Сварка металлов: Лабораторные работы
Изложена методика проведения лабораторных работ по изучению различных видов электросварки, оценке качества сварного шва и металлографической структуры околошовной зоны. Предназначены для студентов 1-4 курсов специальностей 1705, 1706, 1201, 2008, 2002, 3113, 3114, 2903 всех форм обучения
♦ Издательство ТГТУ ♦
Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПО "ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Сварка металлов
Лабораторные работы
для студентов 1 – 4 курсов
специальностей 1705, 1706, 1201, 2008, 2002, 3113, 3114, 2903
всех форм обучения
Издание шестое, исправленное и дополненное
ТАМБОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ
2007
УДК 621.791.052(075)
ББК К641я73-5
С24
Рецензент
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор физико-математических наук
Ю. И. Головин
С о с т а в и т е л и:
Л. Н. Тялина, Н. В. Федорова
С24 Сварка металлов : лабораторные работы. 6-е изд. испр., доп. /
сост. : Л. Н. Тялина, Н. В. Федорова. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос.
тех. ун-та, 2007. – 36 с. – 100 экз.
Изложена методика проведения лабораторных работ по изуче-
нию различных видов электросварки, оценке качества сварного шва и
металлографической структуры околошовной зоны.
Предназначены для студентов 1 – 4 курсов специальностей 1705, 1706,
1201, 2008, 2002, 3113, 3114, 2903 всех форм обучения.
УДК 621.791.052(075)
ББК К641я73-5
Тамбовский государственный
технический университет (ТГТУ), 2007
Учебное издание
сварка металлов
Лабораторные работы
Издание шестое, исправленное и дополненное
Составители: Тялина Людмила Николаевна,
Федорова Наталья Васильевна
Редактор З.Г. Ч ер нов а
Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Рыжков а
Подписано к печати 16.01.2007.
Формат 60 × 84/16. 2,09 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 24
Издательско-полиграфический центр
Тамбовского государственного технического университета
392032, Тамбов, Советская, 106, к. 14
Лабораторная работа 1
РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА
Цель работы: изучить оборудование сварочного поста, освоить методику подбора режимов сварки, исследовать технологические
свойства электродов, снять внешнюю характеристику источника тока.
Оборудование, приборы, инструменты, материалы: сварочный пост переменного тока с электроизмерительными приборами (ам-
перметром, вольтметром), весы циферблатные с гирями, секундомер, линейка, электроды, стальные пластины для
наплавки.
Общие методические указания
Ручная дуговая сварка (РДС) относится к термическому классу. Источником тепла служит электрическая дуга, возникающая
между электродом и свариваемым изделием при протекании постоянного или переменного тока.
При ручной дуговой сварке на стабильность горения дуги, качество наплавки или сварного шва, на производительность про-
цесса влияет ряд факторов, важнейшие из которых:
1) правильный подбор и расчет основных параметров сварки;
2) правильный выбор источника питания (переменного, постоянного тока);
3) технологические свойства электродов.
Для питания сварочной дуги применяют источники переменного и
постоянного тока. Источниками питания дуги переменного тока при руч-
ной дуговой сварке являются сварочные трансформаторы с увеличенным
магнитным рассеянием и подвижными обмотками типа ТС, ТСК, ТD, схе-
ма которых показана на рис. 1.
Сердечник трансформатора 1 стержневого типа, катушки первичной
обмотки 2 неподвижны, а катушки вторичной обмотки 3 перемещаются
вверх и вниз вручную с помощью винта и рукоятки, расположенной на
крышке кожуха трансформатора.
Рис. 1 Конструктивная схема
сварочного трансформатора
Сварочный ток регулируется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При сближении обмоток маг-
нитный поток рассеяния (часть основного магнитного потока, частично замыкающегося по воздушному зазору между обмотками)
и индуктивное сопротивление уменьшаются, а сварочный ток увеличивается. Минимальный сварочный ток соответствует наи-
большему расстоянию между обмотками.
U, B Свойства источника тока определяются его внешней характеристикой, представляющей зависи-
a мость напряжения на зажимах источника от тока в сварочной цепи U = f (I ). Устойчивость горения дуги
2 зависит от соотношения форм внешней характеристики источника и статической характеристики дуги.
Для ручной дуговой сварки, когда характеристика дуги жесткая (рис. 2, кривая 1), внешняя характеристи-
ка источника питания должна быть крутопадающей (кривая 2). Кроме того, при крутопадающей харак-
теристике облегчается зажигание дуги за счет повышенного напряжения холостого хода и ограничива-
б ется ток короткого замыкания.
1
с I, A
Рис. 2 Соотношение
внешней характеристики
тока и статической
характеристики дуги
Режим сварки один из основных элементов технологического процесса, который определяет качество и производительность
сварки. При РДС основными параметрами режима являются диаметр электрода Dэ в мм, сварочный ток Iсв в амперах, напряжение
на дуге Uд в вольтах и скорость сварки Vсв в м/ч.
Определение режима сварки начинают с выбора диаметра электрода, его типа и марки. Диаметр электрода Dэ выбирается в за-
висимости от толщины свариваемого металла S (табл. 1) при сварке стыковых соединений и от катета шва h (табл. 2) при сварке
угловых и тавровых соединений.
1 Значения диаметра электрода в зависимости от
толщины свариваемых деталей
Толщина деталей
1,5 … 2 3 4 …8 9 … 12 13 … 15 16 … 20
S, мм
Диаметр электрода
1,6 … 2 3 4 4-5 5 5 … 6
Dэ, мм
2 Значения диаметра электрода в зависимости от катета шва
Катет шва h, мм 3 4…5 6…9
Диаметр электрода Dэ, мм 3 4 5
Марку электрода выбирают в зависимости от химического состава свариваемого металла. Покрытие электрода со шлакообра-
зующей основой на базе карбонатов кальция или магния и плавикового шпата называется основным. Основные покрытия пригодны
для сварки и углеродистых, и легированных сталей. Наиболее известные марки электродов этой группы – УОНИИ-13/45, АНО-7,
АНО-8. Наплавленный ими металл обладает высокой ударной вязкостью при отрицательных температурах.
Покрытие со шлакообразующей основой на базе рутила (TiO2) называют рутиловым, которое является наиболее распростра-
ненным в нашей стране. Широко используют электроды марок МР-3, ОЗС-4, АНО-4 из-за высоких механических свойств швов и хо-
роших сварочно-технологических характеристик.
При выборе типа электрода следует руководствоваться ГОСТ 9467–75. В нем предусмотрено девять типов электродов: Э38,
Э42, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60. Их применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротив-
лением разрыву до 600 МПа. Для сварки легированных сталей с временным сопротивлением свыше 600 МПа используют электроды
Э70, Э150. В обозначение типа электрода буквы Э (электрод) и цифра, показывающая минимальное временное сопротивление разрыву
металла шва или наплавленного металла в кгс/мм2. Буква А после цифрового обозначения электродов указывает на повышенные пла-
стичность и вязкость металла шва.
Тип электрода выбирают таким образом, чтобы прочность металла шва и прочность основного металла были примерно равны.
Например, если у основного металла σв = 480 МПа, то следует выбирать электрод типа Э50 или Э50А.
Сварочный ток в зависимости от диаметра электрода определяют по формуле
Iсв = k Dэ , А, (1)
где Dэ – диаметр электрода, мм; k – коэффициент, зависящий от диаметра электрода и типа покрытия.
3 Значения опытного коэффициента
в зависимости от диаметр электрода
Диаметр электрода Dэ,
2 3 4 5 6
мм
Опытный
25… 30 30… 45 35… 50 40…55 45…60
коэффициент, k
При сварке вертикальных швов сварочный ток уменьшается на 10 %, потолочных – на 20 % против расчетного.
Напряжение на дуге определяют по формуле
U д = α + βLд , (2)
где α – падение напряжения на электроде ( α = 10 … 12 В – для стальных электродов, α = 35 … 38 В – для угольных электродов);
β = 2 В/мм – падение напряжения на 1 мм дуги; Lд – длина дуги, Lд = 0,5 ( D + 2) , мм. Для наиболее широко применяемых электродов
в среднем U д составляет 25 … 28 В.
Расплавление металла электрода характеризуется коэффициентом расплавления α p , который показывает, какая масса металла
электрода при силе тока в один ампер расплавится за один час горения дуги:
Gp
αp = , г/А ⋅ ч, (3)
I св t
где Gр – вес расплавленного металла, г; Iсв – сила сварочного тока, А; t – время горения дуги, ч.
Не весь расплавленный металл электрода переносится в шов. Часть его теряется на разбрызгивание, испарение и угар. Поэтому
производительность процесса сварки определяют, исходя из коэффициента наплавки α н , который меньше коэффициента расплавле-
ния на величину потерь электродного металла,
Gн
αн = , г/А ⋅ ч, (4)
I св t
где Gн – вес наплавленного металла, г.
Коэффициент потерь
Gp − Gн
ψ= ⋅ 100 % . (5)
Gр
Значения рассмотренных коэффициентов зависят от марок электродов, рода и полярности тока и составляют α p = 7 … 13 г/А ⋅ ч;
α н = 6 … 12,5 г/А ⋅ ч; ψ = 5 … 25 %.
Скорость сварки определяют из выражения
α н I св
Vсв = , м/ч, (6)
γ Fнм
где Vсв – скорость сварки, м/ч; α н – коэффициент наплавки, г/А ⋅ ч; γ – плотность металла, г/мм3 (для стали γ = 7,85 ⋅ 10–3 г/мм3);
Fнм – площадь сечения наплавленного металла шва, представляющая сумму элементарных геометрических фигур, составляющих
сечение шва, мм2. Приближенно площадь поперечного сечения шва считается равной площади равностороннего треугольника с
углом раскрытия кромок 60° .
Порядок выполнения работы
1 Изучить оборудование сварочного поста.
2 Изучить устройство и принцип работы источника питания электрической дуги.
3 Снять внешнюю характеристику источника тока. Чтобы построить внешнюю характеристику, необходимо получить три
характерные точки а, б, с (рис. 2), которые соответствуют режимам холостого хода, рабочему режиму, режиму короткого замыка-
ния. Для получения точки а необходимо при включенном источнике питания и разомкнутой цепи снять показания амперметра и
вольтметра. Для получения точки с необходимо сварочную цепь замкнуть накоротко и определить ток короткого замыкания по
амперметру. Для получения точки б необходимо в процессе наплавки снять показания амперметра и вольтметра. Результаты изме-
рений занести в табл. 4 и по этим данным построить внешнюю характеристику источника питания (рис. 3).
4 Экспериментальные данные U, B
Показания 40 –
Режим работы приборов 30 –
I, А U, В 20 –
10 –
Холостой ход
Устойчивое горение дуги 100 200 300 I, A
Короткое замыкание Рис. 3 Внешняя характеристика
источника тока
5 Исходные данные для расчета параметров режима
ручной дуговой сварки
№ Временное Толщина Положение
Марка сопротивление Вид
вари- металла S, шва в
стали разрыву σ в , МПа соединения
анта мм пространстве
1 ВСт3сп 400 4 угловое нижнее
2 10 340 6 угловое нижнее
3 20Г 460 3 стыковое нижнее
4 16ГС 530 5 стыковое потолочное
5 15ХСНД 500 8 стыковое вертикальное
6 10Г2С 520 7 стыковое нижнее
7 ВСт2сп 370 7 угловое нижнее
8 14Г2 470 10 стыковое нижнее
9 09Г2 450 6 стыковое потолочное
10 15 380 4 стыковое вертикальное
П р и м е ч а н и е. При сварке угловых швов с толщиной детали 4 … 6 мм катет шва
будет 5 мм, с толщиной 6 … 8 мм – 6 мм.
4 Рассчитать режим ручной дуговой сварки. Для расчета параметров РДС исходные данные взять в табл. 5, согласно номера
варианта, заданного преподавателем.
а) Выбрать диаметр электрода (табл. 1 и 2).
б) Определить величину сварочного тока по формуле (1) и табл. 3.
в) Определить напряжение на дуге по формуле (2).
г) Выбрать тип и марку электрода.
д) Полученные данные занести в табл. 6.
6 Результаты расчета параметров ручной дуговой сварки
Диаметр Сварочный Сварочное Скорость
Номер Тип
электрода Dэ , ток Iсв , напряжение Uд , сварки Vсв,
варианта электрода
мм А В м/ч
5 Рассчитать коэффициенты расплавления, наплавки и потерь по формулам (3) – (5).
6 Определить скорость сварки по формуле (6).
Содержание отчета
1 Название и цель работы, описание оборудования сварочного поста.
2 Схема источника питания и описание основных его узлов.
3 Экспериментальные данные (табл. 4) и внешняя характеристика источника питания (рис. 3).
4 Расчет параметров режима ручной дуговой сварки, табл. 6.
5 Расчет технологических коэффициентов электродных покрытий.
Контрольные вопросы
1 Устройство и принцип работы сварочного трансформатора.
2 Электрическая дуга и ее свойства.
3 Внешняя характеристика источника питания и требования к ней.
4 Сварочные электроды.
5 Основные параметры режима ручной дуговой сварки.
Литература: [1, с. 80 – 81]; [4, с. 278 – 280].
Лабораторная работа 2
ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА
В СРЕДЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Цель работы: знакомство с особенностями, оборудованием и технологией полуавтоматической сварки в среде углекислого газа.
Материалы, оборудование, инструменты: полуавтомат марки ПДГ-312-1УЗ, сварочная проволока, пластины для наплавки.
О б щи е м е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я
Особенность полуавтоматической сварки в среде углекислого газа заключается в том, что электрическая дуга горит между го-
лой электродной проволокой и свариваемым металлом в среде углекислого газа, который оттесняет воздух из зоны сварки. В ин-
тервале высоких температур углекислый газ является активным окислителем, так как диссоциирует с образованием атомарного
кислорода: СО2 = СО + О. В результате, в сварочной ванне могут протекать следующие реакции:
С + О = СО, Fе + О = FеО, Mn + O = MnO, Si + 2O = SiO2.
Из этих реакций видно, что при сварке в углекислом газе происходит повышенное выгорание элементов, входящих в состав
основного металла: углерода, кремния, марганца и др.
Чтобы подавить реакции окисления, а также пополнить выгоревшие примеси, при сварке в углекислом газе применяют элек-
тродную проволоку, легированную марганцем и кремнием. Они восстанавливают железо из его закисей, при этом образовавшиеся
окислы марганца и кремния переходят в шлак:
FeO + Mn = MnO + Fe; 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe.
Сварка в среде углекислого газа – процесс высокопроизводительный – может выполняться во всех пространственных положе-
ниях и производится постоянным током обратной полярности. Переменный ток и постоянный ток прямой полярности не применя-
ются из-за недостаточной устойчивости процесса и неудовлетворительного качества и формы шва.
В углекислом газе сваривают в основном сварные конструкции из конструкционной углеродистой и низколегированной стали (га-
зопроводы, нефтепроводы, корпуса судов и химических аппаратов и т.п.).
Преимущества полуавтоматической сварки в среде углекислого газа с точки зрения ее стоимости и производительности по-
зволяют заменять ею ручную дуговую сварку качественными электродами.
Для сварки в углекислом газе применяется полуавтомат ПДГ-312-1УЗ (рис. 4), который предназначен для электродуговой
сварки проволокой марки Св-08Г2С по ГОСТ 2246–70 диаметром 1,0 … 1,4 мм в углекислом газе изделий из малоуглеродистой и
низколегированной стали.
1 – сварочный выпрямитель; 2 – подающий механизм; 3 – газоэлектрическая горелка; 4 – шланг;
5 – баллон с газом; 6 – газовый редуктор; 7 – подогреватель газа
Рис. 4 Схема полуавтомата для сварки в углекислом газе:
1
Подающий механизм предназначен для подачи электродной проволоки из кассеты через шланг в горелку. Проволока подается
парой роликов, один из которых – ведущий. Ведущий ролик приводится в движение электродвигателем типа КПА-563. Скорость
подачи проволоки изменяется в диапазоне 75 … 1000 м/ч.
Шланг 4 предназначен для подвода сварочного тока и электродной проволоки от подающего механизма к горелке.
Газоэлектрическая горелка 3 служит для подвода сварочного тока, электродной проволоки и углекислого газа непосредствен-
но к электрической дуге. На рукоятке горелки установлена пусковая кнопка для включения сварочного тока и двигателя подачи про-
волоки.
Газовая аппаратура включает в себя баллон с углекислотой, газовый редуктор 6 и подогреватель газа 7. Баллон предназначен
для хранения углекислоты (малый – 12 кг, большой – 25 кг) под давлением 15 МПа. Подогреватель предназначен для подогрева
углекислого газа, поступающего из баллона в редуктор с целью предупреждения замерзания клапанов при перепаде давления.
Редуктор предназначен для понижения давления газа до рабочего – 0,5 МПа и поддержания его постоянным в процессе свар-
ки.
Сварочный выпрямитель типа ВДГ-303-IУ3 служит источником питания сварочной дуги. При сварке в среде защитных газов
плавящимся электродом основными параметрами технологического режима являются: диаметр электродной проволоки Dэ в мм,
сварочный ток Iсв в амперах, напряжение на дуге Uд в вольтах, скорость сварки Vсв в м/ч, скорость подачи электродной проволоки
Vп.п. в м/ч, вылет электрода Lэ в мм, род тока и полярность. Диаметр электродной проволоки подбирают в зависимости от толщины
свариваемого металла по данным табл. 7.
7 Рекомендуемые диаметры электродной проволоки
для сварки в углекислом газе
Толщина
металла S, мм 0,6 … 1,0 1,2 … 2,0 3,0 … 4,0 5,0 … 8,0 9,0 … 12,0 13,0 … 18,0
