Электро-дуговая и плазменная сварка

Министерство народного образования России Волгоградский ордена

«Знак почета» государственный педагогический институт им. А.С. Серафимовича.

Кафедра машиноведения

Курс «Эксплуатация и ремонт автомобиля и трактора»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ И ГАЗОПЛАМЕННАЯ СВАРКА.

Методические указания для студентов специальности 2120

«Общетехнические дисциплины и труд»

Рассмотрено и утверждено на

заседании кафедры машинове-

дения.

Составитель – доцент Макаров В.К.

Волгоград 1992г.

I. Тема: Электродуговая и газопламенная сварка и наплавка.

II. Цель работы:

1. Изучить технологию проведения ручной электродуговой сварки и наплавки.

2. Изучить газоплазменную сварку и наплавку.

3. Автоматическая наплавка в среде защитных газов.

4. Плазменно – дуговая сварка и наплавка.

5. Металлизация.

6. Восстановление деталей электроконтактной приваркой. Металлического слоя. Сварка трещин.

III. Общие положения.

3.1. Технология ручной электро – дуговой сварки.

В 1802г. русский физик В.В. Петров первым в мире открыл явления дугового разряда и возможность использования его для расплавления металла.

В 1888г. русский инженер Н.Г. Славянов изобрел дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. Для получения электросварочной дуги используют постоянный и переменный ток. Этим способом можно наплавлять и сваривать углеродистые и легированные стали всех марок толщиной от 1 мм. и выше, чугун и цветные металлы, а также наплавлять твердые сплавы. Горение любой сварочной дуги сопровождается выделением большого количества тепла. Температура дуги на оси газового столба достигает 6000 – 7500 С, на участках поверхности угольных электродов – 3000…4000 С, стальных – 2200…2500 С. При сварке на постоянном токе угольными электродами температура дуги на аноде достигает 4000 С и на катоде 3200 С, при использовании стальных электродов – на аноде 2600 С, на катоде 2400 С. Поэтому при сварке тонкого или легкоплавкого металла, а также чувствительных к перегреву высокоуглеродистых, нержавеющих и легированных сталей электрическую дугу питают током обратной полярности, то есть минус источника тока подключают к изделию.

Температура дуги зависит от силы тока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения электрода, плотности тока. Чем она больше, тем выше температура дуги. При ручной дуговой сварке плавящимся электродом плотность достигает от 10 до 20 А/мм2
и напряжении 18…20 В.

Производительность сварки характеризуется количеством расплавленного электродного металла в единицу времени, которое определяется по формуле.

Он
= К * I

где Он
– количество расплавленного металла электрода, Г;

К – коэффициент наплавки, Г (а.ч)

I – сварочный ток А.

Коэффициент наплавки зависит от присадочного материала, материала электродов и состава их покрытия, рода и полярности тока, а также от потерь при сварке. Для различных условий коэффициент наплавки находят опытным путем. При ручной сварке он колеблется в пределах от 6 до 18г (А.Ч)

Под действием высокой температуры в зоне сварки молекулы кислорода и азота, попадающие из воздуха, частично распадаются на атомы. Кислород образует оксиды железа и способствует выгоранию ценных легирующих элементов (марганца, кремния и др.), тем самым резко ухудшая свойства наплавленного слоя. Азот образует нитриды, которые увеличивают твердость, снижают пластичность и способствуют образованию коробления и трещин. Водород, попадающий в зону сварки из влаги и ржавчины, способствует образованию пор и трещин. Чтобы уменьшить вредное воздействие этих элементов, место сварки зачищают, а зону сварки зачищают нейтральными газами и шлаками.

3.1.1. Оборудование электродуговой сварки.

Для сварки используют преобразователи типа ПСО, ПСГ или выпрямители типа ВДУ.

Наибольшее распространение получили трансформаторы типа ТС и ТКС (ТС – 120, ТС – 300, ТС – 500, ТСК – 300, ТКС – 500).

Число обозначает номинальный сварочный ток. Для ручной электродуговой сварки применяют выпрямители ВСС – 120 – 4 ВСС – 300 – 3 (селеновые ВКС – 120, ВКС – 300 и ВКС – 500 (кремневые).

3.1.2. Сварочная проволока и электроды.

Качество наплавляемого материала и производительность процесса сварки или наплавки во многом определяются материалом электродов и их покрытий. В зависимости от способа сварки применяют сварочную проволоку, плавящиеся и неплавящиеся электродные стержни, пластины и ленты. При механизированных способах сварки используют электродную проволоку без покрытия, а для ручной дуговой сварки проволоку рубят на стержни длиной 350 – 400 мм и на их поверхность наносят покрытие. Плавящийся стержень с нанесенным на его поверхность покрытием называют сварочным электродом.

Стальная сварочная проволока изготавливается диаметром от 0.3 до 12. В зависимости от химического состава стальную сварочную проволоку разделяют на низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную.

Низкоуглеродистые проволоки СВ – 08, СВ – 08А, СВ – 08ГД, СВ – 10ГА и другие – всего шесть марок, содержание не более 0.12% углерода, предназначены для сварки мало – и среднеуглеродистых, а также некоторых низколегированных сталей.

Легированные проволоки
Св – 08Г2С, СВ – 08ХН2М, СВ – 08ХГСМФА и другие включают в себя до шести легирующих элементов с общим содержанием не более 6%. Эти проволоки применяют для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей.

Высоколегированные проволоки СВ – 12Х13, СВ – 06Х19М9Т и другие, всего 41 марка – содержат в своем составе легирующих элементов более 60. Эти проволоки применяют для сварки нержавеющих, жаростойких и других специальных сталей.

Сварочные электроды
выпускаются промышленностью как плавящиеся и неплавящиеся. Угольные неплавящиеся электроды изготавливают в виде стержней длиной до 30 мм. и диаметром от 6 до 30 мм. Плавящиеся электроды, занимающие ведущее место в сварке, выпускают покрытыми различными элементами для защиты сварки. По своему назначению покрытия электродов делят на стабилизирующие
, или тонкие, и качественные
, или толстые.

Стабилизирующие покрытия содержат вещества, атомы которых легко ионизируются и поддерживают устойчивое горение дуги, а также облегчают ее возбуждение, особенно при сварке на переменном токе. Лучше всего ионизируются пары кальция, а также кальция, который входит в состав мрамора и мела в виде углекислого кальция СаСО3
. Наиболее простое и распространенное стабилизирующее покрытие – меловое на 15…20 частей по массе натрового жидкого стекла берут 80…85 частей мела. Покрытие наносят на электрод тонким слоем -0.1 – 0.3 мм, и оно составляет 1…2% от массы электрода. Стабилизирующее покрытия не защищают наплавляемый металл от кислорода и азота, поэтому сварной шов получается сравнительно хрупким, со многими посторонними включениями.

Качественные защитные покрытия
предохраняют наплавленный слой от кислорода и азота окружающего воздуха, а легирующие элементы, входящие в состав покрытия, позволяют получить сварной шов, не уступающий по механическим свойствам основному металлу, а иногда и превосходящий его. Эти покрытия наносят на электрод слоем 0.7…2.5 мм. и они составляют 30…75% массы электрода.

Электроды в зависимости от отношения наружного диаметра «Д» к диаметру его стержня «dэ
» подразделяют на несколько групп:

М – с тонким покрытием (Д : dэ
) < 1.2). б – со средним покрытием (Д : dэ
) < 1.45.

Д – с толстым покрытием (Д : dэ
) < 1.80).

Г – с особо толстым покрытием (Д : dэ
) < 1.80)

Защитные качества покрытия по составу основных входящих в них веществ делят на группы: А – с кислым покрытием; Б – с основным покрытием; П –с покрытием прочих видов.

В соответствии с ГОС9467 – 75 электроды для ручной дуговой сварки подразделяются на несколько типов, в каждой из которых входит несколько марок, обеспечивающих определенное качество сварочного шва. Электроды типа 342, 342А, 346, 346А, 350 , 350А предназначены (марки АНО – 1, АНО – 5, УОНИ – 13/45, УОНИ – 13/55 и др.) для сварки углеродистых сталей с временным сопротивлением разрыву до 500 МПа. Буква А указывает на то, что электрод дает сварочный шов повышенного качества по пластичности ударной вязкости.

Электроды типа 355 и 360 (марки УОНИ – 13/55 и ИОНИ – 13/65 используют для сварки сталей временным сопротивлением разрыву до 600 МПа.

Электроды типа Э70, Э85, Э100, Э150 (марки УОНИ – 13/85, НИПТ – 3, НИА – 3М и др.) используют для сварки сталей высокой прочности с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа.

Электроды типа (-1012, Э – 12Г4, Э – Г2ХМ и другие (марки ОЗН – 300, ОЗ – 400У и др)

используют преимущественно для наплавки деталей, работающих в тяжелых условиях ударных нагрузок и повышенного износа.

3.1.3. Выборы электродов и род тока.

Он зависит от толщины и химического состава свариемого материала, от конфигурации детали, расположения накладываемых швов и других факторов. Поэтому марку электрода в каждом конкретном случае должен выбирать квалифицированный специалист по сварке. Общие положения по выбору электродов, силы и рода тока можно свести к следующему.

Стальные детали толщиной менее 5 мм., а также чугун и цветные металлы лучше варить на постоянном токе. При сварке на постоянном токе стабильно горение дуги на малых токах и, кроме того, можно маневрировать полярность тока. Если сваривают такие детали, то чтобы избежать пережога, их подключают к аноду (на минус), а в электрод – к катоду (на плюс). При сварке толстых деталей анод подключают к детали, а катод – к электроду.

Толщину стержня электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемой детали. Для сварки металла большей толщины берут электрод с более толстым стержнем электрода. В ремонтной практике используют преимущественно электроды со стержнем диаметром от 2 до 5 мм.

Силу тока ( J ) выбирают в зависимости от толщины стержня электрода по формуле J = (40…50)

3.1.4. Подготовка деталей к сварке.

Важным условием получения качественных сварных соединений является чистота металла сварки. Наличие в металле любых загрязнений (масла, накипи, ржавчины, окислов) ухудшает свариваемость основного и присадочного металлов, шов получается пористым, а соединение непрочным.

Для удаления окисной пленки и поверхностных загрязнений зону вокруг любого дефекта (повреждения) необходимо зачистить до металлического блеска. Это лучше всего сделать ручной электрической и пневматической шлифовальной машиной.

В местах, не доступных для механической обработки, поверхность вокруг повреждения до металлического блеска стальными щетками, специально заточенными шаберами или другими инструментами.

При подготовке к сварке тонких малозаметных трещин зачистку производят не вдоль, а поперек трещин. (рис. 1). При такой зачистке риски, образованные на метал

ле от шлифовального круга, не совпадают с направлением трещины, а пыль, осаждающаяся на трещину, выявляет ее контуры даже в тех местах, где простым глазом можно трещину и не заметить.

Рис.1.

Схема зачистки поверхности круга вокруг трещины перед заваркой. 1 – зона зачистки, 2 – направление движения шлифовального круга, 3 – трещина.

Во всех случаях ширина зачистки должна быть в два – три раза больше ширины накладываемого шва. При заварке трещин в стенках рубашки охлаждения, когда шов предполагается герметизировать эпоксидным клеем, зачистку по обеим сторонам трещины производят на общую ширину не менее 30 мм. Малозаметные трещины необходимо еще накернить, чтобы не потерять их во время сварки из виду.

Если концы трещин расположены в местах где возможны значительные внутренние напряжения детали, то их необходимо засверлить. Это нужно для предупреждения дальнейшего распространения трещины во время сварки и при работе детали.

При толщине стенки (металла) в местах прохождения трещины более 5 мм. ее необходимо разделить, т.е. вдоль ее оси прорезать канавку. Подготовку трещин и других дефектов к заварке лучше всего выполнять непосредственно перед заваркой. Пробоину чаще всего заделывают наложением внахлест заплат. Ее вырезают толщиной 2.5 – 3 мм. Края заплат должны перекрывать пробоину не менее чем на 10 мм. В местах прилегания заплаты поверхность детали необходимо зачистить до металлического блеска. Перед приваркой заплаты по ее середине необходимо немного постучать молотком с тем, чтобы придать ей выпуклость для компенсации разности линейного расширения чугуна и стали при нагреве детали. Края заплаты необходимо плотно подогнать к поверхности детали.

Подготовка отверстий к заварке заключается в зачистке поверхности вокруг них, рассверливании до полного снятия старой резьбы. Глубокие резьбовые отверстия необходимо также рассверлить и разделать на конус с тем, чтобы можно было расплавить металл на всю глубину резьбы. Перед устранением сваркой любых повреждений, где металл находился в зоне соприкосновения с маслом, место сварки полезно подогреть пламенем газовой горелки до температуры 200 – 220 С. Эту операцию проводят быстрыми перемещениями горелки вдоль завариваемого повреждения в течение 1 – 2 мин.

3.1.5. Технология электродуговой сварки.

Основными элементами режима дуговой сварки являются: род, полярность и сила тока, диаметр электрода, напряжение дуги и скорость сварки. Увеличение тока увеличивает, а уменьшение – уменьшает глубину провара. Ширина шва зависит от скорости сварки: увеличение скорости уменьшает ширину шва, а уменьшение скорости увеличивает ее. Уменьшение диаметра электрода при этом тоже повышает плотность, тока и уменьшает подвижность дуги, что увеличивает глубину провара и сокращает ширину шва. При сварке стальных деталей необходимо поддерживать возможно короткой.

Хорошее качество сварки и наплавки стальных деталей во многом зависит от химического состава металла, от содержания в нем углерода и легирующих примесей. Многослойную заварку или наплавку этих сталей ведут так, чтобы при наложении последующего слоя предыдущий не успевал охладиться до температуры ниже 200 С. Углеродистые и низколегированные стали сваривают и наплавляют преимущественно электродами типов Э42 и Э46 с рутиловым покрытием марок АНО – 4, АНО – 5, ОЗС – 4 и др.

При сварке деталей из конструкционных сталей наилучшее качество дают электроды типа Э42А. С фтористокальциевым покрытием УОНИ – 13/45, ОЗС – 2. Для наплавки быстроизнашивающихся поверхностей работающих в абразивной среде, когда необходима их повышенная твердость, лучше применять электроды марок Т – 590, Т – 620, Х – 5. Шов получается менее пластичный , но с твердостью порядка НРС 56 – 62 без термообработки.

Детали с цементированными поверхностями и высокой твердостью восстанавливают электродами ОЗН – 400У и ЦН – 4 (кулачки распредвала, тарелки клапана и др.). Эти электроды обеспечивают твердость слоя НАС 45…55 без керамической обработки. При наплавке распределительный вал частично погружают в воду, чтобы уменьшить коробление и избежать нарушения термической обработки участков, расположенных близко к зоне сварки.

Стальные детали толщиной 2 мм до сотых долей миллиметра успешно сваривают дуговой сваркой неплавящимися электродом с применением специальных транзисторных источников питания типа ПА – 4, АП – 5, АП – 6. Они позволяют вести сварку постоянным импульсом тока прямой и обратной полярности. Пределы регулирования тока в этих аппаратах от 0,05 до 300А.

Баки, автоцистерны и другие сосуды из – под топлива перед сваркой тщательно очищают от следов нефтепродуктов или заполняют отработавшими газами карбюраторных двигателей, предварительно очистив их пропусканием через воду.

Восстановление чугунных деталей сваркой – трудный процесс, обуславливаемый химическим составом чугуна, его структурой и особыми механическими свойствами, которые во многом зависят от того в каком виде находится углерод. Если большая часть углерода содержится в связном состоянии в виде цемента (Fe3
C), то такой чугун более светлого цвета, очень тверд, хрупок и не поддается механической обработке. В сером чугуне часть углерода находится в структурно – свободном состоянии в виде пластичных включений графита. Серый чугун также хрупок, но достаточно мягок и легко поддается обработке. Приближенно все способы сварки чугунных деталей делят на два вида: горячую и холодную.

Горячая сварка
. Деталь перед сваркой подогревают, а после медленно охлаждают. Лучшая температура обеспечивающая высокое качество сварки, 600 – 650 С. Скорость охлаждения от начала затвердевания наплавленного металла до 600С должна быть не более 4 С в секунду. При большей скорости охлаждения ухудшается процесс графинизации и проходит отбеливание чугуна. Мелкие детали подогревают до температуры 150 – 200С. Подогрев и охлаждение ведут медленно и равномерно.

Заварку дефекта ведут чугунными электродами больших диаметров (12 – 14 мм) на повышенном сварочном токе (1200 – 1300А), при большой ванне жидкого металла, чтобы создать необходимые условия для удаления газов и неметаллических включений из расплава. Сварку ведут только в нижнем положении шва и без перерыва до полного заполнения трещин. Перед сваркой концы трещин засверливают и вдоль трещин делают разделку швов. Чтобы предупредить растекание жидкого чугуна, их место заварки заформовывают графитными или угольными пластинками. Горячая сварка чугуна очень трудоемка, но обеспечивает хорошее качество наплавленного металла.

Холодная сварка чугуна
. Для сварки чугуна стальными электродами применяют многослойную плавку электродами, так называемый способ отжигающих валиков.

Вдоль трещин чугунной детали наносят V – образную глубокую разделку кромок и по обе стороны снимают линейную корку на расстоянии, примерно равной ширине разделки. На первый сварочный валик длиной 40…50 мм. сразу же накладывают второй, отжигающий валик. При наложении второго валика первый больше прогревается и затем остывает с меньшей скоростью. Значительная часть цемента распадается, выделяется график, а закаленная часть шва частично отпускается и нормализуется. Верхний (отжигающий) валик уже меньше подвержен закалке, в результате чего резко снижается твердость всего шва и частично снимаются остаточные напряжения.

Для повышения надежности заварки трещин в сильно нагруженных деталях (КПП, трансмиссия и др.) на раздельных кромках трещин часто ставят в шахматном порядке на резьбе упрочняющие стальные шпильки или скобы. Диаметр шпилек рекомендуется брать в пределах 0.15…0.2 толщины стенки, но не менее диаметра электрода. Расстояние между шпильками берут равным 4…6 диаметра, глульину посадки 2 диаметра, расстояние от кромок не менее 1.5…2 диаметра шпилек. Сначала шпильки обравнивают кругом, а затем наплавляют весь сплошной шов. Первые слои в разделке трещин или обварку упрочняющих шпилек выполняют специальным электродом ЦЧ – 4, а все последующие электродами типа УОНИ – 13/55 или другими из стержней малоуглеродистой стали. Этот способ сварки трудоемок, малопроизводителен. Поэтому, когда не нужна высокая прочность сварочного шва, применяют сварку биметаллическими электродами.

Сварка чугуна электродами на основе никеля ПАНЧ – 11 и ЦЧ – 3А обеспечивают достаточно высокую прочность, отсутствие трещин и хорошую обрабатываемость наплавленного металла.

Сварку чугуна электродами на основе меди ведут во всех случаях, когда не требуются высокая прочность сварного шва. Медно – железные электроды 034 – 2 изготавливают из медного стержня с фтористокальциевым покрытием, в которое добавляют 50% железного порошка. Слой, наплавленный электродами 034-2, представляет собой медь, насыщенную железом с вкраплением закаленной стали, имеющей большую твердость. По границе шва отдельными участками располагаются зоны отбеливания. Несмотря на достаточно высокую твердость, шов можно обрабатывать твердым инструментом.

Медно – никелевые электроды МНЧ – 2 представляет собой стержни из монель – металла (28% меди, 2,5% железа, 1,5 марганца, остальное никель) или из сплава МНМц (40% никеля, 1,5%марганца, остальное медь). Никель этих электродов не образует соединений с углеродом, поэтому наплавленный шов имеет малую твердость и почти отсутствует зона отбеленного чугуна. Наплавленный шов легко поддается обработке, но прочность его низкая, поэтому медно – никелевые электроды часто применяют в сочетании с электродами ОЗЧ – 2. Первый слой, чтобы обеспечить плотность, и последний, чтобы улучшить обработку, наносят электродами МНЧ – 2, а остальное заплавляют электродами ОЗЧ – 2.

Хорошие результаты при холодной сварке чугуна дают электроды АНЧ1 со стержнем из аустенитно хромоникелевой проволоки. СВ – 04Х19Н9 или СВ – 06Х19Н9Т, снабженным медной оболочкой и фтористокальциевым покрытием.

Сварка цветных металлов и сплавов
.

Медь и ее сплавы удовлетворительно свариваются электродами марок «Комсомолец – 100», МН – 5 и ОЗБ – 1, а также угольным электродом на постоянном токе прямой полярности и достаточно хорошо свариваются аргонно – дуговой сваркой вольфрамовым электродом.

При сварке латуни и других медно – цинковых сплавов применяют прутки с повышенным содержанием цинка. При сварке выделяются ядовитые пары цинка поэтому необходимы хорошая вентиляция рабочего места сварщика и применение респираторов.

Алюминий и его сплавы
.

Легко окисляются на воздухе, и поверхности деталей всегда покрыты плотной пленкой оксида алюминия Al2
O3
, температура плавления которого 2050 С (в то время как температура плавления чистого алюминия 660С). Тугоплавкая и механически прочная пленка оксида алюминия создает основные трудности при его сварке. Кроме того, при нагревании алюминий и сплавы не изменяют цвета, а в расплавленном состоянии характеризуются большой жидкотекучестью что также затрудняют сварку.

В качестве электродов или присадочного материала при сварке чистого алюминия и его сплавов используют прутки или проволоку, по химическому составу близкие к свариваемому металлу. В покрытия электродов или в флюс вводят хлористые и фтористые соли лития, калия, энергично растворяющиеся и отшлаковывающие оксид алюминия. Сварку ведут постоянным током обратной полярности, при которой в результате катодного распыления улучшается условия разрушения оксидной пленки. После сварки во избежание разъединения металла шлак со шва удаляют, промывая горячей или подкисленной водой и тщательно протирая стальными щетками. Перед сваркой поверхность детали обезжиривают бензином или ацетоном и подвергают очистке механическим или ручным способом.