термічна зварювання
Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.
Одним із способів отримання нероз'ємного з'єднання, а часто і єдино можливим, є зварювання.
Сварка дозволяє отримати заготовки максимально наближені до форм і розмірів готових конструкцій, створити принципово нові конструкції машин.
Зварюванні піддаються практично будь-які метали і неметали будь-якої товщини, в будь-яких просторових положеннях на землі, у воді, в космосі. Міцність же зварного з'єднання в більшості випадків не поступається міцності цілого металу.
Більше половини валового внутрішнього продукту промислово розвинених країн створюється з застосуванням зварювання і споріднених технологій. До 70% світового споживання сталевого прокату йде на виробництво зварних конструкцій і споруд.
З'єднання, одержувані зварюванням, характеризуються високими механічними властивостями, невеликою витратою металу, низькою трудомісткістю і невисокою собівартістю.
Нероз'ємне з'єднання при зварюванні виходить за рахунок виникнення атом-молекулярних зв'язків між елементарними частинками, що з'єднуються при отриманні енергії ззовні (при нагріванні і (або) пластичної деформації).
Перешкодами проти самовільного освіти нероз'ємних з'єднань між металевими заготовками є:
адгезійні плівки (утворюються за рахунок осідання на поверхні металу водяних, масляних і пилових частинок);
нерівності на поверхні заготовок.
Для отримання зварного з'єднання використовують енергію активації (енергію ззовні), тому всі існуючі різновиди зварювання можна віднести до трьох основних груп:
зварювання тиском (зварювання в твердому стані);
зварювання плавленням (зварювання в рідкому стані)
зварювання і плавленням і тиском (зварювання в рідко-твердому стані).
Основною ознакою зварювання тиском є пластична деформація металу в зоні контакту деталей, що з'єднуються, необхідна для примусового утворення міжатомних зв'язків.
Сутність зварювання плавленням металу полягає в тому, що від нагрівання стороннім джерелом тепла відбувається розплавлення кромок деталей і освіту загального обсягу рідкого металу, який називається зварювальної ванній. Процес утворення зварювальної ванни супроводжується руйнуванням окисної плівки на крайках деталей. У міру віддалення джерела нагріву в зварювальної ванні починається процес кристалізації металу, тобто освіти зварювального шва.
У околошовной зоні нагрівання до високих температур плавлення і охолодження металу відбувається короткочасно і нерівномірно. Така своєрідна термообробка при зварюванні викликає різні структурні зміни металу, а значить і властивостей металу в околошовной зоні, що впливає на якість зварного з'єднання.
Перехід металу з рідкого стану в тверде супроводжується утворенням зерен (кристалів) з розплаву, а сам процес називають кристалізацією. Чим швидше охолодження зварювальної ванни, тим тонше кристалічний шар і менше розмір зерен (кристалів)
Ближче до центру метал шва має велике стовпчасті будова кристалів.
У зоні сплаву більш дрібні кристали.
У зоні термічного впливу характерно збільшення кристалів від дрібнозернистої структури до крупнозернистою і злиття з зернами основного металу.
Ріс.2.Схема зміни структур околошовной зони
Розміри околошовной зони залежать від виду зварювання, режиму, швидкості проведення, хімічного складу металу, що зварюється і його фізичних властивостей.
1. Фізико-хімічні процеси при зварюванні
Процес зварювання плавленням - це комплекс кількох одночасно протікають, основними з яких є:
тепловий вплив на метал в околошовной зоні;
кристалізація металу шва і взаємна кристалізація металів в зоні сплаву.
При зварці для нагріву і плавлення металу використовується теплота, що виділяється в зварювальної дузі і на електродах.
Зварювальної дугою називається потужний стійкий електричний розряд, що відбувається в іонізованому газовому проміжку між електродом і виробом.
катодний зона 5 (рис. 3в) (дорівнює кільком довжинах вільного пробігу нейтральних атомів
0,001 мм, що досягається температура в зоні 24000С);
стовп дуги 6 (рис.3 в) (дорівнює від 2 до 10 мм, що досягається температура в стовпі 60000С);
анодная зона 7 (ріс.3в) (дорівнює довжині вільного пробігу електрона
0,01 мм, що досягається температура в зоні 30000С).
Рис.3. Схема процесу запалювання дуги
У звичайних умовах атоми газів електрично нейтральні, в момент же короткого замикання (рис. 3 а) по ланцюгу протікає струм, який нагріває торець електрода 1 і метал вироби 2. Процес супроводжується утворенням легко іонізуючого парів металу і компонентів покриття електрода.
Після відведення електрода від місця контакту (рис 3 б), з поверхні розігрітого катода 1 відбувається відрив електронів 3 (явище називається термоелектронної емісією). Під дією електричного поля (різниці потенціалів, що створюється джерелом живлення між електродом 1 і виробом 2) електрони спрямовуються до виробу. Далі в стовпі дуги електрони стикаються з нейтральними частинками і іонізують їх 4 (рис 3 б). При цьому виходить три заряджені частинки, які рухаються в електричному полі.
Процес іонізації набуває лавиноподібний характер (рис 4)
Рис 4. Процес іонізації дугового проміжку
Далі електрони рухаються по стовпу дуги, який в цілому нейтральний (в кожному його перетині одночасно знаходяться рівні кількості заряджених частинок протилежного знака). Стовп дуги являє собою суміш електронів, позитивних іонів, негативних іонів, нейтральних частинок.
Проходячи в анодний зону 7 (рис 3 в), де майже відсутній іонізація, електрони різко збільшують швидкість свого руху (наприклад: зжелеза V = 1680 км / сек, зкалія V = +1254 км / сек, зазота V = 2280 км / сек) і, потрапляючи на анодне пляма, гальмуються. При цьому виділяється вся придбана ними кінетична енергія, і температура анода стає близькою до температури плавлення металу.
Якщо перевести ці фізико-хімічні процеси на мову електропараметрів, які і використовуються в практичній роботі, то вийде вольт-амперна характеристика дуги (графік залежності між напругою і силою струму)
Мал. 5. Графік статичної вольт-амперної характеристики електричної дуги можна розділити на три ділянки: падаюча статична характеристика; II- жорстка; III - зростаюча
При горінні зварювальної дуги 2 (рис 6) відбувається утворення крапель на кінці електрода 1, їх відрив від електрода і перенесення в дузі на виріб 3 в зварювальну ванну.
Рис.6. Схема перенесення крапель через дугу
Це викликано наступними факторами:
електромагнітними силами, що виникають при протіканні електроструму по дузі. Надають стискуюче дію на краплю металу утворюється на кінці електрода, що сприяє відриву краплі від електрода і переходу її на виріб, що зварюється; силою тяжіння.
Рис.7. Стискуюче дію силових магнітних ліній на кінець електрода
Виявляється в прагненні краплі переміщатися по вертикалі зверху вниз (рис.6);
силою поверхневого натягу рідкого металу. Обумовлена дією міжмолекулярної тяжіння, прагне надати краплі форму кулі, і сприяє злиттю краплі з рідким металом зварювальної ванни;
нерівномірною напруженістю електричного поля. Створює поздовжню силу, яка спрямована від високої напруженості до низької, тобто від електрода до зварювальної ванні і сприяє переносу краплі від електрода до виробу;
тиском газів, що утворюються всередині краплі. Виникає в результаті металургійних процесів в розплавленому металі краплі, що супроводжуються утворенням газоподібної окису вуглецю, обсяг якої в багато разів перевищує обсяг розплавленого металу, внаслідок чого миттєво виділяється газ сприяє відриву, дроблення і переходу краплі в зварювальну ванну.
Величина поверхні крапель при зварці істотно впливає на характер металургійних процесів, а значить і на якість зварного з'єднання, так як в процесі переходу крапель через дугового проміжок протікають хімічні реакції між металом, розплавленим металом електрода і електродного покриття (шлаку) і газами середовища навколишнього дугу. Встановлено, що чим менше розмір крапель, тим менше час їх перебування на торці електрода, завдяки чому метал краплі менше нагрівається, а швидкість плавлення електрода збільшується. Дрібнокрапельне перенесення металу поліпшує стабільність горіння дуги, тому часто застосовують:
вібрації електрода з метою зміни крапель;
підвищення зварювального струму при тому ж діаметрі зварювального дроту.
2. Технологія отримання якісного зварного з'єднання
Отже, при зварюванні відбуваються такі процеси:
нагрів до високих температур і охолодження металу короткочасно і нерівномірно;
структурні зміни основного металу;
освіту різної структури основного металу і металу шва;
отримання хімічного складу металу шва відрізняється від основного металу.
Тому при складанні технології отримання якісного зварного з'єднання необхідно враховувати:
використання плавляться, з необхідним набором хімічних елементів;
проведення ретельної обробки крайок виробів від іржі, окалини та інших забруднень, які є джерелом додаткових хімічних елементів, які можуть вступити в хімічні реакції при зварюванні;
проведення попереднього і супутнього нагріву деталей з метою видалення зайвих хімічних елементів;
враховувати рід струму і полярність в режимах зварювання;
використовувати захисну середу для зварювальної дуги.
Для виконання зварювальних робіт необхідно організувати робоче місце зварника (зварювальний пост) (рис.8)
1 Мережа електроживлення; 2.Рубільнік; 3.Істочнікі харчування дуги (джерело струму); 4.Сварочние дроти; 5. електротримач або зварювальний пальник; 6.Сборочно-зварювальні пристосування; 7.Спецодежда для зварника.
Для збудження і стабільного горіння дуги використовують різні джерела струму:
зварювальні трансформатори - джерела змінного струму;
зварювальні генератори і випрямлячі - джерела постійного струму.
До джерел струму для ручного дугового зварювання ставляться такі вимоги:
Напруга холостого ходу має бути в 2-3 рази вище напруги дуги для полегшення запалювання дуги. У той же час воно має бути безпечним для зварника і не перевищувати 80 В для джерел живлення змінного струму і 90 В - постійного струму.
Обмеження струму короткого замикання. Ставлення струму короткого замикання до зварювального струму знаходиться в інтервалі 1,1 # 63; 1,5.
Збереження постійної проплавляющей здатності дуги (тобто коливання довжини і напруги дуги не повинні призводити до значних змін зварювального струму).
Час відновлення напруги від короткого замикання до запалювання дуги має бути коротким (соті частки секунди).
У зв'язку з зазначеними вимогами в джерелах струму для ручного дугового зварювання застосовується крутопадаючих характеристика.
Мал. 9. Перетинання крутопадающей характеристики джерела з вольт-амперних характеристиками дуг довжиною L1. L2 і L3
Сталий горіння дуги при зварюванні можливо за умови перетину статичної характеристики дуги з зовнішньою характеристикою джерела струму в робочій точці (наприклад в точці А) (рис.8), з тим щоб напруга дуги дорівнювало напрузі джерела живлення. Під час горіння дуги і перенесення електродного металу на за підготовку довжина дуги L змінюється, вольт-амперна характеристика дуги змінює своє положення в інтервалі від В до С, внаслідок чого відбувається зміна значень напруги і зварювального струму. Сталий горіння дуги буде тоді, коли при випадковому відхиленні від робочого режиму (точки А) режим зварювання швидко відновиться. Наприклад, при зменшенні дуги до L3 (точка С) струм зростає до I3. електрод швидко оплавітся через збільшення струму і відновиться робоча довжина дуги L1.
При дугового зварювання найчастіше застосовують зварювальні трансформатори, так як вони простіше в експлуатації, довговічніше і володіють більш високим К.П.Д. На ріс10а. приведена схема зварювального трансформатора СТЕ, що складається з двох окремих частин: понижуючого зварювального трансформатора (1) і дроселя (2). Первинна обмотка (7) трансформатора включається в мережу; один кінець його вторинної обмотки (8) підключається до зварювального столу (6) або до зварюваної деталі, другий кінець до обмотці (9) дроселя (2), а вона, в свою чергу, підключається до електродотримача (4). Трансформатор (1) знижує напругу мережі до 60 - 70 В, а дросель (2) служить для отримання падаючої характеристики і регулювання величини зварювального струму. При проходженні змінного струму через обмотку дроселя в ній виникає ЕРС самоіндукції, спрямована протилежно основній напрузі. В результаті падіння напруги на дроселі зварювальний трансформатор отримує падаючу зовнішню характеристику. Сердечник дроселя має рухому частину, яка при обертанні рукоятки (3) переміщається, змінюючи величину регульованого повітряного зазору # 63; ін. Збільшення зазору зменшує індуктивний опір дроселя, тим самим, збільшуючи значення зварювального струму.
Рис.10 а) схема зварювального трансформатора СТЕ
Більш досконалою є конструкція зварювального трансформатора ТД (рис. 10 б.). Первинна обмотка 7, що складається з двох котушок, розташована на двох стрижнях загального сердечника 1. Котушки первинної обмотки закріплені нерухомо в нижній частині сердечника. Вторинна обмотка 8, також складається з двох котушок, розташована на відстані від первинної. Вторинна обмотка - рухлива і може переміщатися по сердечнику за допомогою гвинта 3, що знаходиться на кришці трансформатора. Зварювальний струм регулює зміною відстані між первинною і вторинною обмотками.
Мал. 10 б) схема зварювального трансформатора ТД
При зближенні вторинної та первинної обмоток магнітний потік розсіювання і індуктивне опір зменшуються, зварювальний струм зростає. При видаленні вторинної обмотки від первинної магнітний потік розсіювання росте (індуктивний опір збільшується) і зварювальний струм зменшується. Для того, щоб забезпечити широкі межі регулювання величин зварювального струму, в трансформаторах передбачена можливість перемикання обмоток з паралельного (виходять максимальні струми) на послідовне з'єднання (мінімальні струми), чим створюються дві ступені (два діапазони) регулювання струму.
Але постійний струм краще в технологічному відношенні: - при його застосуванні підвищується стійкість дуги, поліпшуються умови зварювання, якість зварних з'єднань і т.д. тому використовують інші конструкції джерел струму, а саме - зварювальні генератори і випрямлячі.
Мал. 11. Види ручного дугового зварювання
Схема зварювання металевим покритим електродом
Мал. 12. 1. зварювальний шов, 2. шлаковая кірка; 3. захисна газова атмосфера; 4. електродне покриття (обмазка); 5. електродний стержень; 6. електрична дуга; 7. краплі електродного металу; 8. зварювальний ванна; 9. основний метал (заготівля).
зварювання дуга трансформатор електрод
3. Електроди для ручного дугового зварювання
Електродом для дугового зварювання називають стрижень, призначений для підведення струму до зварювальної дузі. Для ручного дугового зварювання застосовують електроди, що складаються з металевого стержня і нанесеного на нього спеціального покриття рис 12.
Стрижні зварювальних електродів виготовляються зі сталі, алюмінієвих сплавів, міді і сплавів на основі міді, чавуну і використовуються для виготовлення електродів для зварювання відповідних металів і сплавів.
Розміщено на Allbest.ru