Основы сварки плавлением конструкционных материалов


В. В. Ельцов





            ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ


Учебное пособие


















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791
ББК 34.641
     Е58




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Волжского университета имени В. Н. Татищева (г. Тольятти) Сергей Викторович Краснов; доктор технических наук, профессор кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов Тольяттинского государственного университета (г. Тольятти) Александр Иванович Ковтунов





    Ельцов, В. В.
Е58 Основы сварки плавлением конструкционных материалов : учебное пособие / В. В. Ельцов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -152 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0903-2

     Рассмотрены характеристики сварочных материалов. Даны представления о сущности различных способов сварки плавлением и параметрах режима сварки. Приведена техника и технология газовой сварки и резки металлов и сплавов. Изложены данные по технологии сварки сталей различного класса легирования, ремонтной сварке чугуна, сварке легких и цветных сплавов. В приложении даны международные термины и определения в области сварки.
     Для студентов колледжей и высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Машиностроение».

                                                          УДК 621.791
                                                          ББК 34.641








ISBN 978-5-9729-0903-2

     © Ельцов В. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ. ХАРАКТЕРИСТИКА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ.............................................5
МОДУЛЬ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СВАРОЧНОЙ ТЕХНИКИ. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ..........................................7
ТЕМА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ............................................7
   1.1. Исторический экскурс в области развития электродуговой сварки 7
   1.2. Классификация способов сварки плавлением............10
ТЕМА 2. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.........................................13
   2.1. Неплавящиеся электродные стержни....................13
   2.2. Цельнометаллические сварочные проволоки.............14
   2.3. Порошковые проволоки................................15
   2.4. Качественные электроды..............................16
   2.5. Флюсы для сварки....................................23
   2.6. Защитные газы.......................................26
МОДУЛЬ 2. СПОСОБЫ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ И ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ...........................28
ТЕМА 3. РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА....................28
   3.1. Выбор режима сварки.................................28
   3.2. Техника ручной дуговой сварки.......................29
   3.3. Высокопроизводительные способы ручной сварки........32
ТЕМА 4. АВТОМАТИЧЕСКАЯ И МЕХАНИЗИРОВАННАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА..................................36
   4.1. Сущность, преимущества и недостатки способа.......36
   4.2. Разновидности автоматической сварки под слоем флюса.37
   4.3. Механизированная сварка под слоем флюса...........39
   4.4. Техника автоматической сварки под слоем флюса.......41
ТЕМА 5. СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ.............................47
   5.1. Сущность, преимущества и недостатки способов сварки в защитных газах . 47
   5.2. Разновидности способов сварки в защитных газах......47
   5.3. Сварка проволокой в среде углекислого газа........56
ТЕМА 6. ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА............................58
   6.1. Сущность способа электрошлаковой сварки (ЭШС).....58
   6.2. Технологические преимущества ЭШС..................59
   6.3. Разновидности ЭШС в зависимости от типа электрода.61
   6.4. Особые случаи применения электрошлакового процесса..63
   6.5. Влияние режима ЗШС на форму и размеры шва...........65
МОДУЛЬ 3. ГАЗОПЛАМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ........................................68
ТЕМА 7. ГАЗОКИСЛОРОДНАЯ СВАРКА СТАЛИ........................68
   7.1. Общие сведения о газопламенной обработке металлов.68

3

   7.2. Газовая сварка малоуглеродистой стали...............69
   7.3. Технология сварки среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали .. 71
   7.4. Сварка высоколегированной и инструментальной стали..72
ТЕМА 8. КИСЛОРОДНАЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ ... 73
   8.1. Технология газовой резки металлов...................73
   8.2. Техника газокислородной и кислородно-флюсовой резки...74
МОДУЛЬ 4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СВАРКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..................................76
ТЕМА 9. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ................76
   9.1. Сварка углеродистой стали...........................76
   9.2. Технология сварки низколегированной стали...........76
   9.3.   Особенности сварки низколегированной среднеуглеродистой и теплоустойчивой стали.....................................77
ТЕМА 10. ОСНОВНЫЕ ЗАТРУДНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ СТАЛИ РАЗЛИЧНОГО КЛАССА ЛЕГИРОВАНИЯ...............................80
   10.1. Технология сварки среднелегированной стали.........80
   10.2.   Особенности технологии сварки среднелегированной стали при различной термической обработке сварной конструкции.....82
   10.3. Особенности сварки высоколегированной стали........84
   10.4. Сварка мартенситной, ферритной и жаропрочной стали.89
   10.5. Сварка двухслойной стали...........................90
ТЕМА 11. РЕМОНТНАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА ЧУГУНА.................91
   11.1. Особенности сварки чугуна..........................91
   11.2. Области применения сварки чугуна...................92
   11.3. Классификация способов сварки чугуна...............92
   11.4. Способы горячей сварки чугуна......................93
   11.5. Холодная сварка чугуна.............................96
   11.6. Механизированная сварка чугуна порошковой проволокой.101
ТЕМА 12. СВАРКА И НАПЛАВКА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И МАГНИЯ..........................................103
   12.1. Общие характеристики алюминиевых сплавов..........103
   12.2. Особенности сварки сплавов на основе алюминия.....105
   12.3. Способы сварки алюминия и его сплавов.............106
   12.4.   Оценка технологичности способов дуговой сварки алюминиевых сплавов........................................124
   12.5. Сварка плавлением магниевых сплавов...............125
ТЕМА 13. СВАРКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.................129
   13.1. Особенности сварки титановых сплавов..............129
   13.2. Сварка меди.......................................133
   13.3. Сварка бронзы.....................................136
   13.4. Сварка латуни.....................................137
Глоссарий..................................................140
Библиографический список...................................146
Приложение.................................................148

4

            ВВЕДЕНИЕ


            ХАРАКТЕРИСТИКА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ


    1.    Информация об учебном пособии «Основы сварки плавлением конструкционных материалов».
    Сварка как технологический процесс получения неразъемных соединений из различных металлических и неметаллических материалов используется в мировой промышленности уже более 120 лет. За этот период в области сварочного производства произошли колоссальные изменения, касающиеся, как технологического процесса сварки, так и оборудования, и сварочных материалов, применяемых для реализации технологий. Эти изменения характеризуются количеством созданных видов и способ сварки, применяемых в современном производстве, техническими и технологическими характеристиками сварочного оборудования, номенклатурой и свойствами сварочных материалов, а также отраслями промышленности, в которых применяют сварочные процессы. Основными потребителями металлопродукции в мире в настоящее время являются металлоперерабатывающие отрасли промышленного производства - машиностроение, автомобилестроение и судостроение, в которых наиболее высоки уровень и объемы применения сварки.
    Массовое производство сварных конструкций тесно связано с объемами производства основных конструкционных материалов, таких как сталь различного класса легирования, алюминиевые и магниевые сплавы, титан. Большая доля сварных конструкций из этих материалов изготавливается методами сварки плавлением. Широкое распространение технологии сварки плавлением конструкционных материалов вызывает необходимость изучать ее основные проблемы при подготовке специалистов в области сварочного производства.
    Советская и российская специальная литература, посвященная исследованию сварки и родственных технологических процессов весьма богата и разнообразна. Изданы многочисленные справочники, монографии и учебники по различным вопросам сварочной техники, имеется периодическая литература, освещающая новейшие достижения в области сварки. В тоже время, для подготовки бакалавров соответствующего профиля, не имеющих возможности прочесть и изучить специальные труды по отдельным вопросам сварки, нужны книги, в которых кратко и доступно изложены все основные виды и способы сварки, их характеристики и особенности, в том числе и при сварке плавлением.
    2.   Цели и задачи.
    Цель - обеспечить формирование профессиональных компетенций выпускников в области разработки техники и технологии сварки плавлением различных материалов, применяемых в машиностроении.

5

    Задачи:
    -      дать информацию о сварочных материалах, защитных средах и особенностях сочетаний основных и присадочных материалов при сварке;
    -      сформировать навыки анализа техники исполнения сварных швов и способов производства сварных соединений;
    -      дать представление об особенностях влияния параметров режима сварки на форму и размеры шва при различных способах сварки;
    -      способствовать формированию компетенции по оценке технологий сварки различных материалов дуговыми способами.
    3.    Содержание учебного пособия.
    •      Что студенты уже знают из того, что относится к данному предмету, как можно это использовать?
    Студенты, приступая к изучению учебного пособия «Основы сварки плавлением конструкционных материалов», как правило, уже имеют представление о технологических процессах сварки из курса «Введение в профессию». Они знают конструкционные материалы, из которых изготавливают сварные конструкции, их характеристики и маркировку из курсов «Материаловедение» или «Технология конструкционных материалов». Эти знания можно использовать для назначения сварочных и наплавочных материалов для конкретной технологической операции сварки.
    •     Как распределяются основные темы?
    Содержание учебного пособия делится на четыре модуля и включает тринадцать тем для изучения, дополнительным материалом является глоссарий и краткий перечень англо-немецких терминов и определений в области сварки.
    Модуль 1. История развития сварочной техники. Сварочные материалы.
    Модуль 2. Способы электродуговой и электрошлаковой сварки металлов.
    Модуль 3. Газопламенные методы обработки материалов.
    Модуль 4. Технология и оборудование для сварки конструкционных материалов.
    Логика распределения материала учебного пособия подчинена дедуктивному методу, т. е. сначала следуют общие сведения о материалах, процессах, устройствах, применяемых сварки и наплавки, а затем рассматривается их применение в технологических процессах сварки различных конструкционных материалов.

6

            МОДУЛЬ 1


            ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СВАРОЧНОЙ ТЕХНИКИ. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

            ТЕМА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ


        1.1. Исторический экскурс в области развития электродуговой сварки

   Явление электрической дуги было открыто в 1802 году практически одновременно российским ученым В. В. Петровым и англичанином Г. Деви при исследовании свойств так называемого «Вольтового столба». Уже тогда была доказана возможность ее применения для расплавления металлов. Практическое применение этого явления было осуществлено в 1881 году русским ученым Николаем Николаевичем Бенардосом. Он изобрел способ дуговой сварки угольным электродом и устройство для сварки косвенной дугой. Для облегчения процесса сварки он сконструировал держатели электродов, причем, в местах горения дуги он расположил газовые горелки. Вследствие этого, металл в зоне сварки подогревался пламенем горелок, а продукты сгорания газа способствовали защите расплавленного металла. Кроме того, Н. Н. Бенардос изложил принципы механизации процесса сварки и создал первый автомат для сварки угольным электродом. Впоследствии инженер Бенардос Н. Н. активно стал развивать способ контактной точечной сварки. Он установил два угольных электрода торцами напротив друг друга, а между ними поместил свариваемые металлические листы. При пропускании электрического тока через электроды, в месте контакта электродов и металла образовывалась сварная точка. Практически одновременно с российским инженером исследованиями в области контактной сварки занимался У. Томпсон.
   Открытия Н. Н. Бенардоса усовершенствовал его современник - инженер, Николай Гаврилович Славянов (рис. 1.1). Николай Гаврилович отказался от аккумуляторной батареи Н. Н. Бенардоса, как источника тока, а электрический ток для сварки стал брать от генератора. Он отказался от угольного электрода, а стал применять металлический стержень. Один полюс динамо-машины он соединил с обрабатываемой деталью, а другой с металлическим стержнем, который вставлялся в специальный сварочный аппарат, так называемый плавильник. Электрическая дуга, которая при пропускании тока возникала между металлическим стержнем и обрабатываемой деталью, плавила металл стержня и детали. Когда электрическая дуга выключалась, металл застывал, и получалось прочное сварное соединение.


7

Рисунок 1.1 - Славянов Николай Гаврилович (1854 - 1897)

    Заменив угольный электрод металлическим, еще в 1891 году он получил привилегии (патенты) № 86 и 87 на способ электрического уплотнения металлических отливок и способ электрической отливки металлов. Н. Г. Славянов не только изобрел дуговую сварку металлическим электродом, описал ее в своих статьях, книгах и запатентовал в различных странах мира, но и сам широко внедрял ее в практику. С помощью обученного им коллектива рабочих-сварщиков Н. Г. Славянов дуговой сваркой исправлял дефекты литья и восстанавливал детали паровых машин и различного крупного оборудования. Инженер Славянов Н. Г. создал первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработал флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке. Николай Гаврилович создал первый в мире автомат для дуговой сварки металлов плавящимся электродом и предложил для повышения качества сварных соединений защищать сварочную ванну шлаком.
    Сварочная установка, разработанная Н. Г. Славяновым (рис. 1.2), дает представление о процессе выполнения сварного шва с помощью плавящегося электрода. Деталь (1) и металлический электрод (2) соединены с генератором тока (3). Устройство автоматической регулировки зазора между концами электродов (4) поддерживает непрерывное горение дуги.

8

Рисунок 1.2 - Сварочная установка, разработанная Славяновым Н. Г.

    Жизнь Николая Гавриловича Славянова оборвалась внезапно. Еще зимой 1896 года он, работая на открытом воздухе в электрическом цехе Мотовилихинского завода, сильно простудился и заболел ревматизмом. Это привело к тяжелой болезни сердца. Третьего октября 1897 года он присутствовал при заварке вала паровой машины, а 5 октября в десять часов утра его уже не стало.
    Стимулом для дальнейшего развития сварочных технологий было изобретение покрытых электродов. В 1907 году шведский инженер О. Кельберг (основатель фирмы ESAB) на основе принципов, изложенных Н. Г. Славяновым, разработал способ стабилизации дугового разряда и защиты зоны сварки от окружающего воздуха специальными веществами, наносимыми на поверхность электродного стержня в виде покрытия. При плавлении таких электродов образовывалась газовая и шлаковая защита сварочной ванны, что резко повысило качество сварных соединений.
    Первая мировая война ускорила развитие сварочной техники и технологии. Сварочные процессы начали применяться для ремонта и постройки судов в США, Германии, Франции, Австрии, Швеции. В нашей стране широкое применение сварки началось в начале 20-х годов. В 1924 году на заводе «Электрик» в Ленинграде под руководством инженера В. П. Никитина была спроектирована и изготовлена первая отечественная электросварочная машина постоянного тока и разработана конструкция сварочного трансформатора. С 1935 года крупнейшие зарубежные фирмы начали изготавливать сварочные трансфор-9

маторы по схеме В. П. Никитина. В конце 30-х годов советским ученым, академиком Е. О. Патоном и коллективом АН УССР была разработана автоматическая сварка под слоем флюса, а в декабре 1940 года, принято постановление правительства о внедрении ее в промышленность. Огромную роль этот процесс сварки сыграл во время Великой Отечественной войны, способствуя ускорению производства танков и другого вооружения.
    В конце 40-х годов промышленное применение получают способы дуговой сварки в защитных газах (атомно-водородная, аргонодуговая).
    В 1949 году в ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый способ сварки плавлением - электрошлаковая сварка. За создание и внедрение этого способа группе ученых во главе с профессором Волошкевичем Г. З. была присуждена Ленинская премия. На этот способ сварки, названный «русским чудом», были куплены лицензии США, Японии и многими другими странами.
    Развитие сварочной техники связано с изысканием новых источников тепла. Одним из них является концентрированный поток электронов в вакууме, на основе которого французами был создан новый вид сварки - электроннолучевая, для соединения тугоплавких, химически активных металлов и сплавов и специальных сталей в вакууме.
    Сварка плавлением сегодня - это электрическая дуга в углекислом газе, аргоне, гелии; это струя высокотемпературной плазмы и электронный луч; луч лазера, это камера с контролируемой атмосферой, в которую сварщик входит в скафандре космонавта. Не утратила еще своего значения для различных отраслей промышленности ручная дуговая и газовая сварка. Возможности такого технологического процесса как сварка, очень широки: сваривают оболочки для радиоактивных изотопов из высоколегированных сталей толщиной 0,1 мм, детали пресса толщиной 3400 мм, двухслойные стали, различные сплавы между собой, металлы с неметаллами, проводят сварку в космосе и под водой. Сварка широко используется в медицине: сваривают и режут кости, зубные протезы, сетчатку глаз и иные биологические ткани. Без сварки не обходится металлургия: для получения особо чистого металла применяют электрошлаковый и электронно-лучевой переплав.

        1.2. Классификация способов сварки плавлением

    1. Электродуговая сварка.
    • По виду электрода:
    -  плавящимся электродом;
    -  неплавящимся электродом.
    •  По виду дуги:
    -  свободной дугой;
    -  сжатой дугой.
    •  По характеру воздействия дуги на основной металл:
    -  дугой прямого действия;

10

    -   дугой косвенного действия;
    -   трехфазной дугой.
    •  По роду сварочного тока:
    -   постоянным током;
    -   переменным током;
    -   пульсирующим током.
    •  По наличию внешнего воздействия на формирование шва:
    -   со свободным формированием шва;
    -   с принудительным формированием шва.
    •  По полярности сварного тока:
    -   током прямой полярности (минус на электроде);
    -   током обратной полярности (плюс на электроде).
    •  По количеству дуг с раздельным питанием током:
    -   однодуговая;
    -   двухдуговая;
    -   многодуговая.
    •  По количеству электродов с общим подводом тока:
    -   одноэлектродная;
    -   двухэлектродная;
    -   многоэлектродная.
    •  По наличию и направлению колебаний электрода относительно оси шва:
    -   без колебаний;
    -   с поперечными колебаниями;
    -   с продольными колебаниями;
    -   со сложными колебаниями.
    •  По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха:
    -   без защиты (голым электродом со стабилизирующим покрытием);
    -   со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом);
    -   с газовой защитой (среде газов);
    -   со шлако-газовой защитой (толстопокрытыми электродами);
    -   с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).
    •  По степени механизации:
    -   ручная сварка;
    -   механизированная;
    -   автоматическая.
    2. Электрошлаковая сварка (сопротивлением).
    • По виду электрода:
    -   с проволочным электродом;
    -   с пластинчатым;
    -   плавящимся мундштуком.
    •  По наличию колебаний электрода:
    -   без колебаний;
    -   с колебаниями.

11

    • По условиям наблюдения за процессом горения дуги: - открытая;
    -   закрытая;
    -   полуоткрытая.
    3.  Световая сварка.
    •  По виду источника света:
    -   солнечная (гелиосварка);
    -   лазерная.
    4.  Газовая сварка.
    •  Ацетиленокислородная;
    •  Пропанокислородная.
    5.  Электронно-лучевая сварка.
    •  По направлению колебаний электронного луча:
    -   с продольными колебаниями;
    -   с поперечными;
    -   с вертикальными;
    -   со сложными колебаниями.
    6.  Термитная сварка.
    7.  Литейная сварка.

12