Технология дуговой и плазменной сварки и резки металлов


В. В. ОВЧИННИКОВ, М. А. ГУРЕЕВА









                ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ И ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ





Учебник










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791
ББК 34.641
     0-35











     Овчинников, В. В.
0-35    Технология дуговой и плазменной сварки и резки металлов : учебник /
     В. В. Овчинников, М. А. Гуреева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 240 с.: ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0540-9

     Представлены общие сведения о дуговой сварке и резке металлов, технологии сварки цветных металлов и сплавов в защитных газах плавящимся и не-плавящимся электродами, технике выполнения сварных соединений плазменной сваркой. Даны сведения и характеристики оборудования для дуговой и плазменной сварки и резки металлов.
     Для студентов учреждений среднего профессионального образования.

УДК 621.791
ББК 34.641








ISBN 978-5-9729-0540-9   © В. В. Овчинников, М. А. Гуреева, 2021
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ВВЕДЕНИЕ


     Современный технический прогресс в промышленности неразрывно связан с совершенствованием сварочного производства. Сварка как высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений находит широкое применение при изготовлении металлургического, кузнечнопрессового, химического и энергетического оборудования, трубопроводов различного назначения, в транспортном машиностроении, в производстве строительных и других конструкций, а также летательных аппаратов и судов различного назначения.
     Сварка является таким же необходимым технологическим процессом, как обработка металлов резанием, литье, ковка, штамповка. Она часто конкурирует с этими процессами, а в некоторых случаях вытесняет их.
     Сварка является одним из ведущих технологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сварки обеспечили ее широкое применение в народном хозяйстве; без нее сейчас немыслимо производство судов, автомобилей, самолетов, турбин, котлов, реакторов, мостов и других конструкций. Перспективы сварки, как в научном, так и в техническом плане, безграничны. Применение сварки способствует совершенствованию машиностроения и развитию новых отраслей техники - ракетостроения, атомной энергетики, радиоэлектроники. Развитие сварки требует серьезного повышения уровня теоретических знаний и практической подготовки квалифицированных работников.
     Материал учебника базируется на сведениях по химии, физике, технологии металлов и конструкционных материалов, электротехнике и других технических предметах.
     Учебник состоит из семи глав, которые содержат общие сведения о сварных соединениях и швах, газах и присадочных материалах при дуговой сварке; технологические аспекты дуговой сварки сталей и цветных металлов; вопросы технологии плазменная резки, а также характеристики оборудования и аппаратура для дуговой сварки.
     Выпускник должен обладать профессиональными компетенциями, соответствующими видам деятельности:
     ПК 2.1. Выполнять ручную дуговую сварку различных деталей из углеродистых и конструкционных сталей во всех пространственных положениях сварного шва.

3

     ПК 2.2. Выполнять ручную дуговую сварку различных деталей из цветных металлов и сплавов во всех пространственных положениях сварного шва.
     ПК 2.3. Выполнять ручную дуговую наплавку покрытыми электродами различных деталей.
     ПК 2.4. Выполнять дуговую резку различных деталей.
     ПК 3.1. Выполнять ручную дуговую сварка (наплавку) неплавящимся электродом в защитном газе различных деталей из углеродистых и конструкционных сталей во всех пространственных положениях сварного шва.
     ПК 3.2. Выполнять ручную дуговую сварка (наплавку) неплавящимся электродом в защитном газе различных деталей из цветных металлов и сплавов во всех пространственных положениях сварного шва.
     ПК 3.3. Выполнять ручную дуговую наплавку неплавящимся электродом в защитном газе различных деталей.
     ПК 4.1. Выполнять частично механизированную сварку плавлением различных деталей из углеродистых и конструкционных сталей во всех пространственных положениях сварного шва.
     ПК 4.2. Выполнять частично механизированную сварку плавлением различных деталей и конструкций из цветных металлов и сплавов во всех пространственных положениях сварного шва.
     ПК 4.3. Выполнять частично механизированную наплавку различных деталей.

4

        Глава 1. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ДУГОВОЙ И ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКОЙ

    1.1. Виды соединений

     Сварным соединением называется неразъемное соединение, выполненное сваркой. В сварное соединение входят сварной шов, зона термического влияния и примыкающие к ней участки основного металла.
     Зона термического влияния при сварке - это участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, но структура и свойства которого изменились в ррезультате нагрева при сварке.
     Сварные соединения бывают (рис. 1.1):
     • стыковые;
     • угловые;
     • торцевые;
     • нахлесточные;
     • тавровые.


Рис. 1.1. Основные виды соединений:
а - стыковое; б - угловое; в - торцевое; г - нахлесточное; д - тавровое

     Стыковое соединение - это соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцевыми поверхностями (рис. 1.2).
     Стыковое соединение без скоса свариваемых кромок применяют при соединении листов толщиной до 12 мм; при этом кромки листов срезают под прямы углом к плоскости. Листы до 4 мм сваривают односторонним швом; 2...12 мм — двухсторонним швом. Подготовка к сварке такого соединения несложна и недорога, она предусматривает только стыковку свариваемых кромок.

5

Рис. 1.2. Конструктивные элементы разделки кромок под сварку:
в - зазор; с - притупление; 0 - угол скоса кромок; а - угол разделки кромок;
1 - без разделки кромок; 2 - с разделкой кромок одной детали;
3 - V-образная разделка; 4 - Х-образная разделка;
5 - U-образная разделка

      Стыковое соединение без скоса свариваемых кромок и без зазора имеет хорошие характеристики при всех условиях нагружения. Для использования этого вида соединения в ответственных конструкциях необходимо обеспечение полного провара, поэтому в этом случае нежелательно применение односторонних швов, поскольку велика вероятность непровара корня шва, что, в свою очередь, приводит к существенному снижению прочностных характеристик данного соединения.
      Двухсторонний сварной шов повышает прочность сварного соединения, однако приложение значительных долговременных нагрузок из-за наличия не проваренного участка в корне шва может привести к разрушению соединения, Полное проплавление достигается при одностороннем сварном шве при толщине металла до 4 мм. При двухстороннем сварном шве полное проплавление обеспечивается при толщине металла до 8 мм.
      Стыковое соединение без скоса свариваемых кромок с зазором. В таких соединениях намного легче, чем в стыковых соединениях без зазора, обеспечить полный провар. Это позволяет производить сварку металла большей толщины. Следует отметить, что в случае получения непровара прочность стыкового соединения будет такой же, как и у соединения без зазора. В случае приложения достаточной нагрузки эти сварные соединения будут иметь одинаковую вероятность разрушения. Полное проплавление достигается при

6

одностороннем сварном шве при толщине металла менее 5 мм. При двухстороннем сварном шве полное проплавление обеспечивается при толщине металла до 12 мм.
      Стоимость подготовки стыковых соединений без скоса свариваемых кромок с зазором почти такая же, как стыковых соединений без скоса свариваемых кромок и без зазора. Однако на практике при использовании стыковых соединений без зазора возникают затруднения, связанные с получением одинакового зазора по всей длине свариваемого стыка.
      Стыковое соединение со скосом кромок. Это наиболее распространенное соединение. Оно намного превосходит по качеству шва стыковое соединение без скоса кромок и применяется для сварки ответственных конструкций. Стыковые соединения со скосом кромок позволяют сваривать металл толщиной от 3 до 100 мм. Стоимость подготовки таких соединений и расход электродов при их сварке превышают аналогичные показатели для стыковых швов без скоса свариваемых кромок.
      При одностороннем сварном шве необходимо обеспечить гарантированный провар корня шва (рис. 1.3, а), в противном случае в условиях приложения значительной нагрузки может произойти разрушение соединения.

Рис. 1.3. Стыковое соединение со скосом кромок

     Двухсторонний сварной шов (рис. 1.3, 6) может производиться только в тех случаях, когда имеется возможность доступа к обратной стороне шва. В этом случае гораздо легче обеспечить гарантированный провар на всю толщину сварного соединения. При использовании подкладок (рис. 1.3, в) появляется возможность повысить скорость сварки и применять электроды большего диаметра, особенно при выполнении первого или корневого прохода.
     Стыковое соединение с двумя симметричными скосами кромок. Такие соединения применяются для конструкций, работающих в исключительно тяжелых условиях эксплуатации. Они используются для получения сварных соединений металла толщиной от 8 до 120 мм. При этом расход электродного металла, а отсюда и электроэнергии почти вдвое меньше. Стоимость изготовления такой разделки выше, чем у стыковых швов со скосом кромок. При выполнении 7

стыкового соединения с двумя симметричными скосами кромок (рис. 1.4) необходимо обеспечить гарантированный провар корня шва. Для этого перед наложением второго шва нужно произвести зачистку корня первого шва.

Рис. 1.4. Стыковое соединение с двумя симметричными скосами кромок

     Двухсторонний шов стыкового соединения с двумя симметричными скосами кромок позволяет достичь более равномерного распределения тепла в соединении, что снижает концентрацию напряжений в свариваемом изделии. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую величину деформаций после сварки.
     Стыковое соединение со скосом одной кромки и с двумя симметричными скосами одной кромки. Стыковые соединения со скосом одной кромки (рис. 1.5, а-в) и с двумя симметричными скосами одной кромки (рис. 1.5, г) и с двумя симметричными скосами кромок. Они могут применяться в конструкциях, силовые нагрузки на которые, а также толщина металла сходны с конструкциями, для которых используются стыковые соединения со скосом кромок.

Рис. 1.5. Стыковое соединение со скосом одной кромки (a- в) и с двумя симметричными скосами одной кромки (г)

      Для заполнения разделки со скосом одной кромки и с двумя симметричными скосами одной кромки требуется меньше электродного металла, а значит, потребуется меньше электродов, чем при заполнении разделок стыковых соединений со скосом кромок, и, соответственно, с двумя симметричными скосами кромок. Затраты на такую разделку меньше, так как требуется выполнить скос только на одной кромке. Однако при выполнении таких швов необходимо учитывать, что сварщику трудно обеспечить хороший провар корня шва и хорошее сплавление с торцом неразделанной кромки.


8

     Стыковое соединение с криволинейным скосом кромок. Данный вид разделки применяется для особо ответственных конструкций, таких как нагреваемые сосуды высокого давления. Стоимость выполнения таких соединений выше, чем соединений со скосом кромок и соединений с двумя симметричными скосами кромок, однако для сварки соединений с криволинейным скосом кромок необходимо меньшее количество электродов и, соответственно, меньший расход электроэнергии. Стыковое соединение с криволинейным скосом кромок применяется для сварки металла толщиной от 15 до 100 мм. Полное сплавление корня шва легче обеспечить при сварке соединения с двух сторон (рис. 1.6, б) и при сварке соединения на подкладке (рис. 1.6, в), чем при одностороннем шве (рис. 1.6, а). Для получения необходимых эксплуатационных свойств такого соединения необходимо гарантированное проплавление корня сварного шва.

Рис. 1.6. Стыковое соединение с криволинейным скосом кромок

     Стыковое соединение с двумя симметричными криволинейными скосами кромок. Такое соединение применяется для конструкций, в которых используется разделка с криволинейным скосом кромок, но в данном случае сваривается металл большей толщины, при этом сварка производится с двух сторон. Толщина свариваемого металла колеблется от 30 до 175 мм. Стоимость изготовления такой разделки выше, чем разделки с криволинейным скосом кромок, однако расход электродов меньше. Двухсторонний сварной шов обеспечивает более равномерное распределение сварочных напряжений и способствует уменьшению сварочных деформаций. Внешний вид данного соединения показан на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Стыковое соединение с двумя симметричными криволинейными скосами кромок

9

     Стыковое соединение с криволинейным скосом одной кромки и с двумя симметричными криволинейными скосами одной кромки. Стыковые соединения с криволинейным скосом одной кромки (рис. 1.8, а-в) и с двумя симметричными криволинейными скосами одной кромки (рис. 1.8, г) применяются в тех же случаях, что и стыковые соединения с двумя симметричными криволинейными скосами кромок, но при условиях приложения меньших по величине нагрузок. Стоимость таких разделок меньше, потому что необходимо обрабатывать только одну кромку. Для заполнения полученной разделки требуется меньшее количество наплавленного металла. Наличие торца неразделанной кромки затрудняет хорошее сплавление и качественное сквозное проплавление.

Рис. 1.8. Стыковое соединение с криволинейным скосом одной кромки (a - в) и с двумя симметричными криволинейными скосами одной кромки (г)

     Угловое соединение - это сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Угловое соединение

     Угловые соединения осуществляют при расположении свариваемых элементов под прямым или произвольным углом, и сварка выполняется по кромкам этих элементов с одной или с обеих сторон. Угловые соединения применяют при сварке различных коробчатых изделий, резервуаров и емкостей.
     Угловое соединение без скоса кромок с торцевым швом (рис. 1.10, а) обычно применяют для сварки тонкого металла. Более толстые соединения могут выполняться, таким образом, только в том случае, если во время эксплуатации они не будут подвергаться значительным нагрузкам или изгибу в корневой части шва. Для получения данного типа соединения не требуется никакой подготовки кромок, сборка таких соединений предельно проста.


10