Курсовая работа: Процес ручного дугового зварювання

Однорідні метали легко зварюються, а різнорідні - погано. За властивостями метал шва і метал зони термічного впливу є неоднорідними. Ознака поганої зварюваності - це схильність до утворення тріщин, які недопустимі у зварних з'єднаннях. Зварюваність металів характеризує схильність до перегрівання, гартування, утворення тріщин та інших дефектів, що утворюються при зварюванні.

Характеристикою зварюваності термічно зміцнених сталей є схильність до втрати міцності, яка проходить у зоні термічного впливу при температурах 400-720°С залежно від температури відпуску сталі у процесі її виготовлення на заводі.

Для виготовлення міцної зварної конструкції необхідно детально вивчити зварюваність сталі.

Вуглець при вмісті в сталі до 0,25% зварюваність не погіршує. При більшому вмісті зварюваність погіршується, бо в зонах термічного впливу утворюються гартовані структури, що призводять до тріщин. Підвищений вміст вуглецю в присаджувальному матеріалі викликає пористість шва.

Марганець (Г) міститься в межах 0,3-0,8% і зварюваність не погіршує. При вмісті від 1,8 до 2,5% і більше виникає небезпека появи тріщин, тому що марганець сприяє загартованості сталі.

Кремній (С) у межах від 0,02 до 0,35% труднощів при зварюванні не викликає. При вмісті від 0,8 до 1,5% зварювання утруднюється через високу рідкотекучість й утворення тугоплавких оксидів кремнію.

Ванадій (Ф) сприяє загартованості сталі, що утруднює зварювання. При зварюванні ванадій активно окиснюється і вигоряє.

Вольфрам (В) підвищує твердість сталі та утруднює процес зварювання через сильне окиснення.

Нікель (Н) підвищує пластичність, міцність і зварюваність не погіршує.

Молібден (М) при зварюванні сприяє утворенню тріщин, активно окиснюється і вигоряє.

Хром (X) утруднює зварювання, оскільки утворює тугоплавкі карбіди хрому.

Титан (Т) і ніобій (Б) при зварюванні з'єднуються з вуглецем і припиняють утворення карбіду хрому. При цьому зварюваність покращується.

Мідь (Д) покращує зварюваність, підвищує міцність, пластичність і корозієстійкість сталі.

Кисень погіршує зварюваність сталі, понижує міцність і пластичність.

Азот (А) утворює хімічні сполуки із залізом (нітриди), які підвищують міцність, твердість і значно знижують пластичність сталі.

Водень є шкідливою домішкою. Він накопичується у шві та викликає появу пор і дрібних тріщин.

Фосфор (П) — це шкідлива домішка. Він підвищує твердість і крихкість сталі, викликає холодноламкість (холодні тріщини).

Сірка є шкідливою домішкою і сприяє утворенню гарячих тріщин. Зварюваність із підвищенням вмісту сірки різко погіршується.

2.1.2 Зварювання вуглецевих сталей РДЗ, режими зварювання

Більшість зварних конструкцій виготовляють із низьковуглецевих сталей, які містять до 0,25% вуглецю. Вони відносяться до добре зварюваних сталей практично всіма видами зварювання плавленням. Низьковуглецеві сталі зварюються без обмежень при використанні типових зварювальних матеріалів.

Для забезпечення стійкості швів проти утворення тріщин і збереження високої пластичності металу шва, зварювальні матеріали повинні містити менше вуглецю, ніж основний метал, що компенсується додатковим легуванням шва кремнієм і марганцем. Механічні властивості металу біляшовної зони порівняно з основним металом можуть відрізнятися через незначне зміцнення металу в зоні перегріву. При зварюванні киплячих і напівспокійних (старіючих) сталей на ділянці рекристалізації біляшовної зони можливе зниження ударної в'язкості. Метал біляшовної зони багатошарових швів крихкіший від металу одношарових.

Зварювання низьковуглецевих сталей виконується без попереднього підігріву і наступної термообробки. При зварюванні низьковуглецевих сталей з верхньою межею вмісту вуглецю (0,27%) можуть виникати кристалізаційні тріщини в кутових швах, однобічних швах з повним проваром кромок, першому шарі багатошарових стикових швів. У таких випадках використовують попередній підігрів до 100-150°С, особливо при виконанні перших шарів на товстому металі (більше 15 мм) і температурі повітря нижче мінус 5°С. Необхідність попереднього підігріву і можливої термообробки має визначатися у кожному конкретному випадку. У конструкцій з кутовими перервними швами всі види термообробки, крім гартування, призводять до зниження міцності й підвищення пластичності металу шва. Відпуск або відпал добре зварюваних сталей використовують як виключення для зняття внутрішніх напруг, уникнення жолоблення конструкції після зварювання та механічної обробки.

При товщині сталі понад 25 мм попередній підігрів обов'язковий у всіх випадках, незалежно від температури навколишнього середовища.

Зварювання сталі товщиною понад 20 мм виконують способами, що забезпечують зменшення швидкості охолодження: секціями, каскадом, гіркою.

Низьковуглецеві сталі зварюють на максимально можливих режимах, які забезпечують високу продуктивність й високу якість зварного шва та з'єднання. Під якістю розуміють відсутність дефектів (газових пор, підрізів, відшарування металу шва, непровару, шлакових уключень), а також одержання механічних властивостей, які відповідають технічним вимогам. Техніка й режими ручного дугового зварювання покритими електродами низьковуглецевих сталей.

Середньовуглецеві сталі містять від 0,25 до 0,55% вуглецю. При такому вмісті вуглецю в процесі швидкого охолодження металу шва і біляшовної зони виникають крихкі загартовані ділянки металу, великі внутрішні напруги, які спричинюють виникнення тріщин. Чим більший вміст вуглецю у сталі, тим сильніше вона загартовується при швидкому охолодженні, вища її крихкість і схильність до утворення тріщин.

Стійкість металу шва проти утворення кристалізаційних тріщин досягається зниженням кількості вуглецю в металі шва шляхом застосування електродних стрижнів і присаджувального дроту з пониженим вмістом вуглецю, а також зменшенням частки основного металу в металі шва. Останнє досягається розчищанням кромок і зварюванням на режимах, які забезпечують мінімальне проплавлення основного металу. Цьому сприяють електроди з великим коефіцієнтом наплавлення.

Для одержання пластичного металу шва і бляшовної зони виконують попередній та супровідний підігрів, а також повільне охолодження зварного шва. Температура підігріву має бути тим вищою, чим більший вміст вуглецю в сталях і знаходитись в інтервалі 100-450°С. Попередній підігрів невеликих конструкцій проводять у печах (електричних, газових). Якщо конструкція масивна, то температуру підігріву підвищують із урахуванням деякого її охолодження в процесі транспортування і встановлення. У таких випадках використовують підігрів газовим пальником і паяльною лампою. Температуру підігріву визначають за допомогою термоолівців і термофарб.

Для забезпечення надійної роботи зварної конструкції після зварювання рекомендується виконувати відпал і високий відпуск. Для цього необхідно відразу ж після зварювання помістити конструкцію у відпалювальну піч, нагріту до температури 675-700°С і після витримування повільно охолодити разом з піччю до 150-100°С з подальшим охолодженням на повітрі.

Зварювання середньовуглецевих сталей при температурі навколишнього середовища нижче 5°С не рекомендується, особливо при вмісті вуглецю більше 0,4% через можливість виникнення крихкості й тріщин.

Для уникнення труднощів, які виникають при зварюванні середньовуглецевих сталей, крім підігріву, використовують модифікування металу шва і дводугове зварювання в окремі ванни. При зварюванні необхідно уникати накладання широких валиків, зварювати короткою дугою, поперечні рухи змінити поздовжніми, кратери обов'язково заварювати або виводити на технологічні пластини (в кратерах можливе утворення тріщин).

Високовуглецеві сталі містять 0,6-2,14% вуглецю, а за зварюваністю до них відносяться й сталі з вмістом вуглецю понад 0,46%. Із таких сталей зварні конструкції, як правило, не виготовляють. Через високий вміст вуглецю вони відносяться до групи погано зварюваних сталей. Необхідність зварювання виникає при ремонтних роботах і наплавлюванні. У таких випадках виконують попередній, а інколи й супровідний підігрів з наступною термообробкою (відпал, відпуск). Режими нагрівання та охолодження визначаються вмістом у сталі вуглецю. Технологічні прийоми зварювання високовуглецевих сталей такі ж, як і для зварювання середньовуглецевих.

Зварювання високовуглецевих сталей при температурі навколишнього середовища нижче 5°С і на протягах категорично забороняється.

2.1.3 Зварювання легованих сталей, режими зварювання

Легованими називають сталі, до складу яких спеціально вводять задану кількість легуючих елементів для набуття необхідних властивостей. Леговані сталі залежно від вмісту в них легуючих компонентів підрозділяють на: низьколеговані (із змістом легуючих компонентів, окрім вуглецю, не більше 2,5%); середньолеговані (із змістом легуючих компонентів, окрім вуглецю, 2,5-10%); високолеговані (із змістом легуючих компонентів, окрім вуглецю, понад 10%). Низьколеговані сталі призначені для зварних конструкцій, що працюють при нормальній температурі. Як легуючі елементи вони містять метали, наприклад марганець, кремній, хром.

Дугове зварювання.

При дуговому зварюванні легованих сталей застосовуються наступні режими:

Вказані значення струму відповідають зварюванню в нижньому положенні. При виконанні вертикальних і стельових швів струм зменшують на 10-20% і застосовують електроди діаметром не більше 4 мм. Для зменшення швидкості охолодження металу шва слід застосовувати стикові і кутові з'єднання, оскільки при таврових і напусткових з'єднаннях швидкість охолоджування вища. Рекомендується уникати з'єднань, що мають шви замкнутого контуру; якщо ж необхідні такі з'єднання, то їх зварюють короткими ділянками, забезпечуючи підігрів і повільне охолоджування. Зварювання стикових з'єднань металу завтовшки до 6 мм і швів з катетом до 7 мм виконують в один шар (однопрохідне), що зменшує швидкість охолоджування. Товщий метал зварюють в декілька шарів довгими ділянками. Кожен шар повинен мати товщину 0,8-1,2 діаметру електроду. Зверху шва наложують відпалюючий валик, краї якого повинні розташовуватися на відстані 2-3 мм від межі проплавлення основного металу. Відпалюючий валик накладають при температурі попереднього шару близько 200 °С. Для металу завтовшки до 40-45 мм застосовують багатошарове зварювання гіркою або каскадом. Довжину ділянок (300-350 мм) вибирають з таким розрахунком, щоб попередній шар не встигав охолонути нижче 200 °С при накладенні наступного шару. Якщо сталь схильна до гарту або при зварці на морозі, перед виконанням першого шва застосовують місцевий підігрів пальником або індуктором до 200-250 °С.

Високолеговними називають сталі, які містять один або декілька легуючих елементів у кількості 10-50%. Якщо вміст легуючих елементів перевищує 50%, то замість слова сталь вживають слово сплав.

Високолеговані сталі та сплави класифікуються за системою легування, структурою й властивостями. За системою легування сталі поділяють на хромисті, хромонікелеві, хромомарганцеві, хро-монікелемарганцеві та ін. Найпоширеніші високолеговані сплави: нікелеві, нікелехромисті, нікелехромовольфрамові й нікелехромо-кобальтові.

За структурою високолеговані сталі поділяються на мартенситні (09Х16Н4Б, 11Х11Н2В2МФ та ін.), мартенситно-феритні (15Х12ВНМФ, 12X13 та ін.), феритні (08X13, 15Х25Т та ін.), аустенітно-мартенситні (07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ), аустенітно-феритні (08Х20Н14С2, 08Х18Г8Н2Т) й аустенітні (03Х17Н14М2, 03Х16Н15МЗБ, 12Х18Н9, 45Х14Н14В2М та ін). У деяких аустенітних сталях нікель, як дефіцитний метал, частково або повністю замінюють марганцем та азотом (10Х14Г14НЗ, 12Х17Г9Н4А.).

За системою зміцнення високолеговані сталі та сплави поділяють на карбідні, які містять 0,2-1,0% вуглецю, боридні (утворюються бориди заліза, хрому, ніобію, молібдену, вуглецю й вольфраму), з інтерметалідним зміцненням (зміцнення дрібнодисперсними частинками).

За властивостями високолеговані сталі й сплави поділяють на корозієстійкі (нержавіючі), жаростійкі (не окиснюються при температурах до 1300°С), жароміцні (здатні працювати при температурах вище 1000°С без зниження міцності), стійкі проти спрацювання та ін.

Технологічні особливості зварювання високолегованих сталей пов'язані з їх фізичними властивостями і системою легування. Знижена теплопровідність (до 2 разів при підвищених температурах), збільшений коефіцієнт лінійного розширення (до 1,5 разів) і великий електричний опір (у 5 разів більший ніж у вуглецевих сталях) сприяють великій швидкості плавлення металу, великій глибині проплавлення та коефіцієнту наплавлення. Тому для зварювання високолегованих сталей зменшують величину зварювального струму на 10-20% порівняно з вуглецевими, використовують укорочені електроди з покриттям основного й змішаного типу (фтористо-кальцієві), зменшують виліт електрода та збільшують швидкість подачі дроту при механізованому зварюванні.

Зварювання середньолегованих і високолегованих сталей. Зварювання таких видів сталей утруднена з ряду причин:

-  в процесі зварювання відбувається часткове вигоряння легуючих домішок і вуглецю;

-  внаслідок малої теплопровідності можливий перегрів зварюваного металу.

Ці сталі відрізняє підвищена схильність до утворення гартівних структур, а більший, ніж у низьковуглецевих сталей, коефіцієнт лінійного розширення може викликати значні деформації і напругу, пов'язані з тепловим впливом дуги. Причому, чим більше в сталі вуглецю і легуючих домішок, тим сильніше виявляються ці властивості. Для усунення впливу перерахованих причин на якість зварного з'єднання рекомендується: ретельно готувати виріб під зварювання; зварювання вести при великих швидкостях з малою погонною енергією, щоб не допускати перегріву металу; застосовувати термічну обробку для запобігання утворення гартівних структур і зниження внутрішньої напруги; застосовувати легування металу шва через електродний дріт і покриття з метою відновлення домішок, що вигоряють в процесі зварювання.

Електроди для зварювання високолегованих сталей виготовляють з високолегованого зварювального дроту. Застосовують покриття типу Б. Позначення типів електродів складаються з індексу Э і наступних за ним цифр і букв. Дві або три цифри, наступні за індексом, указують на кількість вуглецю в металі шва в сотих долях відсотка. Наступні потім букви і цифри указують приблизний хімічний склад металу. Зварювання проводять постійним струмом зворотної полярності. При цьому зварювальний струм вибирають з розрахунку 25-40 А на 1 мм діаметру електроду. Довжина дуги повинна бути як можна коротшою. Рекомендується багатошарове зварювання малого перетину при малій погонній енергії. Середньолеговані хромовані сталі, такі, що містять до 2% вуглецю, відносяться до мартенситного класу. Вони зварюються задовільно, але вимагають підігріву до 200-300 °С і подальшої термічної обробки. Для зварювання високолегованих сталей і сталей з особливими властивостями застосовують електроди, стрижні яких виконані із спеціального дроту, по хімічному складу близькою до зварюваної сталі.

Для запобігання виникненню міжкристалічної корозії при зварюванні високолегованих сталей в металі шва створюють двофазну структуру (аустеніт і ферит) для зменшення зерен, обмежують вміст шкідливих домішок (сірки, фосфору, свинцю, олова, бісмута), легують титаном, ніобієм, танталом, ванадієм, цирконієм (вони активно взаємодіють із вуглецем і перешкоджають утворенню карбідів хрому). Крім того використовують електродні покриття основного та змішаного типу. Для попередження виникнення тріщин створюють меншу жорсткість виробу, виконують попередній і супровідний підігрів до 250-300°С, обмежують вміст шкідливих домішок, уводять легуючі елементи (молібден, марганець, вольфрам), складають деталі із зазором (1,5-2 мм), зменшують розбризкування металу та об'єм зварної ванни.

Корозієстійкі сталі, які не містять титану, ніобію або леговані ванадієм, при нагріванні вище 500°С втрачають антикорозійні властивості. Одержання антикорозійних властивостей, а також підвищеної пластичності та в'язкості досягають нагріванням металу до 1000-1150°С і швидким охолодженням у воді (гартуванням). Вміст вуглецю в основному металі до 0,02-0,03% повністю виключає міжкристалітну корозію.

Підігрів до 100-300°С обов'язковий для мартенситних сталей, а для аустенітних - використовується рідко. Високолеговані сталі з вмістом вуглецю понад 0,12% зварюються з попереднім підігрівом до 300°С і вище з наступною термічною обробкою. Шви краще виконувати тонкими електродами .діаметром 1,6-2,0 мм або електродним дротом діаметром 1,2-2 мм при мінімально можливому зварювальному струмі.

При зварюванні корозієстійких сталей не допускається збудження дуги на основному металі і попадання бризок на основний метал. Складки, заглиблення, щілини, непровари можуть бути джерелом корозії. Кращу корозієстійкість мають гладкі шви з плавним переходом до основного металу. Не рекомендується зачищати шов пневматичним зубилом або іншим способом, при яких утворюються вм'ятини, задирки тощо. Для зменшення вигоряння легуючих елементів зварювання необхідно виконувати короткою дугою без коливальних рухів кінцем електрода.

Для зварювання високолегованих сталей і сплавів використовують зварювання плавленням усіх видів.

Ручне дугове зварювання покритими електродами виконують при знижених струмах [Ізв = (15+35)<4], на постійному струмі зворотної полярності, нитковими валиками без коливальних рухів, короткою дугою. Використовують електроди із стрижнем такого ж хімічного складу, як і основний метал, з урахуванням показників зварюваності та експлуатаційних вимог. Наприклад, при зварюванні кислотостійкої хромонікелевої сталі 12Х18Н10Т для запобігання утворенню гарячих тріщин і міжкристалічної корозії використовують електроди типу Э-04Х20Н9 (марка ЦЛ-11) та Э-02Х19Н9Б (марка ОЗЛ-7).

Більшість високолегованих сталей добре зварюються контактним зварюванням.

2.2 Матеріали, що використовуються при зварювальних роботах

Поступово ручне дугове зварювання замінюють напівавтоматичним в атмосфері захисних газів.

Ручне дугове зварювання плавким електродом виконують за допомогою електродів, які підрозділяють на типи і марки (ГОСТ 9467-75*).

Електроди для ручного дугового зварювання є металевий стрижень, на поверхню якого методом занурення або опресовуванням під тиском наноситься покриття (обмазку) певного складу і товщини. Покриття повинне забезпечити стійке горіння дуги, отримання металу шва необхідного хімічного складу і властивостей і ін. Ці вимоги забезпечується матеріалами електродного стрижня і покриття, до складу яких входять стабілізуючі, шлакоутворювальні, розкислювальні, легуючі і інші речовини.

Речовини для покриттів які використовуються для приготування захисних електродних покриттів можуть бути класифіковані на наступні групи:

Шлакоутворювальні - мінеральні речовини, що містять оксиди металів (руди): титанову руду (ільменіт), збагачену титанову руду (титановий концентрат), природний двоокис титану (рутил), марганцеву руду (піролюзит), польовий шпат, плавиковий шпат, крейду, фарфорову глину (каолін), кварц, мармур.

Титанова і марганцева руди збільшують швидкість твердіння шлаку, що особливо важливе при зварюванні вертикальних і стельових швів. Титанова руда також збільшує швидкість плавлення електроду, що підвищує продуктивність зварювання. Польовий шпат збільшує стійкість горіння дуги, але при цьому підвищує рідкотекучість шлаків. Його іноді замінюють гранітом. Плавиковий шпат і двоокис титану знижують в'язкість і температуру плавлення шлаку, додають йому потрібну швидкість твердіння. Проте плавиковий шпат в той же час знижує стійкість горіння дуги, оскільки фтор що входить до його складу здатний утворювати негативні іони, наявність яких зменшує величину заряду катодної плями, внаслідок чого для повторного запалення дуги змінного струму потрібна вища напруга.

Газоутворюючі - крохмаль, деревна мука, бавовняна пряжа, целюлоза, деревне вугілля, харчова мука.

Розкислювачі - феромарганець, феросиліцій, феротитан, феромолібден, алюміній.

Легуючі - феромарганець, феросиліцій, ферохром, феротитан і рідше оксиди металів (окисли міді, окисли хрому, вуглекислий нікель і ін.). Основною легуючою речовиною в більшості покриттів є феромарганець, який служить одночасно розкислювачем.

Марганцева руда також використовується як легуюча речовина в покритті, збільшуючи вміст марганцю в металі шва. Для легування вуглецем в покриття вводять графіт.

Зв’язні - надають покриттю вигляду пасти і після твердіння міцно утримують його на стрижні. Для цієї мети застосовують рідке скло, рідше -декстрин.

Стабілізуючі - поташ, калієве рідке скло.

Захисні покриття прийнято класифікувати по вигляду основних речовин, що входять в них і визначають дію покриття на метал зварювальної ванни. За цією ознакою всі покриття ділять на 4 групи: руднокислі (Р); рутилові (Т); фтористокальцієві (Ф); органічні або газозахисні (О).

Руднoкислі покриття складаються в основному з окислів марганцю, заліза, кремнію. Газовий захист забезпечується органічними речовинами, що розкладаються в процесі плавлення електроду. Як розкислювач в покриття вводиться феромарганець.

При зварюванні електродами з цими покриттями відбувається насичення наплавленого металу киснем і воднем більшою мірою, чим при фтористокальцієвих покриттях. Тому при зварюванні низьковуглецевої сталі ударна в'язкість металу шва не перевищує 12-14 кгс·м/см2 , а після старіння знижується на 60-70%. Шви схильні до утворення тріщин, особливо, при підвищеному вмісті вуглецю в металі шва. При введенні активних розкислювачів (кремнію, алюмінію) в дріт або покриття шов може вийти пористим. Руднокислі покриття не застосовуються для зварювання середньовуглецевих і легованих сталей, а також у поєднанні з дротом із спокійної сталі. Руднокислі покриття володіють підвищеною токсичністю, оскільки при плавленні виділяють оксиди марганцю, шкідливі для організму.

Рутилові покриття як основна шлакоутворююча частина містять від 30 до 50% рутилу (двоокис титану) з добавками шлакотвірних елементів (польового шпату, магнезиту і ін.). Для створення газового захисту дуги в покриття вводять від 2 до 8% органічних речовин - целюлоза, декстрину 15 до 25% карбонатів (мармур, крейда, а для розкислювання - 15% феросплавів: феромарганець, феросиліцій. Для підвищення коефіцієнта наплавлення в ці покриття іноді вводять залізний порошок. Рутилові покриття забезпечують стійке горіння дуги на змінному струмі, малочутливі до зміни довжини дуги, наявності окалини і іржі, майже не виділяють при зварюванні шкідливих газів і пари.

Фтористокальцієві покриття не містять оксидів заліза і марганцю, їх основною частиною є вуглекислий кальцій (мармур), і плавиковий шпат (флюорит). Як розкислювачі в ці покриття вводяться феросиліцій, феромарганець, феротитан, алюміній. Для легування шва може вводитися металева пороша. Фтористокальцієві покриття дають наплавлений метал з меншим змістом кисню і водню, мало схильний до старіння і утворення тріщин кристалізацій і холодних, такий, що володіє високою пластичністю і ударною в'язкістю. Тому електроди з цими покриттями застосовують при зварці сталі великої товщини і виготовленні відгалужених конструкцій. При використанні електродів з фтористокальцієвим покриттями дуга повинна бути гранично короткою. При зварці довгою дугою, а також за наявності на основному металі іржі, окалини, або при підвищеній вологості покриття метал шва може виходити пористим. Фтористокальцієві покриття забезпечують підвищене засвоєння металом шва легуючих домішок – марганець, хром і молібден, які в цьому випадку майже не вигоряють. Тому всі електроди для зварки легованих сталей і спеціальних сплавів, а також для наплавлення мають фтористокальцієве покриття.

Недоліком фтористокальцієвих покриттів є наявність в них плавикового шпату, що знижує стійкість горіння дуги, тому при зварці ними застосовують постійний струм зворотної полярності. Для зварки на змінному струмі в ці покриття вводять поташ або калієве рідке скло, щоб підвищити стійкість горіння дуги.

Органічні (газозахисні) покриття дають невелику кількість шлаків і тому придатні для зварки вертикальних, стельових і труднодоступних швів, а також сталі малої товщини (до 3 мм). У захисному середовищі газів міститься багато водню, що забезпечує відновлення оксидів і покращує якість наплавленого металу, але може викликати утворення пор. Основними компонентами цих покриттів є харчова мука, целюлоза і інші органічні речовини.

Страницы: 1, 2, 3