Материаловедение

 Для появления  и горения дуги необходимо  наличие в промежутке между  электродом и изделием заряженных  ионов, которые в воздухе обычного  состояния отсутствуют. Ионная  проводимость воздуха появляется  при контакте электрода с изделием. Электрическая цепь при этом  замыкается и из-за короткого  замыкания происходит разогрев  электрода. После отведения электрода  на некоторое расстояние от  поверхности изделия начинается  термоэлектрическая эмиссия электронов  с поверхности анода. Столкновение  разогнанных в электрическом  поле электронов с молекулами  газов и паров металла приводит  к желаемой ионизации промежуточного  пространства. При разогреве происходит  дополнительная ионизация, в результате  возникает стойкий дуговой электрический  разряд.

Высокая температура  и значительная энергия сварочной  дуги дают возможность быстро расплавлять  небольшие объёмы металла свариваемых  деталей.

 Энергия из  сварочной дуги выделяется неравномерно. На аноде ("+") выделяется  около 43% теплоты вследствие его бомбардировке электронами, имеющими более высокую кинетическую энергию по сравнению с ионами. На катоде ("–") выделяется около 36% теплоты. Остальная тепловая энергия рассеивается в окружающем пространстве.

Обычно с электрода  в сварочную ванну в виде капель стекает вплоть до 90% металла электрода, остальной же металл не достигает сварочной ванны в результате окисления, разбрызгивания и испарения.

 Устойчивое горение  дуги, необходимое для высокого  качества сварки, достигается при  ее длине 3…5 мм. Длину, на  которую проплавляется свариваемый  металл, называют глубиной сварки.

40. Электроды. Назначение, сущность.

Ручная дуговая  сварка выполняется плавящимся или  неплавящимся (угольным, графитовым, вольфрамовым, гафниевым) электродом. При сварке плавящимся электродом (рис. 5.1) дуга горит между ним и изделием. Формирование металла шва осуществляется за счет материала электрода и расплавления основного металла в зоне действия дуги. При сварке неплавящимся электродом для формирования металла шва в зону дуги извне подается присадочный материал.

Наибольшее применение нашла сварка плавящимся электродом, так как ее можно применять  во всех пространственных положениях, сваривая черные, цветные металлы  и различные сплавы. При этом используются электроды диаметром 1÷ 12 мм. Однако основной объем работ выполняется  электродами диаметром 3÷ 6 мм.

Электроды классифицируются по материалу, из которого они изготовлены, по назначению, по виду покрытия, по свойствам  металла шва, по допустимым пространственным положениям сварки или наплавки, по роду и полярности тока.

По назначению электроды  подразделяются на следующие группы: 

для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных  сталей – У;

для сварки теплоустойчивых  легированных сталей – Т;

для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами –  В;

 для наплавки  слоев с особыми свойствами  – Н. 

По толщине покрытия существуют следующие группы электродов:

 с тонким покрытием  – М;-

 со средним  покрытием – С;

с толстым покрытием  – Д;

с особо толстым  покрытием – Г.

Покрытия могут  быть кислые – А, основные – В, целлюлозные  – Ц, рутиловые – Р и прочие – П.

В настоящее время  при ремонте техники на железнодорожном  транспорте находят наибольшее применение кислые, основные и рутиловые покрытия. 

Кислое покрытие состоит в основном из оксидов  металла, алюмосиликатов и раскислителей. Газовая защита осуществляется за счет сгорания органических составляющих покрытия.

Сварку электродами  с кислым покрытием можно производить  при помощи постоянного и переменного  тока. В процессе сварки сварочная  ванна бурно кипит вследствие активного раскисления металла углеродом, что способствует хорошей дегазации металла шва. Поэтому даже при сварке по окалине или ржавчине получаются сравнительно плотные швы, уступающие по характеристикам пластичности и ударной вязкости металла шва электродам с другими видами покрытий. При использовании электродов с кислым покрытием существует склонность к образованию кристаллизационных трещин, большое разбрызгивание металла, значительное выделение в процессе сварки вредных марганцевых выделений. К электродам с кислым покрытием относятся электроды следующих марок: ОМА-2, ЦМ-7,ОММ-5 и др.

Основное покрытие состоит преимущественно из мрамора, плавикового шпата, раскислителей и легирующих элементов (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и др.). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, которые образуются в результате диссоциации карбонатов.

Электроды с основным покрытием (УОНИ13/45, СМ-11, УОНИ13/55К, ВН-48, ОЗС- 33, ОЗС-25, ОЗС-18, УОНИ13/55У, УОНИ13/65, ВСОР-65У  и ряд других) обеспечивают получение  наплавленного металла с малым  содержанием газов и вредных  примесей, с высокими пластическими  характеристиками и ударной вязкостью  при нормальной и отрицательных  температурах, с хорошей стойкостью против образования кристаллизационных трещин и старения. Поэтому такие электроды предназначаются для сварки конструкций из углеродистых и конструкционных сталей, жестких конструкций из литых углеродистых и низколегированных высокопрочных сталей.

Недостатком этого  вида покрытий является повышенная чувствительность к порообразованию при увлажнении покрытия, увеличении длины дуги, при  наличии окалины, ржавчины или масла  на кромках свариваемых изделий.

Сварка электродами  с основным покрытием ведется, как  правило, на постоянном токе обратной полярности. Чтобы использовать такие  электроды для сварки на переменном токе, в покрытие вводятся компоненты, содержащие легкоионизирующие элементы: калиевое жидкое стекло, кальцинированную соду, поташ и др.

Рутиловое покрытие содержит в основном рутиловый концентрат, различные алюмосиликаты и ферромарганец. Раскисление и легирование металла шва достигается наличием ферромарганца, а газовая защита – целлюлозой. Марки электродов с рутиловым покрытием: ОЗС-12, МР-3,ОЗС-6, ОЗС-4, АНО-4, ОЗС-32, ОЗС-21 и др.

Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивают хорошее формирование шва, имеют небольшое разбрызгивание, легкую отделимость шлаковой корки, малую склонность металла к образованию пор. Сварку можно вести как на постоянном, так и переменном токе.

В табл. 5.1 приведены  некоторые характеристики электродов общего назначения наиболее распространенных в ремонтной практике для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных  конструкционных сталей.

Для получения при  ручной дуговой наплавке слоев с  высокими механическими свойствами (большая твердость, износостойкость, жаростойкость и другие) рекомендуется  использовать электроды, приведенные  в табл. 5.2.

Перед сваркой и  наплавкой необходима прокалка электродов: с рутиловой обмазкой при t = 80 ÷120 ° С, с карбонато-рутиловым покрытием при t = 200÷250 ° С и с основным – при t = 300÷350 ° С. Время прокаливания 2÷2,5 часа.

Несмотря на широкое  распространение ручной дуговой  сварки при производстве сварочно-наплавочных  работ, она имеет ряд недостатков: сравнительно низкое качество наплавленного  металла по причине слабой защиты сварочной ванны от воздействия  окружающей среды; большое колебание  сварочного тока; значительную вероятность  возникновения непроваров, подрезов и других дефектов соединения; большие потери (до 30%) присадочного материала на угар, разбрызгивание, огарки; малую производительность из-за невозможности использования высокой плотности тока и перерывов при смене электродов; сложность технологического процесса, что требует длительного времени подготовки сварщиков и др. Все это следует учитывать при выборе способа сварки и наплавки.

41. Газовая сварка,сущность

Газовая, или газоплавильная сварка относится к группе способов сварки плавлением. Для осуществления процесса сварки возможно применение разных горючих, соответственно чему можно различать сварку водородно-кислородную, бензино-кислородную и т. д. Преобладающее значение имеет ацетилено-кислородная сварка; другие виды; горючих имеют ограниченное применение. Существенное техноло-гическое отличие газовой сварки от дуговой сварки - более; плавный и медленный нагрев металла. Это основное отличие сварочного газового пламени от сварочной дуги является в одних случаях недостатком, в других - преимуществом газового пламени и определяет следующие основные области его применения для сварки: 1) сталей малых толщин, 0,2-5 мм; 2) цветных металлов; 3) металлов, требующих при сварке постепенного мягкого нагрева и замедленного охлаждения, например многих инструментальных сталей; 4) металлов, требующих подогрева при сварке, например чугуна и некоторых сортов специальных сталей; 5) для твердой пайки; 6) для некоторых видов наплавочных работ.

Благодаря универсальности, сравнительной простоте и портативности  необходимого оборудования газовая  сварка весьма целесообразна для  многих видов ремонтных работ. Сравнительно медленный нагрев металла газовым  пламенем быстро снижает производительность газовой сварки с увеличением  толщины металла, и при толщине  стали выше 8-10 мм газовая сварка обычно экономически невыгодна, хотя технически еще возможна сварка стали толщиной 30-40 мм. При замедленном нагреве  разогревается большой объем  основного металла, прилегающего к  сварочной ванне, что, в свою очередь, вызывает значительные деформации (коробление) свариваемых изделий. Это важное обстоятельство делает газовую сварку технически нецелесообразной, не говоря I уже об экономической невыгодности для таких, например, объектов, как строительные металлоконструкции, мосты, вагоны, корпусы судов, станины крупных машин и т. п. Замедленный нагрев также вызывает длительное пребывание металла в зоне высоких температур, что влечет за собой перегрев, укрупнение зерна некоторое снижение механических свойств металлов. Значительные деформации металла, возникающие при газовой варке, ограничивают возможности выбора рациональных форм сварных соединений. Из многообразных форм сварных соединений, выполняемых дуговой сваркой, при газовой сварке пользуются, как правило, лишь простейшим стыковым соединением. Угловые швы и соединения нахлесточные и тавровые при газовой сварке используются лишь в случаях необходимости из-за затруднений, создаваемых значительными деформациями металла, свойственными газовой сварке. Применяются стыковые соединения как без скоса кромок, без отбортовки и с отбортовкой кромок (особо удобное соединение для газовой сварки), так и с одно- и двусторонним скосом кромок.

Горелку обычно регулируют для работы на нормальном пламени. Тепловое воздействие пламени на металл зависит  не только от мощности пламени, но и  от угла наклона оси пламени к  поверхности металла. Наиболее интенсивно действует пламя, когда его ось  нормальна к поверхности металла. С уменьшением угла наклона тепловое действие пламени ослабевает и распределяется по большей площади. Таким образом, кроме подбора соответствующего размера горелки, сварщик может  плавно регулировать тепловое действие пламени на металл, делать пламя  более мягким или жестким, меняя  угол наклона пламени к поверхности  изделия. С Увеличением толщины  металла принято увеличивать  угол наклона пламени и уменьшать  его с уменьшением толщины  металла.

Газовая сварка может  производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. Присадочные  прутки для газовой сварки применяются  различного состава, соответственно характеру  основного металла. Диаметр прутка выбирается в соответствии с толщиной основного металла.

Присадочная проволока  для газовой сварки сталей применяется  та же, что и для электродов при  дуговой сварке, и изготовляется  по ГОСТу 2246-80. Для газовой сварки низкоуглеродистой стали применяется проволока марок Св-08, Св-08А и Св-15Г. Для сварки чугуна выпускают специальные литые чугунные стерэженьки с повышенным содержанием углерода и кремния. Для наплавки твердых износостойких покрытий выпускаются стерженьки литых твердых сплавов. 

Защита при газовой  сварке

Взамен электродных  обмазок, применяемых при дуговой  сварке, в газовой сварке довольно широко пользуются флюсами, применение которых является необходимым для  газовой сварки чугуна, цветных металлов и некоторых специальных сталей. Флюсы добавляют в ванну для  растворения окислов и образования  легкоплавких шлаков, хорошо всплывающих  на поверхность ванны. Во флюсы могут  вводиться восстановители и присадки, легирующие наплавленный металл. Флюсы  применяются в форме порошков и паст, наносимых на основной металл или на присадочный пруток. Действие флюсов на окислы может быть химическим и I физическим, однако часто между ними трудно провести четкую границу.

Химическое действие флюсов заключается в образовании  с окислами металлов легкоплавких соединений, устойчивых при высоких температурах. Для химического флюсования окислов металлов основного характера, например закиси железа FeO, во флюсы вводят окислы кислотного характера, например двуокись кремния SiO2 (кварцевый песок, толченое оконное стекло) и борный ангидрид В2О3 (буру, борную кислоту). Для флюсования окислов кислотного характера, например двуокиси кремния SiO2, применяются соединения, дающие основные окислы. С этой целью обычно применяются сода Na2CO3 и поташ К2СО3, дающие соответственно в зоне сварки основные окислы Na2O и К2О.