Лабораторная работа по дисциплине «Материаловедение» для ВГУИТ

Лабораторная работа № 7 Изучение основ электродуговой сварки Цель  работы: ознакомиться на практике с технологическим процессом дуговой электрической сварки. Оборудование, приспособления, инструмент, материалы: аппарат электросварочный, электроды, образцы стальные.   Теоретические сведения Сварка — процесс неразъемного соединения металлов при их сближении на расстояние действия сил межатомного сцепления. Для возникновения межатомных сил требуется введение определенной энергии, которая может быть представлена в виде теплоты, деформации или какого-нибудь облучения (электронного, ионного). По методу объединения поверхностей заготовок сварка может быть плавлением и давлением, по виду применяемой энергии — электрической, химический, механической. При изготовлении сварных конструкций в соответствии с ГОСТ 5264-80 [8] применяют следующие основные виды соединений: стыковые; внахлестку; тавровые; угловые; прорезные и с отбортовкой кромок (табл. 1). При сварке плавлением формирование сплошного физического контакта, химических связей, удаление поверхностных загрязнений осуществляются в результате местного расплавления соединяемых поверхностей и образования общей сварочной ванны. При электродуговой сварке источником теплоты служит электрическая дуга, которая горит между двумя электродами, одним из которых является свариваемая заготовка. Дуга — мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Электрическая дуга имеет температуру 6000…7000 °С.   Таблица 1 Основные виды сварочных соединений

Сты-ковые		Угло-вые
Внах-лестку		Прорезные
Тавро-вые		С отбортов- кой кромок

  Полная тепловая мощность дуги   Q = k · I_св ·U_д  ,   где k — коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для постоянного тока k = 1, для переменного k = 0,7…0,9); I_св — сварочный ток; U_д — напряжение дуги.   Большинство металлов и сплавов при сварке плавлением взаимодействуют с окружающей атмосферой. Особенно активно реагирует расплавленный металл. В результате взаимодействия с окружающей средой происходит окисление металла, а также растворение в нем азота и водорода. Это приводит в подавляющем большинстве случаев к ухудшению свойств металла шва и сварных соединений. При сварке плавлением необходима защита металла от контакта с воздухом.   Шлаковая защита использует флюсы и покрытия, образующие шлаки с определенными физико-химическими свойствами. Шлаки условно можно разделить на две группы: активные (наряду с защитой осуществляют раскисление, связывание серы и фосфора, легирование); пассивные (только защита). Газовая защита — защита инертными и активными газами. Инертные газы — аргон, гелий. Активный газ — углекислый газ. Его используют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей для защиты от азота воздуха. Впервые явление электрической дуги было открыто в 1802 г. русским физиком профессором С.-Петербургской академии наук Василием Владимировичем Петровым. Первым практически применил дугу для целей сварки в 1882 г. русский инженер Николай Николаевич Бенардос, который предложил способ соединения металлических частей неплавящимся угольным электродом (рис. 1, а). Русский инженер Николай Гаврилович Славянов в 1889 г. заменил неплавящийся угольный электрод плавящимся металлическим (рис. 1, б). Н. Н. Бенардос впервые предложил применять при сварке защиту ванны газом. Н. Г. Славянов впервые выдвинул идею о необходимости защиты ванны ферросплавами и стеклом, что привело к созданию покрытых электродов, а также сварки под слоем гранулированного флюса. Постоянный ток                                Постоянный или переменный ток   Рис. 1. Схемы электродуговой сварки: а — способ Н. Н. Бенардоса;  б – способ Н. Г. Славянова   Вольфрамовые электроды: Æ 0,2…12 мм; L = 75; 140; 170 мм. Графитовые и угольные электроды: Æ 5…25 мм; L = 200…300 мм. Плавящиеся электроды выполняют из стальной проволоки трех групп: низкоуглеродистая (Св-08А, Св-10ГС …); легированная (Св-18ХМА, Св-10Х5М …); высоколегированная. Электроды классифицируются по назначению, типу покрытия, химическому составу. По назначению — на 4 класса: 1) для сварки углеродистых и легированных сталей; 2) легированных жаропрочных сталей; 3) высоколегированных сталей с особыми свойствами; 4) для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. По типу покрытия: 1) стабилизирующие; 2) защитные; 3) легирующие. По химическому составу: 1) кислые; 2) основные; 3) рутиловые; 4) целлюлозные. При сварке плавящимся электродом количество наплавленного металла или средняя скорость наплавки определяется следующим образом:   G _н = a_н  · I_д,   где a_н  — коэффициент наплавки, г/(А×ч) (при ручной дуговой сварке a_н   = 7…10 г/(А×ч). Шлаковая защита при дуговой сварке — за счет расплавления флюсов (более надежная защита), электродных покрытий. При сварке покрытыми электродами происходит плавление стержня и покрытия. Расплавляющееся покрытие образует шлак и газы. Шлак обволакивает капли металла, образующиеся при плавлении электродной проволоки. В ванне шлак перемешивается и, всплывая на ее поверхность, образует шлаковый покров, предохраняющий металл от взаимодействия с кислородом и азотом воздуха. Кроме того, при всплывании на поверхность ванны шлак, взаимодействуя с расплавленным металлом, очищает его. Образующиеся при расплавлении покрытия газы оттесняют воздух из реакционной зоны (зоны дуги) и таким образом способствуют созданию лучших условий для защиты. При сварке для электродов диаметром 3…6 мм рекомендуется следующее соотношение: I_д = (20 + 6d) · d, где d — диаметр стержня электрода, мм. Допустимые значения тока при этом 100…350 А. Сварка под флюсом — сущность сварки заключается в применении непокрытой сварочной проволоки и гранулированного флюса, насыпаемого впереди дуги слоем определенной толщины. Сварку ведут дугой, горящей под слоем флюса в пространстве газового пузыря, образующегося в результате выделения паров и газов в зоне дуги. Сваркой под флюсом соединяют многие металлы: стали; алюминий; титан; медь и их сплавы. Для алюминиевых сплавов используют сварку открытой дугой по небольшому слою флюса. Для обеспечения равномерного сквозного проплавления свариваемых элементов выбирают различную технологию сварки и рациональную форму подготовки кромок. Отбортовку кромок применяют при сварке пластичных металлов толщиной до 3 мм. Высоту отбортовки в большинстве случаев принимают равной удвоенной толщине свариваемых элементов. Радиус изгиба при отбортовке обычно принимают равным толщине кромок. Разделку кромок применяют, когда односторонняя или двусторонняя сварка не позволяет их проплавление на всю толщину (рис. 2). Конструктивные элементы сварного шва представлены на рис. 3.   Рис. 2. Конструктивные элементы подготовленных кромок   свариваемых деталей: а – фаска с одной стороны (стыковое соединение); б – фаска сдвух сторон (стыковое соединение); в – фаска с двух сторон (угловое соединение); г – фаска с одной стороны (тавровое соединение)   Рис. 3. Конструктивные элементы сварного шва:  а – ширина e  и высота g сварного шва при односторонней кромке стыкового соединения; б — ширина  e  и высота g сварного шва при двухсторонней кромке стыкового соединения ; в — ширина e  и высота g сварного шва при двухсторонней кромке углового соединения; г — ширина e  сварного шва при односторонней кромке таврового соединения В табл. 2. приведены некоторые конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей. Таблица 2 Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей.

Тип соеди-нения	Фор-ма подго-товленных кро-мок	Харак-тер сварно-го шва	Услов-ное обозна-чение сварно-го соединения	Конструктивные элементы		s, мм	e, мм	g, мм
				подготовленных кромок свариваемых деталей	сварного шва
Стыковое	Со скосом одной кром-ки	Одно-сторонний	С8	Рис. 2, а s = s1	Рис. 3, а	Св.  3 до 5 »  5  »  8 »  8  » 11 » 11  » 14 » 14  » 17 » 17  » 20 » 20  » 24	8 12 16 20 24 28 32	0,5
Стыковое	Со скосом кро- мок	Одно-сторон-ний	С17	Рис. 2, б s = s1	Рис. 3, б	Св.  3 до 5 »  5  »  8 »  8  » 11 » 11  » 14 » 14  » 17 » 17  » 20 » 20  » 24	8 12 16 19 22 26 30	0,5
Угловое	Со скосом кро-мок	Одно-сторон-ний	У9	Рис. 2, в s1³ ,5s	Рис. 3, в	Св.  3 до 5 »  5  »  8 »  8  » 11 » 11  » 14 » 14  » 17 » 17  » 20 » 20  » 24	8 12 16 19 22 26 30	0,5
Тавровое	Со скосом одной кром-ки	Одно-сторон-ний	Т6	Рис. 2, г s1³ ,5s	Рис. 3, г	Св.  3 до 5 »  5  »  8 »  8  » 11 » 11  » 14 » 14  » 17 » 17  » 20 » 20  » 24	7 10 14 18 22 26 30	—

    Сварочный трансформатор и регулятор (дроссель). Сварочные трансформаторы применяют при сварке переменным током для понижения напряжения заводской сети с 220…380 до 60…65 В, необходимого для возбуждения сварочной дуги. Изменение величины сварочного тока осуществляется регулятором (дросселем). Трансформатор и регулятор могут быть сделаны в виде отдельных аппаратов или объединены в одном корпусе и иметь обмотки на общем сердечнике. Основа трансформатора — замкнутый сердечник, набранный из большого количества одинаковых пластин, отштампованных из тонкой (0,5 мм) листовой трансформаторной стали. На сердечнике помещены две обмотки, имеющие различное число витков. Если на первой обмотке с большим количеством витков пропускать переменный ток, то он будет намагничивать сердечник, создавая в нем переменный магнитный поток. Этот магнитный поток воздействует на витки второй обмотки, вследствие чего в ней появляется переменный индуктированный ток, но другого напряжения, величина которого зависит от числа витков во второй обмотке. Чем больше витков имеет вторая обмотка, тем выше напряжение индуктируемого в ней тока, и наоборот. Первая обмотка, в которую поступает ток из сети, называется первичной, а вторая обмотка, от которой ток отводится в сварочную цепь, — вторичной, включаемой последовательно в сварочную цепь. Сердечник имеет подвижную часть, перемещающуюся вправо или влево с помощью винта, вращаемого рукояткой. При этом воздушный промежуток между неподвижной и подвижной частями сердечника может увеличиваться или уменьшаться. Индуктированное сопротивление будет тем выше, чем меньше промежуток. Уменьшая величину воздушного промежутка, увеличивают сварочный ток. Порядок включения сварочного трансформатора. Перед началом сварки необходимо проверить правильность и плотность присоединения наконечников проводов к зажимам контактов трансформатора и регулятора. Перед включением рубильника на стороне высокого напряжения трансформатора сварщик обязан: 1) осмотреть трансформатор и регулятор, очистить их от пыли и грязи; 2) проверить плотность всех мест присоединения проводов к клеммам, очистить их от пыли; 3) заземлить кожух трансформатора, для чего нужно присоединить заземляющий провод к специальному болту с надписью «заземление», регулятор заземлять не требуется. После выполнения этих операций нужно включить рубильник, подводящий ток к трансформатору. Сварочный ток в соответствии с диаметром электрода и толщиной свариваемого металла регулируется рукояткой дросселя. Вращая ее слева направо, увеличивают сварочный ток, а справа налево (против часовой стрелки) — уменьшают.

Горение дуги. Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга часто обрывается и гаснет, то она называется неустойчивой. Принято считать, что нормальная длина дуги не должна превышать 3…4 мм для стального электрода. Такая дуга называется короткой. Для электродов диаметром 4…5 мм с покрытием ОММ-5 нормальная длина дуги 3…6 мм. Дуга, превышающая 6 мм, называется длинной. Дуга может питаться постоянным током прямой и обратной полярности. Дуга при сварке металлическим электродом горит устойчиво при напряжении 18…28 В, а при сварке угольным или графитовым электродом — 30…35 В.

Контроль качества шва. К основным дефектам сварных швов, выполненных сваркой плавлением, относятся следующие:

  1) непровар — отсутствие сплавления наплавленного металла с металлом изделия из-за несоблюдения режимов сварки, превышение скорости перемещения электрода или горелки по шву; 2) подрез — углубление вдоль шва на основном металле, образующееся из-за неправильного подбора режима сварки; 3) перегрев металла и его пережог — местное окисление металла в зоне сварки из-за наличия сильно окислительной среды, применения большой величины тока или мощности газовой горелки, при медленном перемещение электрода, газовой горелки вдоль шва; 4) прожог — сквозное проплавление свариваемых изделий из-за применения большой силы тока для определенной толщины металла или большой величины зазоров; 5) пористость — наличие газовых раковин, пор, шероховатости на поверхности шва в связи с выделением газов из металла, вызываемом наличием влаги во флюсе, ржавчиной на поверхности разделки кромок изделий; 6) шлаковые включения — образования, появившиеся из-за содержания неметаллических включений в металле или повышенной вязкости шлака; 7) трещины возникают в металле шва или хрупких околошовных зонах вследствие неравномерного нагрева и охлаждения металла, поля напряжений и деформаций в изделии, повышенной концентрации водорода в швах; 8)  коробление — следствие местного нагрева металла в зоне сварки. Для выявления дефектов сварки производят:

• внешний осмотр шва, контроль геометрических размеров;
• определение механических свойств сварного соединения в целом и его отдельных участков, а также наплавленного металла при всех видах сварки металлов и их сплавов в соответствии с ГОСТ 6996-66 [9]
  • испытания металлов различных участков сварного соединения и наплавленного металла на статическое (кратковременное) растяжение, на ударный изгиб, на стойкость против механического старения;
  • измерение твердости металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла;
  • испытание сварного соединения на статическое растяжение, на статический изгиб, на ударный разрыв;
• гидравлические испытания — путем создания в емкостях и трубопроводах избыточного давления жидкости, превышающего в 1,5…2 раза рабочее, в течение 5…10 мин;
• пневматические испытания — нагнетанием в сосуды сжатого воздуха под давлением, превышающим атмосферное на 0,01…0,02 МПа, наличие неплотности определяют по мыльным или воздушным пузырькам;
• магнитный контроль — путем намагничивания изделия и обнаружения полей магнитного рассеяния на дефектных участках (для чего на поверхность соединения наносят порошок железной окалины или его масляную суспензию);
• рентгеновское просвечивание основано на различном поглощении рентгеновского излучения участками металла с дефектами и без них, сварные соединения просвечивают с помощью специальных рентгеновских аппаратов, вид и размер дефектов определяют сравнением полученных снимков с эталонными;
• просвечивание гамма-лучами — аналогично рентгеновскому, однако, менее дорогостоящее, более портативное;
• ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковых волн отражаться от поверхности раздела двух сред, ультразвук вводят в изделие отдельными импульсами под углом к поверхности металла, с помощью ультразвукового контроля можно установить наличие дефекта, место его расположения, но нельзя установить его вид.

  Правила техники безопасности  

1. Работать в лаборатории разрешается только после проведения инструктажа.
2. Выполнять только полученное задание и не работать на оборудовании и оснастке, не изучив правил техники безопасности.
3. Сварку выполнять только в спецодежде, которая должна быть плотно застегнута, и в головном уборе.
4. Для защиты лица и глаз от лучистой энергии применять щитки, шлемы, а от механических повреждений – предохранительные очки с прозрачными стеклами.
5. Во время работы быть внимательным, не отвлекаться и не отвлекать других.
6. Не работать на неисправном оборудовании или неисправным инструментом.
7. При перерывах в работе выключать оборудование.
8. Для защиты от отравления выделяющими газами следить, чтобы во время работы помещение вентилировалось.
9. Для предотвращения поражения электрическим током следить за тем, чтобы сварочные установки были надежно заземлены; не прикасаться к распределительным щиткам, проводам силовой, осветительной сети или другим токоведущим частям.
10. Предупреждать окружающих о зажигании дуги.
11. Для предотвращения пожаров в помещениях, где производится сварка, не должны находиться легковоспламеняющиеся вещества.

  Порядок выполнения работы  

1. Изучить процесс сварки по способу Н. Г. Славянова, Н. Н. Бенардоса.
2. Произвести расчет режимов электродуговой сварки, определить время и необходимое количество электродов для выполнения задания по варианту (табл. 3).

Расчет режима стыковой сварки образцов заданной толщины.

Сила сварочного тока ( I_св, А) определяется по формул I_св = (a +  b · d_э) d_э, где a и b — опытные коэффициенты, для ручной сварки стальными электродами a = 20, b = 6; d_э — диаметр стержня электрода, мм.   Таблица 3 Варианты индивидуальных заданий

Номер вариан та	Толщина свари-ваемых дета-лей, мм	Длина шва L, м	Условное обозначе-ние сварного соедине-ния	Номер варианта	Толщи-на свариваемых дета-лей, мм	Длина шва L, м	Условное обозначе-ние сварного соедине-ния
1	5	1,0	С8	14	4	1,2	С17
2	18	2,5	С17	15	18	0,9	У9
3	20	0,8	У9	16	6	3,1	Т6
4	14	1,5	Т6	17	14	2,5	С8
5	7	2,4	С8	18	20	2,1	С17
6	15	1,3	С17	19	22	0,8	У9
7	24	2,8	У9	20	15	1,5	Т6
8	13	0,9	Т6	21	16	1,3	С8
9	10	1,6	С8	22	8	2,3	С17
10	16	0,7	С17	23	11	0,7	У9
11	4	2,8	У9	24	21	1,6	Т6
12	12	1,6	Т6	25	6	0,9	С8
13	6	2,4	С8

  Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины изделия (табл. 4). Таблица 4

Толщина свариваемой детали, мм	1,5…2	3	4…5	6…8	9…12	13…15	16…20
Диаметр электрода, мм	2…3	3…4	3…4	4…5	4…5	4…5	4…6

  Определение рабочего напряжения (U_д, В) производится по формуле   U_д = а + b · L_д, где a — сумма падения напряжения на катоде и аноде (a = 10…12 В); b — падение напряжения на 1 мм длины дуги (b = 2…3 В/мм); L_д — длина дуги, мм.   L_д, = d_э / 2 + 1.     Расчет скорости заполнения металлом сварочной ванны (скорости сварки) (v_св, м/ч) производится по формуле , где  a_н – коэффициент наплавки, кг/(А×ч), определяемый опытным путем для каждого сорта и марки электрода и учитывающий потери металла на угар и разбрызгивание, a_н = (8…10)×10^-3 кг/(А×ч); g  –  удельная масса, кг/м³ (для стали g = 7,8 г/см³); F – площадь поперечного сечения шва, м². Площадь поперечного сечения шва определяется как площадь треугольника (рис. 4) Определение длительности сварки (t_св, ч) производится по формуле , где Q_н – масса наплавленного металла ; L – длина шва, м.  

3. Определить количество потребляемой электроэнергии.

Примерный расход энергии на 1 кг наплавленного металла составляет 3,32 кВт.

4. Описать назначение электродных покрытий и их виды.
5. Изучить устройство сварочного трансформатора и регулятора (дросселя).
6. Вычертить схемы стыковых сварных соединений.
7. Результаты занести в табл. 5.

Таблица 5 Результаты расчетов

Толщи-на металла, мм	Длина шва, мм	Диаметр электро-да, мм	Сила тока, А	Напря-жение, В	Ско-рость сварки, м/ч	Длитель-ность сварки, с	Количество потребляемой электроэнер-гии, кВт

  Содержание отчета  

1. Краткое описание метода получения неразъемных соединений электродуговой сваркой.
   2. Расчеты режимов сварки.
2. Выводы

Контрольные вопросы

1. Что называется сваркой?
2. Какие способы сварки нашли наибольшее применение?
3. В чем сущность процесса сварки по способу Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова?
4. Какие требования предъявляются к сварочным электродам?