Способы ручной сварки

Способы ручной сварки

В производстве сварных металлических конструкций тяжелого машиностроения, судостроения, мостостроения, транспортного машиностроения, котлостроения, химического машиностроения применяется, главным образом, электрическая дуговая сварка металлическим электродом, т. е. сварка по способу Н. Г. Славянова. Сварка угольным электродом по способу Н. Н. Бенардоса так же, как и контактная сварка, (применяется сравнительно ред­ко. Газовая сварка применяется только в исключительных слу­чаях.

Электрическая дуговая сварка металлическим электродом разделяется на автоматическую, полуавтоматическую и ручную.

Рассмотрим применение электродуговой сварки в ее историче­ском развитии.

В первые годы применения сварки в производстве металличе­ских конструкций использовались следующие диаметры электро­дов и соответствующие им силы тока:

  • Электроды диаметром 4 мм — сила тока 130-150 а;
  • Электроды диаметром 5 мм — сила тока 150—200 а;
  • Электроды диаметром 6 мм применялись редко;

сила тока для этих электродов колебалась в пределах 200—240 а.

Сварка проводилась на постоянном токе с расходом электроэнергии 6,5—8 квт-час на килограмм наплавленного металла при работе на однопостовых машинах и 12—14 квт-час при работе на много­постовых машинах. В качестве электродов применялись голые стержни из низкоуглеродистой стали.

Увеличение силы тока ограничивалось, с одной стороны, повышенным разбрызгиванием расплавленного металла электро­дов, с другой,— существующими опасениями, что от перегрева при повышенных силах тока ухудшатся механические свойства и структура металла шва. Угол раскрытия стыкового соединения делался равным 90—110°, поэтому расход наплавленного металла на один погонный метр такого соединения был велик.

При толщине листа 20 мм площадь сечения (фиг, 99) при угле раскрытия α = 110° равна 572 мм2, при угле α = 90° равна 424 мм2, а при принятом в настоящее время угле раскрытия α = 60° площадь шва (равна 273 мм².)

Сечение шва стыкового соединения

Сечение шва стыкового соединения

Следует отметить, что еще Н. Г. Славянок при­менял электроды большего диаметра и более высокие режимы, а процесс сварки проводил при наличии флюса.

Производительность сварщика принято опреде­лять по количеству на­плавленного металла за один час времени горения дуги.

Как установлено была еще проф. В. П. Вологдиным, количество расплавляемого электродного металла пропорционально силе тока, протекаю­щего в электрической дуге. При отнесении количества рас­плавленного металла к одному амперу силы тока в еди­ницу времени получается так называемый коэффициент рас­плавления—kp, выражаемый в г/а-час. Коэффициент расплавле­ния зависит в основном от материала электрода, в значительно меньшей степени от рода тока и, как показали дальнейшие ис­следования, в некоторой степени от технологических факторов сварки: скорости сварки и вида разделки соединения. Для голых электродов при сварке на постоянном токе коэффициент расплав­ления равен 9—11 г/а-час.

Некоторая часть электродного расплавленного металла вы­горает при проходе через электрическую дугу, разбрызгивается и не попадает в шов. Поэтому наплавленного металла получается меньше, чем расплавленного металла, что и выражается коэффициентом наплавки кн количеством наплавленного металла, от­несенным к одному амперу силы тока и единице времени (часу). Для голых электродов при сварке на постоянном токе коэффициент наплавки составляет 8—9 г/а-час.

Значительный расход электроэнергии при сварке на постоян­ном токе, равный 6,5—8 квт-ч на 1 кг наплавленного металла при работе от однопостовых машин и 12—14 квт-ч на 1 кг при работе от многопостовых машин, побудил искать условия для возможности вести сварку на переменном токе. Обширная работа в этом направлении была проведена в 1903—1905 гг. акад. В. Ф. Миткевичем. В. Ф. Миткевичем были установлены основ­ные условия устойчивого горения однофазной дуги переменного тока, предложены ионизирующие покрытия, поддерживающие горение однофазной дуги, установлен принцип сварки трехфазной дугой.

При сварке на переменном токе расход электроэнергии со­ставляет 3,2—3,8 квт-час на 1 кг наплавленного металла, при этом источники питания (трансформаторы однопостовые и много­постовые) в 3—4 раза дешевле машин постоянного тока.

Применение переменного тока тормозилось предвзятым мне­нием о пониженном качестве сварных соединений, сваренных на переменном токе. Работами исследователей и произ­водственников это мнение было опровергнуто, и сварка на пере­менном токе была быстро развита на наших предприятиях.

Коэффициенты расплавления и наплавки при сварке на пере­менном токе несколько ниже, чем при сварке на постоянном то­ке. Электроды с ионизирующим меловым покрытием имеют kн = 6,5 ÷7 г/а-час;

электроды со скоростным — ионизирующим покрытием — kн = 8 ÷ 9 г/а-час.

С 1926—30 гг. начали применяться электроды с толстым слоем покрытия, назначение которого заключалось в устранении вредного влияния газов, а также до некоторой степени и серы с фосфором. Применение этих электродов обеспечивает возмож­ность значительного повышения режимов сварки, а следователь­но, и производительности.

Для возможного уменьшения количества наплавленного ме­талла были разработаны типы сварных соединений с углом раз­делки соединения 60—70° и соединения без скоса кромок. Это имело значение не только в смысле повышения производитель­ности, но и снижения внутренних напряжений и коробления.

Передовыми сварщиками проводились мероприятия, обеспе­чивающие уплотнение рабочего дня сварщика: уменьшение за­траты времени на вспомогательные операции и увеличение вре­мени горения дуги.

Данные о среднем коэффициенте использования поста по вре­мени горения дуги приведены в табл. 35.

Таблица 35

Средние коэффициенты использования сварочного поста

Эти показатели приведены Оргаметаллом, который сооб­щает, что организационные мероприятия, сокращающие вспомо­гательные операции, могут увеличить коэффициент использования. К таким мероприятиям относятся, например, улучшение кон­струкции электрододержателя, повышение устойчивости горения дуги увеличением ионизирующих свойств электрода и равномер­ного сгорания электродов без козырька, лучшая организация.

Таблица 36

Повышенные коэффициенты использования сварочного поста

При составлении технологических процессов коэффициент ис­пользования должен быть определяем, исходя из оценки всех вспомогательных операций.

Работами Оргаметалла, Института электросварки имени акад. Е. О. Патона, Цниитмаша, Уралмашзавода коэффициент наплавки новых марок электродов с толстым качественным покрытием по­вышается с 6—7 г/а-час до 9—10,5 г/а-час. В связи с этим про­изводительность сварщика значительно увеличилась. Часовая производительность сварщика при электродах диаметром 5 мм с меловым покрытием, силе тока 150 а и коэффициенте использо­вания поста 0,45 равна: Q = 6,5 • 150 • 0,45 = 440 г/час.

Часовая производительность сварщика при электродах диа­метром 8 мм с качественным покрытием, три силе тока 420 а и коэффициенте использования поста 0,65 составляет:

Q = 9,5 • 420 • 0,65 = 2450 г/час.

На сварке соединений большой толщины отработаны приемы сварки электродами диаметром 10 мм, и часовая производитель­ность в этом случае равна:

Q = 9,5 • 550 • 0,65 = 3500 г/час.

Переход от электродов с меловым покрытием к электродам с качественным покрытием повышает механические свойства на­плавленного металла в соотношениях, приведенных в табл. 37.

Таблица 37

Механические свойства наплавленного металла

Значительное повышение механических свойств наплавленно­го металла дает возможность повысить допускаемые напряже­ния, что приводит к уменьшению сечения сварных швов, а сле­довательно, и к повышению производительности сварки в метрах шва да единицу времени.

Еще Н. Г. Славяновым были разработаны и применены авто­маты для сварки крупных деталей металлическим электродом диаметром 10—15 мм. В автоматах для сварки металлических конструкций, которые применялись в 1920—1930 гг., вместо штучных электродов подавалась голая проволока. Первые авто­маты работали на постоянном токе, диаметр электродной прово­локи был принят равным 5 мм, сила тока по сравнению с руч­ной сваркой повышалась незначительно. Применение автоматов, учитывая при этом увеличение времени на вспомогательные опе­рации, давало небольшое повышение производительности по сравнению с ручной сваркой электродами диаметром 5—6 мм. Эти автоматы давали производительность меньше, чем автоматы Н. Г. Славянова. Автоматы при сварке голой проволокой дают низкие значения механических свойств наплавленного металла.

В течение нескольких лет (1930—1940 гг.) проводилась упор­ная работа в области автоматической и ручной сварки в отноше­нии увеличения производительности и повышения механических свойств наплавленного металла. В автоматической сварке был совершен переход на переменный ток. Для повышения механиче­ских свойств наплавленного металла в углубления проволоки за­прессовывалась масса, которая давала шлаковый покров в ванне расплавленного металла. Однако все эти мероприятия не прида­вали автоматической сварке значительных преимуществ перед ручной. Были разработаны некоторые полуавтоматические спосо­бы сварки (Лунегов, Силин), проведено усовершенствование способов ручной сварки (Зу­ев, Володин, Бондаренко), которые находят применение и в настоящее время.

Разработка Институтом электросварки имени акад. Е. О. Патона автоматической сварки под слоем флюса про­извела коренной перелом в применении автоматики. В на­стоящее время все преиму­щества находятся на стороне автоматической сварки, кото­рая завоевывает все новые и новые области применения, сокращая применение ручной сварки. Данные таблицы 38; характеризуют сравнитель­ную эффективность различ­ных способов сварки.

 

Сравнительные характеристики различных способов сварки

Ручная сварка толстопокрытым электродом

Автоматическая сварка открытой дугой крестовой проволокой

Сварка лежащим самосгорающим электродом

Автоматическая сварка под флюсом

Из этих данных видно, что только автоматическая сварка под флюсом, обеспе­чивая более полное устране­ние вредного воздействия га­зов, дает возможность зна­чительного увеличения сил то­ка без разбрызгивания. Ду­га в этом случае горит внут­ри шлакового колпака (пу­зыря), который удерживает брызги, попадающие затем в ванну расплавленного метал­ла (фиг. 100).

Схема горения дуги при сварке под слоем флюса

Схема горения дуги при сварке под слоем флюса

Дальнейшим развитием однофазной сварки является двудуговая сварка и сварка трехфазной дугой.

Повышения производи­тельности при сварке метал­лических конструкций пере­довые сварщики добивались снижением времени, потреб­ного на вспомогательные опе­рации, а также сокращением основного времени с увеличе­нием режима. Для снижения времени, потребного на смену электродов, сварщики применяли электроды увеличенной длины, но это не приводило к повыше­нию силы тока из-за нагревания электродных стержней. Тогда мно­гие сварщики перешли на длинные электроды, но с закреплением их в электрододержателе в средине длины. После сплавления одно­го конца электрода электрододержатель поворачивался на 180°, и сварка производилась другим концом электрода. Это мероприя­тие снижало время на смену электродов на 40—45 но создава­ло затруднения при сварке в тесных местах конструкций. Устра­нение этих затруднений достигнуто при сварке спаренными элек­тродами. В этом случае выступавший ранее кверху конец электрода приварен к нижнему концу (фиг. 101, а) на точечной машине. Сварка спаренными электродами, разработанная инж. В. С. Володиным, применялась на наших заводах при сварке низкоуглеродистой и легированной стали в 1940—41 гг., а также в период 1941—1945 гг. При этом способе сварки горит одна дуга, которая перебегает с одного стержня электрода на другой по мере их обгорания. Токоведущими являются оба стержня; всегда один из стержней находится в зоне горения дуги другого стержня (фиг. 101, б); в связи с этим коэффициент наплавки увеличивается, а расход электроэнергии снижается.

Схемы усовершенствованных приемов при ручной сварке

Схемы усовершенствованных приемов при ручной сварке

Кроме спаренных электродов, находят применение и электроды пучком. Принцип горения дуги тот же, что и при спаренных элек­тродах: дуга перебегает по торцу пучка с уже обгоревшего стер­жня на стержень, расстояние которого до детали в данный момент наименьшее. Сварка пучком электродов применяется на строи­тельствах нефтяной и другой промышленности. Показатели производительности сварки пучком электродов по сравнению с одинарными электродами приведены в табл. 39.

Таблица 39

Характеристики сварки пучком электродов

Поскольку вес электрододержателя и проводов получается при сварке пучком электродов сравнительно значительным, рекомен­дуется вести сварку с опиранием электрода. Сварка пучком с опиранием электрода обеспечивает минимальную длину дуги, что ведет к снижению расхода электроэнергии; большая боковая поверхность у пучка дает возможность повысить силу тока без перегрева стержня и увеличить производительность. Уменьшение нагрева электродов при сварке пучком имеет значение для сварки хромоникелевых сталей, свариваемых аустенитовыми электродами.

Таблица 40

Коэффициенты расплавления и наплавки при сварке пучком электродов

Значения коэффициентов расплавления и наплавки при сварке пучком электродов из низкоуглеродистой стали приводятся в табл. 40, а данные о производительности в табл. 41.

Таблица 41

Производительность сварки пучком электродов

Сварку пучком электродов следует сравнивать со сваркой электродом с площадью поперечного сечения, равной суммарной площади сечения всех стержней пучка. Технологическое преимущество сварки пучком электродов состоит в такой компоновке стержней, которая допускает проникновение пучком в разделку соединения, что для электрода большого диаметра неосуществимо.

Сварка с закладкой присадочной проволоки в шов дает значи­тельное увеличение производительности. Этот способ сварки был разработан сварщиком Зуевым в 1934 г. Им установлено, что для полного проплавления угла разделки соеди­нения под уложенной в шов присадочной проволокой необходимо обеспечить такой режим, чтобы присадочная проволока плавилась на расстоянии 2—3 мм от наружной части электрической дуги. Получение же неудовлетворительных результатов при этом спо­собе сварки объясняется невыполнением установленной техноло­гии, незнанием последней и особенностей этого способа.

В. Ю. Шишкин рекомендует следующие условия выполнения сварки с закладкой. К сварке с закладкой могут быть допущены сварщики, прошедшие инструктирование и выдержавшие особые практические испытания по соответствующей инструкции с оформ­лением испытаний специальным актом. Методом сварки с заклад­кой могут свариваться стыковые и угловые соединения («в лодоч­ку» и «в тавр»). В стыковых соединениях с нормальной разделкой кромок выполнение первого слоя шва должно производиться без закладки. Как правило, закладку рекомендуется начинать со вто­рого слоя и применять ее во всех последующих слоях до получе­ния требуемых размеров шва

В первый слой шва допускается закладывать только один стержень, и то лишь при сварке с углом раскрытия не менее 90°. Двустержневая закладка в первый проход шва не разрешается. Варианты способов закладки в шов стержней приводятся на фиг. 102.

Схемы сварки с закладкой

Схемы сварки с закладкой

Размеры швов при закладке стержней в угловые соединения на основании опытных заводских данных приводятся в табл. 42.

Таблица 42

Размеры швов при закладке стержней в угловые соединения

Сварка с закладкой требует применения повышенных режи­мов. При сварке электродами К-2; К-5 и М-1 рекомендуются на основании опытных заводских данных следующие значения силы тока:

  • ∅ электрода 5 — сила тока — 280-310;
  • ∅ электрода 6 — сила тока — 400-430;
  • ∅ электрода 8 — сила тока — 550-650;
  • ∅ электрода 10 — сила тока — 700-850.

Сварку по шлаку разрешается производить в случае закладки в первый слой шва, начиная со второго прохода; в последующих проходах необходима зачистка шлака через слой.

Способ сварки с закладкой требует применения специальной техники ведения электрода. При закладке проволоки диаметром, меньшим диаметра основного электрода, проплавление кромок основного металла обеспечивается движением электрода в форме вогнутой полудуги с продвижением вдоль кромок и с обходом конца заложенной проволоки (фиг. 103, а). При закладке в ряд двух-трех стержней конец электрода погружают в расплавленную ванночку около одной из фасок, в погруженном состоянии его перемещают поперек шва к противоположной фаске, затем элек­трод извлекается из металла и посредством поступательного по­перечного движения сплавляются концы стержней. Этим движе­нием электрод приходит на линию погружения в новом месте, сдвинутом по длине на величину сплавления концов дополнитель­ных стержней (шаг спирали). В этом случае электрод совершает движение, напоминающее смятую сверху спираль (фиг. 103, б).

Движение электрода при сварке с закладкой стержней

Движение электрода при сварке с закладкой стержней

 

Применение сварки с закладкой в шов стержней дает возмож­ность повысить производительность на 20—30%.

Контроль качества сварки с закладкой необходимо произво­дить внешним осмотром швов, засверливанием швов и проведе­нием периодических специальных испытаний сварщиков не реже раза в полгода с обязательным инструктированием и указанием на особенности сварки с закладкой.

Как уже указывалось выше, сварка с глубоким проплавлением основного металла без скоса кромок впервые была предложена инж. Ю. М. Кутузовым. При наложении однослойных швов сварка с глубоким проплавлением эффективна, так как разделка шва уменьшается и количество требующегося наплавленного ме­талла на единицу длины шва резко снижается. Значительное улучшение этого способа сварки достигается опиранием конца электрода на покрытие, чем обеспечивается возможность очень быстрого обучения сварщиков этому методу. Труд сварщика об­легчается, так как он держит электрод не на весу, а большую часть давления от проводов и держателя с электродом передает на деталь через козырек тугоплавкого покрытия электрода. Метод сварки с опиранием электрода на конец покрытия был предло­жен, разработан и применен инструктором сварки тракторного завода Лунеговым и инструктором сварки Силиным в 1938 г.

Метод сварки с глубоким проплавлением, разработанный Центральной научно-исследовательской лабораторией стальных сооружений с опиранием конца электрода на покрытие, отли­чен от способа Лунегова и Силина тем, что наклон электрода применяется более крутой, что обеспечивает большую глубину проплавления. Кроме того, сварщик держит держатель в руке, чем обеспечивает возможность сварки швов сложной конфигура­ции. Угол наклона электрода по отношению к направлению шва выдерживается в пределах 70—85°. Уменьшение или увеличение угла наклона ведет к изменению глубины проплавления и ухуд­шению процесса сварки. Этому способу сварки присвоено наиме­нование: сварка ультракороткой дугой. Применение этого способа к сварке многослойными швами нерационально, так как каждый последующий валик проплавляет на большую глубину валик, лежащий ниже, давая сравнительно мало металла на увеличение сечения шва. Максимально полезным случаем применения указан­ного метода будет тот, при котором шов заваривается за один проход, а поэтому при сварке ультракороткой дугой следует при­менять возможно наибольшие диаметры электродов при наиболь­ших возможных силах тока.

При сварке соединений в тавр или внахлестку по обычному методу образование сварного шва производится согласно схеме, представленной на фиг. 104, с незна­чительной глубиной проплавления основного металла, в противополож­ность сварке с глубоким проплавлением (фиг. 104, б).

Схемы сечения швов

Схемы сечения швов

Если расчетное сечение шва опре­деляется значением n, равным 0,707 а (катета шва), то при сварке ультра­короткой дугой расчетное сечение определяется значением n, равным а′. Поэтому при сварке ультракороткой дугой расплавленный металл исполь­зуется экономнее по сравнению с обычной сваркой.

Для образования швов с большими катетами необходимо применение электродов диаметром 8 мм при силе тока 500—570 а и 10 мм при силе тока 600—650 а.

Сварку ультракороткой дугой возможно производить при при­менении электродов, которые имеют сравнительно тугоплавкое покрытие и способны при рекомендуемых режимах образовать на конце электрода чехольчик с углублением 1,5—2 мм. Кроме того, покрытие при высокой температуре не должно становиться электропроводным. При выполнении этих условий электрод не приходит в короткое замыкание с деталью, и процесс сварки про­текает устойчиво. Для сварки ультракороткой дугой пригодны электроды ЦМ-7С, ЦМ-7СК, МЭЗ-04. ОММ-5. а также электроды марки К-5. Плавность перемещения концом по­крытия электрода без рывков должна быть обеспечена прямоли­нейной правкой стержней электродов, концентричностью нанесе­ния покрытия и равномерностью его покрытия.

По сообщению А. С. Чеснокова, применение сварки ультракороткой дугой повышает производительность на 50—140%, дает экономию расхода электродов на 40—50% и экономию- электроэнергии на 30%. Эти данные подтверждаются изучением эффективности применения сварки ультракороткой дугой на за­водах.

Недостаток сварки ультракороткой дугой заключается в том, что затрудняется контроль качества сварных швов для некоторых типов соединений.

Сварка самосгорающим электродом впервые была предложена С. Г. Сарафановым и развита Лунеговым и Силиным. С. Г. Сарафановым в соединение, подлежащее сварке, уклады­вался электрод с толстым слоем покрытия, к электроду и к детали присоединялись разноименные провода от источника тока. Между электродом и деталью угольным электродом возбуждалась дуга, которая в последующие моменты времени горела автоматически и сваривала кромки соединения. Для успешного ведения процесса покрытие электрода, укладываемого в шов, должно быть туго­плавким и неэлектропроводным. Этим требованиям отвечает по­крытие К-5. При этом способе сварки дуга полу­чается сравнительно длинной, что отражается на процессе сварки и на качестве сварного соединения. С целью устранения указан­ного недостатка Лунегов предложил вести сварку наклонным электродом, закрепляя обратный от дуги конец электрода в не­подвижный шарнирный электрододержатель, изолируемый от де­тали. Недостаток этого способа состоит в изменении угла между электродом и деталью, которое вызывает образование шва переменного сечения. Изменение угла между электродом и де­талью было устранено тов. Силиным, который предложил сколь­зящий шарнирный электрододержатель, обеспечивающий сохра­нение угла между электродом и деталью по мере продвижения дуги.

Способы сварки самосгорающим электродом допускают, чтобы один сварщик обслуживал несколько установок. Электроды при этом применяются диаметром 8—12 мм и длиной 500—700 мм.