«А.Н. Блазнов, И.Н. Павлов, А.И. Легаев, В.А. Куничан ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ И СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу Технология конструкционных ...»

Длина дуги в этом случае определяется толщиной покрытия. Автоматически сварка штучными покрытыми электродами производится автоматами, в которые заряжается кассета с электродами, сменяемыми по мере их расплавления.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом (см. рисунок 4.6б) обеспечивает производительность, в 10–15 раз большую производительности ручной дуговой сварки и, кроме того, она не требует оператора столь высокой квалификации. При автоматической сварке зажигание дуги, подача электрода в дугу и перемещение его вдоль направления сварки осуществляются механически либо автоматами, выдерживающими заданный параметр режима. Электрод 1, представляющий собой сварочную проволоку большой длины, заправляется в кассету 4 и подается в дугу с необходимой скоростью с помощью подающих роликов 8, приводимых во вращение двигателем 3 через редуктор 2. Эта сборочная единица, называемая сварочной головкой, помещается на самоходной тележке-каретке 5, приводимой в движение двигателем каретки 7 через редуктор 6. Ток на электрод от источника подается через скользящий контакт 9. Скорость сварки зависит от скорости перемещения каретки. Защита расплавленного металла от воздействия воздуха осуществляется порошкообразным флюсом, ссыпаемым из бункера 10 непосредственно перед дугой.

Автоматическую сварку следует производить с помощью проволоки, приближающейся по своему химическому составу к свариваемому металлу. Стандартами предусмотрен выпуск проволоки 77 марок для сварки сталей, проволоки 30 марок для наплавочных работ и проволоки 14 марок для сварки алюминия и его сплавов.

Разновидностью дуговой сварки под флюсом является полуавтоматическая сварка. При таком способе подача электрода осуществляется механически, а перемещение его по направлению сварки – вручную. Способ рекомендуют для получения коротких и криволинейных швов в нижнем положении.

При сварке в защитных газах в зону сварочной дуги подается инертный либо нейтральный газ, достаточно надежно защищающий расплавленный и остывающий металл сварного шва от контакта с окружающей атмосферой. В качестве защитных газов наибольшее применение получили инертные газы – аргон, гелий и более дешевый углекислый газ. Иногда применяют смеси двух газов и более. При сварке с защитой инертными газами различают сварку неплавящимся и плавящимся электродами.

Разновидностью сварки в среде инертных газов является сварка в контролируемой атмосфере. Детали помещают в специальные камеры, из которых откачивают воздух, а затем заполняют аргоном. Сварку выполняют вручную или с помощью автомата с дистанционным управлением. Для сварки крупногабаритных заготовок применяют камеры объемом до 450 м3, внутри которых работает сварщик, снабженный специальной системой обеспечения дыхания. Сварка в среде инертных газов является относительно дорогим процессом, и ее применяют в основном для сварки заготовок из цветных металлов и сплавов, из аустенитных и высокопрочных сталей, а также из тугоплавких и активных металлов.

Лучевая сварка плавлением имеет разновидность – электроннолучевую сварку, сущность которой состоит в использовании для нагрева и расплавления свариваемых кромок кинетической энергии электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. В месте соударения электронов со свариваемыми заготовками почти 99 % кинетической энергии переходит в тепловую, что сопровождается повышением температуры до 5000–6000 °С. Кромки заготовок расплавляются, и после кристаллизации образуется сварной шов. Для сварки заготовок таким способом используют электронную пушку (рисунок 4.7а). В вакуумной камере 1 в формирующем электроде 2 расположен вольфрамовый катод 3, обладающий эмиссионной способностью при подогреве до 2000–2500 °С. Под катодом находится анод 4 с центральным отверстием для пропускания луча к заготовке. Электроны, сформированные в пучок электродом 2, под действием высокой разности потенциалов между катодом и анодом перемещаются с ускорением по направлению к заготовке. Диафрагма 5 отсекает краевые зоны луча 6, а магнитные линзы 7 фокусируют луч на поверхности заготовки 9. Скорость сварки определяется скоростью перемещения заготовки под неподвижным пятном луча или отклонением самого луча с помощью отклоняющей системы 8. Основными параметрами режима являются: ускоряющее напряжение (от 25 до 120 кВ), сила тока (от 35 до 1000 мА), диаметр сфокусированного луча (от 0,02 до 1,2 мм), скорость сварки (до 100 м/ч).

а – схема электронной пушки для сварки; б – форма шва Достоинством электронно-лучевой сварки является высокая концентрация энергии на поверхности детали, что позволяет проплавлять заготовки толщиной до 200 мм, идеальная защита от влияния внешней среды – вакуум, а также малое количество теплоты, вводимой в заготовку. Электронно-лучевую сварку можно применять для заготовок из всех материалов, чаще всего из разнородных – например, из металла с керамикой, и для соединений заготовок из тугоплавких и химически активных металлов Nb, Mo, W, Ti, Zr.

Создание достаточно мощных квантовых генераторов дало возможность применять остро сфокусированный световой пучок для лазерной сварки. Плотность тепловой энергии, создаваемой лазерами при фокусировке луча в пятно диаметром до нескольких сотых долей миллиметра, позволяет нагревать практически все металлы до расплавления и даже до кипения. Лазеры большой мощности позволяют сваривать заготовки из металла толщиной до нескольких миллиметров.

Большим достоинством лазерной сварки является возможность ведения процесса в любой атмосфере, однако она может неблагоприятно влиять на качество шва. Для лучевой сварки характерно «ножевое проплавление», т.е. форма шва, при которой отношение глубины шва к ширине нередко достигает 20 и более (рисунок 4.7б).

4.1.3 Источники тока ручной дуговой сварки При сварке переменным током источником питания сварочной дуги являются сварочные трансформаторы, при сварке на постоянном токе – сварочные генераторы. Основными техническими показателями источников питания сварочной дуги являются: внешняя характеристика, напряжение холостого хода, относительная продолжительность работы, а также регулируемость и динамичность.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на выходных зажимах источника тока от величины тока нагрузки. В отличие от обычных источников тока, предназначенных для освещения и силовых нагрузок, имеющих жесткую внешнюю характеристику (рисунок 4.8а), источники питания сварочной дуги должны иметь падающую внешнюю характеристику (рисунок 4.8б).

Рисунок 4.8 – Внешняя характеристика источников тока При дуговой сварке металлическим электродом вследствие переноса капель электродного металла в дуговом промежутке (от 3 до 5 мм) происходят частые короткие замыкания, число которых может достигать 30–35 в секунду. Сопротивление внешней цепи при коротком замыкании почти равно нулю, поэтому питание сварочной дуги источником с жесткой внешней характеристикой приводит к непрерывному разрастанию дуги, к неограниченному увеличению тока до тех пор, пока не сработают предохранительные устройства или разрушатся проводники цепи. Устойчивое горение дуги возможно лишь при падающей внешней характеристике источника тока, при которой напряжение на зажимах будет снижаться с увеличением нагрузки и возрастать с ее уменьшением.

Падающая внешняя характеристика в сварочном трансформаторе создается путем введения индуктивного сопротивления во вторичную цепь. Индуктивность вторичной цепи трансформатора можно увеличить путем включения последовательно с дугой индуктивного сопротивления в виде дроссельной катушки, отделенной от трансформатора или объединенной с ним. С отдельной дроссельной катушкой изготавливаются трансформаторы типа СТЭ (рисунок 4.9а). С дроссельной катушкой во вторичной цепи, конструктивно объединенной в одно целое с трансформатором, выполнены трансформаторы типа СТН (рисунок 4.9б).

а – с отдельной дроссельной обмоткой; б – в однокорпусном исполнении; в – с подвижными магнитными шунтами; г – с подвижной Рисунок 4.9 – Схемы сварочных трансформаторов Имеются трансформаторы, у которых падающая характеристика создается с помощью повышенного магнитного рассеяния. Создание потока рассеяния и его изменение и, следовательно, создание и изменение индуктивного сопротивления в одних трансформаторах осуществляется с помощью магнитных шунтов (трансформаторы типа СТШ, рисунок 4.9в), в других – путем изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками трансформатора (трансформаторы типа ТС и ТСК, рисунок 4.9г).

Основными типами сварных соединений являются стыковые, нахлесточные, тавровые и угловые (рисунок 4.10). При сварке заготовок больших толщин необходимо обрабатывать соединяемые кромки для получения провара по всему сечению (рисунок 4.11).

а – стыковое; б – нахлесточное; в – тавровое; г – угловое Рисунок 4.10 – Основные типы сварных соединений а – V-образная; б – U-образная; в – Х-образная;

Рисунок 4.11 – Формы подготовки кромок под сварку 4.1.4 Свариваемость металлов и сплавов и дефекты сварных соединений Свариваемостью называют способность металла создавать прочное неразъемное соединение методом диффузии или сварки. Соединение считают высококачественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к механическим свойствам основного металла, и в нем отсутствуют поры, шлаковые включения, раковины. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как свойства основного металла.

Рассмотренные выше способы сварки в большинстве своем связаны с нагреванием заготовок. В процессе нагревания, который в зависимости от плотности мощности источника осуществляется со скоростью от 200–300 до 5000–10000 °С/с (лазерное воздействие), происходит нагревание, расплавление и даже испарение металла в зоне действия источника, а также подогрев металла, прилегающего к месту соединения в зоне термического влияния. Одновременно протекают фазовые изменения, диффузионные процессы, приводящие к перераспределению примесей, перемещение границ зерен, рост зерен. Формируется сварочная ванна.

После окончания непосредственного действия источника энергии (максимум на термическом цикле) начинается затвердевание сварного шва и затем его остывание. Характер структуры, образующейся в шве и зоне термического влияния, зависит от скорости изменения температуры. Скорость остывания определяет время нахождения металла при тех или иных температурах, а значит и законченность высокотемпературных процессов, оказывающих определяющее влияние на возможность получения бездефектного соединения и его эксплуатационные свойства.

Свариваемость – это сложная характеристика, зависящая не только от свойств свариваемого металла, но и от технологического процесса, режима сварки, свойств применяемых сварочных материалов. Чаще всего признак плохой свариваемости – наличие в сварном соединении отдельных дефектов. Дефектом является существенная разница свойств основного металла 3 (рисунок 4.12а), сварного шва и зоны термического влияния 2. При сварке заготовок из углеродистых и легированных сталей твердость зоны термического влияния возрастает, в то время как пластические свойства значительно снижаются, что повышает хрупкость.

Поскольку в результате сварки плавлением образуется сварной шов, имеющий литую структуру, он обладает дефектами, присущими отливке. К основным дефектам сварного шва относятся неоднородность твердости, горячие и холодные трещины (рисунок 4.12), ликвация, пористость, усадочные раковины, шлаковые включения, непровар, коробление, перекос.

Горячие и холодные трещины в сварных соединениях, как и в отливках, образуются в результате усадочных явлений.

Горячие трещины могут образовываться в том случае, если усадка шва не соответствует его пластичности, т.е. наступает разрушение.

Горячие трещины, как правило, имеют межкристаллитный характер и располагаются по границам зерен в шве (рисунок 4.12б). Чаще всего горячие трещины образуются при сварке заготовок из высоколегированных сталей, алюминиевых и медных сплавов.

а – неоднородность твердости; б – горячие трещины;

Рисунок 4.12 – Дефекты сварных соединений Холодные трещины чаще всего возникают после полного затвердевания сварного шва в период завершения охлаждения или появляются в металле, уже охлажденном до окружающей температуры. Холодные трещины появляются как следствие возникновения собственных напряжений в результате усадки, а также структурных превращений в зоне термического влияния. Существенное влияние на вероятность возникновения холодных трещин оказывают газы, растворившиеся в нагретом металле, в частности, водород; скапливаясь во время остывания в дефектах кристаллической структуры, они способствуют усилению напряженного состояния. Наиболее часто холодные трещины располагаются в основном металле в непосредственной близости к сварному шву (рисунок 4.12в). Этот дефект характерен для заготовок из высокоуглеродистых и легированных сталей, образующих закалочные структуры в околошовной зоне.

4.1.5 Методы контроля сварных швов Качество сварных соединений и конструкций проверяют разрушающими и неразрушающими методами.

К разрушающим методам контроля относят: механические испытания (на растяжение, изгиб, ударную вязкость и твердость) – для определения механических характеристик; металлографические исследования – для изучения макро- и микроструктуры сварного шва, глубины и формы сварочной ванны, определения размеров зерен, дендритов, пор, трещин; химический анализ – для определения химического состава сварного шва.

К неразрушающим методам контроля относят визуальный осмотр, гидравлические и пневматические испытания, метод керосиновых проб; рентгеновское и ультразвуковое просвечивание.

Визуальному осмотру подвергают 100 % сварных швов независимо от метода сварки и назначения изделия. При визуальном осмотре обнаруживают наружные дефекты: нарушение геометрии (коробление, поводки), раковины, трещины, непровар.

Гидравлическим и пневматическим испытаниям подвергают сосуды и трубопроводы, работающие под избыточным давлением, к сварным швам которых предъявляются требования по герметичности. Гидравлические испытания проводят под давлением жидкости (чаще воды), превышающем рабочее в 1,5–2 раза. При пневматических испытаниях внутрь сварного соединения подается сжатый воздух, который создает избыточное давление. Сварной шов снаружи смачивают мыльным раствором или соединение опускают в воду. Неплотности определяют по образующимся пузырькам воздуха.

Метод керосиновых проб применяют для обнаружения неплотностей в соединениях, работающих без избыточного давления. При этом шов с одной стороны покрывают мелом (известью), с другой – керосином. Если в соединении имеются поры, то на окрашенной мелом поверхности проступают жирные пятна керосина. Благодаря высокой текучести керосина с помощью такого метода можно обнаружить неплотности размером до 1,8 · 10–3 мм.

Ультразвуковой метод предназначен для обнаружения скрытых дефектов сварных швов – трещин и непроваров, газовых или шлаковых раковин и т.п., без определения характера дефекта. Метод основан на отражении ультразвуковых колебаний дефектом и восприятии отраженного луча осциллографом, который показывает место расположения и размеры дефекта.

Рентгеновское просвечивание применяется для обнаружения скрытых дефектов сварных швов ответственных изделий. Метод основан на различном поглощении проникающего излучения участками шва с дефектами и без них. Получают снимок с отчетливым изображением вида и размеров дефекта.

4.2 Оборудование, приборы, инструменты, материалы 1. сварочный трансформатор, провода, держак, электроды, щиток.

2. заготовки для сварки.

3. герметичный сварной сосуд.

4. компрессор для подачи сжатого воздуха, соединительные шланги, хомуты.

5. мел, керосин, кисть.

4.3 Описание лабораторной установки В состав лабораторной установки входят компрессор с ресивером для подачи сжатого воздуха в сварной сосуд, соединительные гибкие трубопроводы (шланги) и хомуты. Для регистрации рабочего давления в ресивере и внутри сосуда предназначены манометры. Для регулирования подачи сжатого воздуха и величины давления внутри сосуда установка снабжена вентилями.

4.4 Порядок выполнения работы и составление отчета 4.4.1 Ознакомиться с основами сварочного производства.

4.4.2 Изучить основные способы сварки.

4.4.3 Ознакомиться со сварочным оборудованием для ручной дуговой сварки, выполнить схему сварочного поста и эскиз электрода.

4.4.4 Учебному мастеру при студентах выполнить сварку соединяемых заготовок встык, внахлест, угловое и тавровое соединение.

Студентам зарисовать эскизы полученных соединений.

4.4.5 Выполнить внешний осмотр качества сварного шва, описать характер обнаруженных дефектов.

4.4.6 Выполнить контроль сварного шва методом керосиновой пробы. Для этого одну сторону шва закрасить мелом, другую, с помощью малярной кисти, – керосином. Описать характер наблюдаемых дефектов (при наличии).

4.4.7 Выполнить контроль сварного шва герметичного сосуда с помощью пневматических испытаний. Для этого подсоединить сосуд к компрессору с помощью гибких шлангов, убедиться в том, что все болтовые соединения и хомуты надежно затянуты, и открыть вентиль на выходе с ресивера. Снаружи сварные швы сосуда смазать мыльным раствором. Наличие дефектов и негерметичности сосуда фиксировать по пузырькам воздуха и уменьшению давления согласно показаниям манометра.

Отчет о выполненной работе должен содержать титульный лист, цель работы, задание, описание основных способов сварки, схему сварочного поста для ручной дуговой сварки, эскизы электрода и соединений заготовок встык, внахлест, углового и таврового соединений;

описание результатов визуального контроля сварных швов, методом керосиновой пробы и пневматическим методом; выводы.

В выводах кратко изложить основные результаты работы, описать приобретенные навыки, оценить качество выполненного и испытанного сварного шва.

4.5 Контрольные вопросы 1. Что называют сваркой? На какие две группы подразделяют все способы сварки в зависимости от агрегатного состояния соединяемых заготовок?

2. Перечислите основные способы получения сварных соединений. Дайте определения.

3. Перечислите источники энергии, применяемые при различных способах сварки плавлением.

4. Назовите источники нагрева при сварке плавлением в порядке возрастания степени концентрации мощности.

5. Перечислите основные показатели, характеризующие свариваемость материалов.

6. Назовите четыре типа сварных соединений.

7. Назовите основные дефекты сварных соединений.

8. Назовите основные методы контроля сварных швов.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Варианты индивидуальных заданий к лабораторным работам

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Образец оформления титульного листа отчета по лабораторной

ЛИТЕРАТУРА

1. Роман, О.В. Лабораторный практикум по технологии металлов и других конструкционных материалов / О.В. Роман [и др.]; под общ.

ред. О.В. Романа. – Минск: Вышейшая школа, 1974. – 240 с.: ил.

2. Схиртладзе, А.Г. Технология конструкционных материалов:

учебное пособие / А.Г. Схиртладзе [и др.]; – 3-е изд., перераб. и доп. – Старый Оскол: ТНТ, 2009. – 360 с.

3. Кузьмин, Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы: учебник для машиностроительных техникумов / Б.А. Кузьмин [и др.]; под общ. ред. Б.А. Кузьмина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:

Машиностроение, 1989. – 496 с.: ил.

4. Дальский, А.М. Технология конструкционных материалов:

учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / А.М. Дальский [и др.]; под ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., исправленное. – М.: Машиностроение, 2004. – 512 с.: ил.

5. Ильин, Л.Н. Ковочно-штамповочное производство. Лабораторный практикум: учебное пособие для машиностроительных техникумов по специальности «Ковочно-штамповочное производство» / Л.Н. Ильин, А.С. Подольский, Б.М. Позднеев. – М.: Машиностроение, 1987. – 160 с.: ил.

6. Попов, Е.А. Технология и автоматизация листовой штамповки:

учебник для вузов / Е.А. Попов, В.Г. Ковалев, И.Н. Шубин. – М.:

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. – 480 с.: ил.

Куничан Владимир Александрович

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ

И СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу «Технология конструкционных материалов» для студентов специальностей 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств», 240706.65 «Автоматизированное производство химических предприятий», 240901.65 «Биотехнология», 270109.65 «Теплогазоснабжение и вентиляция», 240300.65 «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий» специализации 240305.65 «Автоматизированное производство химических предприятий», направления подготовки 151000.62 «Технологические машины и оборудование» профиля подготовки «Машины и аппараты пищевых производств»

и направления подготовки 151900.62 «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств»

профиля подготовки «Технология машиностроения»

Технический редактор Денисова О.А.

Подписано в печать 14.06.13. Формат 60 84, 1/ множительно-копировальный аппарат «RISO EZ300»

Издательство Алтайского государственного технического университета, Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ