Методика ручной дуговой сварки

При разработке технологии ручной дуговой сварки определяют: марку электрода, диаметр электрода, сварочный ток, форму разделки кромок деталей, напряжение дуги, вид тока и скорость сварки.

При выборе электродов для ручной электродуговой сварки необходимо определить:

- материал сварочной проволоки (марку материала проволоки выбирают в соответствии с химическим составом свариваемого металла);

- тип покрытия стержня электрода;

- тип и марку электрода в зависимости от марки свариваемой стали и требований к механическим свойствам (прочности, пластичности) наплавленного металла (табл. 2 приложения);

- длину электрода (табл. 4 приложения).

Учитывая заданную марку стали и временное сопротивление при растяжении этой стали, (табл. 1 приложения) выбирается тип электрода (табл. 2 приложения). Если сварное соединение должно работать при ударных нагрузках, выбирайте электрод с повышенными пластическими свойствами.

Одним из основных параметров режима ручной дуговой сварки является диаметр электрода d_э (мм). Для стыковых соединений диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок (табл. 4 приложения).

В многослойных стыковых швах первый слой выполняют электродом 3-4 мм, последующие слои выполняют электродами большего диаметра.

В табл. 3 приложения представлены наиболее часто применяемые электроды. Каждому типу электрода соответствует несколько марок. В табл. 3 приложения указаны диаметры и коэффициенты наплавки электродов. Коэффициент наплавки оценивает массу электродного металла, перешедшую в сварной шов в течение часа горения дуги, отнесенную к одному амперу сварочного тока. Учитывая, что производительность сварки прямопропорциональна коэффициенту наплавки, а тип электрода и его диаметр уже выбран, подберите марку электрода из табл. 3 в приложении.

Сила сварочного тока, А, рассчитывается по формуле:

I_св = К×d_э,

где К - коэффициент, равный 25-60 А/мм; d_э - диаметр электрода, мм.

Коэффициент К в зависимости от диаметра электрода d_э принимается равным по следующей таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Силу сварочного тока, рассчитанную по этой формуле, следует откорректировать с учетом толщины свариваемых элементов, типа соединения и положения шва в пространстве.

Если толщина металла S ≥ 3×d_э, то значение I_св следует увеличить на 10-15%. Если же S ≤ 1,5×d_э, то сварочный ток уменьшают на 10-15%. При сварке угловых швов, значение тока должно быть повышено на 10-15%. При сварке в вертикальном или потолочном положении значение сварочного тока должно быть уменьшено на 10-15%.

Длина дуги L_д (мм) значительно влияет на качество сварки. Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачественного шва, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает “примерзание” электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво и с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество оксидов.

Длину дуги (L_д, мм) выбирают по диаметру электрода:

L_д = 0,5×(d_э + 2).

Самое широкое применение нашла дуга с жесткой характеристикой, когда напряжение U_д (В) практически не зависит от силы тока и пропорционально её длине L_д. Такая дуга горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Напряжение горения дуги (U_д, В) пропорционально длине дуги:

U_д = α + β×L_д,

где a, b – опытные коэффициенты.

Для стальных электродов α (В) коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах (при использовании стальных электродов α =10–12 В), β (В/мм) − коэффициент характеризующий падение напряжения на 1 мм длины дуги (β = 2,0–2,5 В/мм).

Расчет массы наплавленного металла, г, при ручной дуговой наплавке производится по формуле:

Q_н = 10^-3×l×F×γ,

где l − длина свариваемого шва (мм), F – площадь поперечного сечения шва (мм²), γ – плотность электродного металла, для стали γ = 7,8 г/см³.

Для одностороннего стыкового шва без скоса кромок площадь поперечного сечения F можно определить по формуле:

F = s×b,

где s – толщина свариваемого металла (мм), b – зазор (расстояние) между свариваемыми деталями (мм).

Для одностороннего шва с V – образным скосом двух кромок площадь поперечного сечения F можно определить по формуле:

где s и b – указанные выше конструкционные элементы сварного шва.

Величину зазора между свариваемыми деталями берём из табл. 8 в приложении.

Время горения дуги, ч, (основное время) определяется по формуле:

где Q_н – масса наплавленного металла (г), I_св – сила сварочного тока (А), α_н – коэффициент наплавки (г/А×ч), (табл. 3 приложения).

Массу расплавленного металла Q_р (г) можно определить, подчитав массу расплавленных электродов:

Q_р = 10^-3×γ×π×d_э²×(l_э – l_ог)×n/4,

где γ − плотность электродного металла (для стали γ = 7,8 г/см³), d_э – диаметр электрода (мм), l_э− длина электрода (мм), l_ог − длина огарка (мм), (принимают l_ог = 50 мм), n – число слоёв (проходов) (табл. 6 приложения).

Потери металла на угар и разбрызгивание характеризуются коэффициентом потерь ψ (%), который определяется по формуле:

где Q_р − масса расплавленного металла (г), Q_н − масса наплавленного металла (г).

Значение коэффициента потерь при ручной электродуговой сварке не должно превышать 10 %.

Скорость сварки V_св (м/ч) можно определить по формуле:

где l – длина сварного шва (мм), t_о − основное время горения дуги (ч).

Процесс сварки включает не только время горения дуги, но и вспомогательные операции (установку электрода, поворот детали и т. д.). Это дополнительное время зависит от организации рабочего места, квалификации сварщика и учитывается коэффициентом производительности К_п.

Полное время сварки Т_п (ч) определяется по формуле:

T_п = t_о/К_п,

где t_о - основное время горения дуги (ч), К_п – коэффициент производительности (К_п = 0,6÷0,8).

Полный расход электроэнергии на сварку А (кВт·ч) определяется по формуле:

А = I_св×U_д×t_о,

где I_св − сила сварочного тока (А), U_д−напряжение дуги (В), t_о − основное время горения дуги (ч).

Свариваемость стали оценивается примерно по формуле углеродного эквивалента:

С_экв. = С + Мn/20 + Si/24 + Ni/15 + Cr/10 ++Mo/10 + V/10 + Cu/13,

где С, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, Cu – содержание элементов в стали в процентах. Если С_экв. ≤ 0,3%, то сталь хорошо сваривается в обычных условиях. Если С_экв. > 0,3%, то при сварке следует предварительный подогрев.

Температуру предварительного подогрева определяют по формуле:

где S – толщина металла, мм.

При С_экв.>0,45% - обязательный подогрев, предварительная и последующая после сварки при t = 600–700°С.

В табл. 1.2. приведена классификация сталей по свариваемости в соответствии с величиной С_экв и меры по предотвращению или уменьшению вероятности появления трещин.

Классификация сталей по свариваемости

Таблица 2.1

Свариваемость – способность металла при выбранном виде и режимах сварки давать сварной шов равнопрочный основному металлу.

При анализе свариваемости не следует упускать из виду тот факт, что от воздействия значительных температур происходит разупрочнение термически упрочненных сталей. Таким образом, перед разработкой технологии сварки или наплавки следует определить свариваемость основного, присадочного металла и металла шва; вероятность появления трещин; разупрочнение сплава и назначить необходимые мероприятия для уменьшения или исключения нежелательных явлений.