фосфора. Повышенное содержание серы и фосфора в металле шва ухудшает его механические свойства; 5) повышает устойчивость горения сварочной дуги (в покрытии содержатся элементы, обладающие низким потенциалом ионизации). Покрытие состоит из порошкообразных материалов, сцементированных клеящим раствором. В покрытие входят стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и другие вещества. Покрытия бывают кислые, основные, рутиловые, целлюлозные и пр. Практическая часть работы раздела состоит в экспериментальном изучении влияния качества газошлаковой защиты сварочной ванны электродными покрытиями на пластичность металла шва и устойчивость горения дуги. Исследование студенты проводят под руководством учебного мастера в следующей последовательности: 1) маркируют три пластины из стали Ст3сп (размер пластин 4 25 100 мм) и производят на них наплавку валиков соответственно голым электродом и электродами с меловым и качественным покрытием; 2) охлаждают пластины и исследуют металл шва (валика) на пластичность путем загиба образцов в тисках с помощью молотка, при этом загиб образцов производится до начала образования трещины в зоне наибольших пластических деформаций растяжения; 6
3) измеряют угол загиба образцов и делают вывод о влиянии качества защиты на пластичность металла сварного шва; 4) визуально оценивают влияние качества покрытия электродов и полярность постоянного тока на устойчивость горения сварочной дуги. 2. Источники питания сварочной дуги постоянным и переменным током Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока, отвечающие определенным требованиям: напряжение холостого хода Ux.x должно быть достаточным для зажигания дуги, но не превышать значений, безопасных для сварщиков; источники питания должны быть снабжены устройством для регулирования сварочного тока в регламентированных пределах; источники питания должны иметь заданную внешнюю характеристику, согласованную со статистической вольт-амперной характеристикой дуги. Внешняя вольт-амперная характеристика источника тока – это зависимость напряжения на его клеммах U от величины сварочного тока I (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Внешние характеристики сварочных источников тока: 1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая
По виду внешней характеристики источники тока подразделяются на источники с крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастающей характеристиками. Некоторые источники при переключении режи7
ма работы могут иметь крутопадающую и жесткую характеристики (универсальные источники тока). В зависимости от количества постов они могут быть однопостовыми и многопостовыми. Источники тока с крутопадающей характеристикой используются при ручной дуговой сварке. Пологопадающую характеристику имеют источники питания автоматов для сварки под флюсом. Источники с жесткой и возрастающей внешними характеристиками работают совместно с полуавтоматами для дуговой сварки в защитном газе. По роду тока источники делятся на две группы: источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные преобразователи и выпрямители). Сварочная дуга, являясь потребителем электрической энергии и преобразователем ее в тепловую, образует с источником тока взаимосвязанную энергетическую систему, работающую в статическом (установившемся) и динамическом (переходном) режимах. Установившийся режим работы системы сварочная дуга – источник тока определяется точкой пересечения внешней вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристики источника тока. При этом следует помнить, что сварочная дуга, являясь газовым проводником тока, не подчиняется закону Ома. В лабораторной работе изучаются однопостовые источники переменного и постоянного тока с крутопадающей характеристикой. Сварочный трансформатор состоит из трансформаторного пакета с первичной (сетевой) и вторичной (сварочной) обмотками (рис. 1.3). В конструкции трансформатора предусмотрено перемещение одной из обмоток относительно другой.
Рис. 1.3. Схема сварочного трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием: W1, W2 – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора 8
Напряжение дуги принимают равным напряжению на клеммах вторичной обмотки трансформатора:
U2
2 U х.х I 2X 2 ,
Ud
(1.1)
где Ud – напряжение дуги; U x.x – напряжение холостого хода во вторичной обмотке; I – сварочный ток; X – индуктивное сопротивление. Крутопадающая внешняя характеристика трансформатора с увеличенным магнитным расстоянием создается за счет падения напряжения на индуктивном сопротивлении. Так, с возрастанием тока в сварочной цепи произведение I 2 X 2 увеличивается (см. формулу (1.1)), а подкоренное выражение уменьшается – напряжение дуги снижается. Величина сварочного тока определяется из выражения (1.1):
I
2 U d2 U x.x
X
.
(1.2)
Регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения индуктивного сопротивления, значение которого зависит от электрических и геометрических параметров трансформатора: X
=2
(1.3)
; – частота тока; W2 – число витков во вторичной обмотке; – коэффициент магнитного рассеяния; RP – эквивалент магнитного сопротивления потоку рассеяния. Если учесть, что угловая частота постоянна, а эквивалент меняется незначительно, то становится ясно, что индуктивное сопротивление зависит от числа витков во вторичной обмотке трансформатора и коэффициента магнитного рассеяния. Последний находится в прямой зависимости от расстояния между первичной и вторичной обмотками. Таким образом, плавное регулирование сварочного тока в этом типе трансформаторов осуществляется за счет сближения или удаления обмоток трансформатора. Ступенчатую регулировку тока производят переключением числа витков во вторичной обмотке трансформатора. где
– угловая частота тока;
ZW2 2V , RP
9
Сварочный преобразователь состоит из двигателя переменного трехфазного тока и генератора постоянного тока (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Схема сварочного преобразователя постоянного тока: Д – трехфазный двигатель; Г – генератор постоянного тока; В – выпрямитель; R – регулировочный реостат
Крутопадающая внешняя характеристика сварочного преобразователя обеспечивается за счет взаимодействия магнитных потоков обмоток независимого и последовательного возбуждения генератора. Названные обмотки включены таким образом, что создаваемые ими магнитные потоки направлены встречно. Поэтому напряжение дуги (на клеммах генератора) будет изменяться в зависимости от алгебраической суммы магнитных потоков независимого Фн и последовательного возбуждения Фс. В результате при увеличении тока магнитный поток Фс возрастает, а разность Фн – Фс уменьшается, напряжение на клеммах падает. Регулирование сварочного тока в преобразователе производится за счет изменения соотношения магнитных потоков Фн и Фс, определяемых током и числом витков в обмотке возбуждения. Обычно плавная регулировка осуществляется изменением тока в цепи независимого возбуждения с помощью реостата R. Ступенчатое регулирование выполняется изменением числа витков в последовательной обмотке возбуждения. Сварочный выпрямитель состоит из понижающего трансформатора тока 1, дросселя 2, обеспечивающего необходимые динамические характеристики источнику, и блока полупроводниковых вентилей 3 (рис. 1.5). Наиболее распространены кремниевые вентили. Внешняя характеристика выпрямителя определяется зависимостью
10
U2
3 (U 2 3I 2 X 2 ) , 4 х.х
Ud
(1.4)
где U x.x – напряжение холостого хода выпрямителя; остальные обозначения аналогичны приведенным в формуле (1.1). Здесь, как и в формуле (1.1), с увеличением сварочного тока подкоренное выражение уменьшается, напряжение дуги падает. Плавное регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения расстояния между первичными и вторичными обмотками трехфазного трансформатора. Ступенчатая регулировка тока обычно выполняется путем переключения первичных обмоток трансформатора с «треугольника» на «звезду». Определение внешней характеристики однопостового сварочного преобразователя, трансформатора или выпрямителя студенты выполняют под руководством учебного мастера. В частности, для преобразователя ПСО-300, для фиксированного тока в обмотке независимого возбуждения I последовательно устанавливают четыре режима работы: холостой ход (электрическая цепь разомкнута); короткое замыкание (режим устанавливается при касании электрода свариваемого изделия); сварка короткой дугой; сварка длинной дугой. 1
2
3
Рис. 1.5. Схема сварочного выпрямителя: 1 – трансформатор трехфазного тока; 2 – дроссель; 3 – блок вентилей
11
Для каждого режима студенты по вольтметру и амперметру определяют напряжение на клеммах источника тока U и тока в сварочной цепи I. Полученные данные заносят в таблицу и строят графическую зависимость U = (I). Для оценки возможности плавного регулирования режима сварки опыт повторяют для другого значения тока в обмотке независимого возбуждения, устанавливаемого с помощью реостата в цепи независимого возбуждения. После освоения методики определения внешней характеристики сварочного преобразователя студенты самостоятельно проводят опыты по определению внешних характеристик сварочного трансформатора и выпрямителя. При этом обязательно необходимо указать марку аппарата, выписать его основные технические данные и указать способ регулирования режима сварки (табл. 1.1). Таблица 1.1
Режим работы источника Номер Измеряемый Сварка Сварка Холостой Короткое опыта параметр короткой длинной ход замыкание дугой дугой I, A 1 U, В I, A 2 U, В
3. Определение сварочно-технологических характеристик электродов и производительности сварки Коэффициент наплавки н характеризует массу наплавленного на изделие электродного металла в единицу времени при токе 1 А: Dн
Gн 3600 , I свt
(1.5)
где Gн – масса наплавленного металла, которая определяется взвешиванием пластины до и после сварки, г; Icв – сила сварочного тока, А; t – время горения дуги, с. Коэффициент расплавления р характеризует массу расплавленного электродного стержня в единицу времени при токе 1 А: 12
Gp 3600
Dр
I свt
,
(1.6)
где Gр – масса расплавленного электродного металла, рассчитываемая по разности масс металлического стержня электрода до и после сварки: Sd 2 (lэл lсв )U, 4
Gр
(1.7)
где d – диаметр стержня электрода, см; lэл – длина стержня электрода до сварки, см; l – длина стержня электрода после сварки, см; – плотность стали ( = 7,85 г/см 3 ). Коэффициент потерь электродного металла при сварке на угар и разбрызгивание (%):
1,3; < 1,1). При работе сварщика необходимо отметить время наплавки, рабочее давление кислорода и ацетилена и поведение сварочной ванны при формировании валика; 5) взвешивание пластин с наплавками и оставшихся присадочных прутков, измерение длины швов (валиков); 6) определение производительности процесса наплавки Q, г/ч, или , м/ч, и коэффициента потерь металла на угар и разбрызгивание , %; 7) оценка пластичности металла шва (валика) путем изгиба пластин в тисках на оправке с помощью молотка (рис. 6.7). Загиб пластины осуществляется постепенно до появления трещины в зоне наибольших 62
ние угла загиба ; 8) анализ на основе полученных результатов влияния состава газосварочного пламени на пластичность металла шва стали Ст3. D
P 1
0,5 Lобр
2 3
Трещина R
D – угол загиба Рис. 6.7. Схема испытания на изгиб: 1 – образец; 2 – оправка; 3 – тиски
Содержание отчета 1. Цель и задача работы. 2. Сущность и способы газовой сварки (конспективно). 3. Принципиальные схемы поста газовой сварки и сварочной горелки. 4. Результаты исследования влияния состава газосварочного пламени на пластичность металла шва. 5. Выводы по работе.
63
Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ..........................................................................................................3 Лабораторная работа № 1. РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА.................................. 4 Лабораторная работа № 2. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА ........18 Лабораторная работа № 3. ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ ......27 Лабораторная работа № 4. КОНТАКТНАЯ СВАРКА ........................................34 Лабораторная работа № 5. СВАРКА АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ МОНТАЖЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ...................................42 Лабораторная работа № 6. ГАЗОВАЯ СВАРКА ...................................................53
Учебное издание Гордиенко Валерий Евгеньевич Гордиенко Евгений Григорьевич Степанов Сергей Александрович Кнышев Юрий Владимирович
СВАРКА Часть I ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ Учебное пособие Редактор О. Д. Камнева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 14.09.09. Формат 60 84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 3,7. Тираж 1500 экз. Заказ 95. «С» 42. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул, д. 5.