2.9. Содержание отчета по теме

При выполнении темы по разработке технологического процесса изготовления отливки в отчете должны быть отражены следующие вопросы:

характеристики изготавливаемой детали - наименование, габаритные размеры, наличие отверстий и выступов, масса, марка сплава, его химиче­ский состав, основные механические и технологические свойства сплава, количество производимых заготовок в год;

принцип проектирования чертежа отливки с выбором припусков на механическую обработку литейных уклонов и т.д.;

выбор и обоснование способа получения отливки, исходя из размеров и массы детали, ее конфигурации, усадки и программы выпуска;

описание состава литейной формы с расчетом необходимых элементов (габаритов опок, толщины стенок кокиля и т.д.), характеристика и размеры моделей, количество и размеры стержней, расчет литниковой системы и т.д.;

краткая характеристика плавильного агрегата, описание способа сбор­ки полуформ и заливки форм металлом, краткое описание методов контроля

качества отливок и способов устранения дефектов;

оценка эффективности выбранного способа изготовления и проектиро­вания отливки с помощью показателей КВГ, КМТ, КИМ.

Отчет иллюстрируется необходимыми схемами, эски­зами, формулами для расчета и должен иметь ссылку на литературный ис­точник в перечне использованной литературы.

3. Изучение процесса ручной дуговой

СВАРКИ СТАЛЕЙ ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

3.1. Физические основы образования сварного соединения

Сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления меж­атомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разно­родные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметалличе­скими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образова­нии прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверх­ностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инород­ных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облег­чающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным рассто­янием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздей­ствия. В результате поверхностные атомы металлов и кристал­лических неметаллических материалов образуют общие для сое­диняемых заготовок кристаллические решетки, а на поверх­ности пластмасс происходит объединение частей молекулярных цепей.

В зависимости от характера вводимой энергии все сварочные процессы (сварку, пайку, резку) можно отнести к термическим (Т), термомеханиче­ским (ТМ) и механическим (М) методам.

При термических методах сварки с помощью внешнего источника нагрева кромки расплавляются, образуя так называемую сварочную ванну. Расплавление металла способствует его объединению в единое целое.

После прекращения поступления теплоты к сварочной ванне (удаление источника теплоты или его отключение) происходит быстрое охлаждение и последующая кристаллизация расплавленного металла при максимальном теплоотводе в стенки ванны. Процесс кристаллизации заканчивается образо­ванием монолитного шва, который связывает свариваемые детали в единое целое.

Движущиеся под действием электрического поля электроны взаимодействуют с нейтральными молекулами паров и газов, в ре­зультате чего образуются положительные и отрицательные ионы и электроны. При этом дуговой промежуток из диэлектрика превра­щается в проводник.

Температура столба дуги зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катодного и анодного пятен приближается к температуре кипения металла электродов. Эти тем­пературы для дуги покрытого стального электрода составляют соответственно ~6000 и ~3000 К. При этом в анодной области дуги, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в катодной.

Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев и расплавление электрода и основного металла, часть ее теряется в результате теплоотдачи в окружающую среду.

Для обеспечения устойчивости горения сварочной дуги необ­ходимо, чтобы ее основные параметры (ток и напряжение) нахо­дились в определенной зависимости друг от друга. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (состояние установившегося равновесия) называют статической, или вольтамперной, характеристикой дуги (рис. 3).

Рис. 3. Статическая характери­стика дуги при

постоянных длине дуги и диаметре электрода

Кривую статичес­кой характеристики дуги можно разделить на три области. В обла­сти I увеличение тока до 80 а вызывает резкое падение напряжения на дуге. Дугу с падающей характеристикой практически не исполь­зуют в сварочной технике вследствие малой устойчивости. В обла­сти II статическая характеристика носит жесткий характер. Увели­чение тока от 80 до 800 а не изменяет напряжения дуги. Оно прак­тически остается постоянным. Это объясняется тем, что площадь сечения столба дуги и активных пятен растет пропорционально то­ку, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках этой области сохраняются постоянными. Для этой области напряжение на дуге не зависит от тока и его можно с достаточной точ­ностью выразить уравнением Фрелиха:

U_д = а + bl_д

где а — коэффициент, характеризующий суммарное падение напря­жения в катодной и анодной областях; для стальных электродов а = 10…12, для угольных или графитных а = 35…38; b — коэффи­циент, характеризующий падение напряжения на 1 мм длины стол­ба дуги; для воздушной среды

b = 2…2,5 в/мм; l_д —длина ду­ги, мм.

Таким образом, напряжение, необходимое для воз­буждения дуги, зависит: от рода тока (постоянный или переменный), длины дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, по­крытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обе­спечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2...4 мм, находятся в пределах 40...70 В.

Дугу с жесткой статической характеристикой очень широко при­меняют в сварочной технике. Область II характерна для электри­ческих дуг ручного и автоматического процессов.

Вольтамперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали (рис. 4) пред­ставлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика дуги

при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали

В области III (рис. 3) уве­личение тока в электроде приводит к повышению напряжения дуги. Это объясняется тем, что дальнейшее увеличение плотности тока в электроде выше достигнутого невозможно, так как площадь пятна на торце электрода становится равной площади этого торца.

Таким образом, дальнейшее повышение плотности тока, прохо­дящего через электрод, в данных условиях возможно только при повышении напряжения дуги. Этим и объясняется возрастающая форма статической характеристики дуги в области III. Дугу с воз­растающей статической характеристикой широко используют при сварке под флюсом и в защитных газах.

3.4. Характеристики источников сварочного тока

Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную внешнюю характеристику. Внешней характери­стикой источника называется зависимость напряжения на его вы­ходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характе­ристики могут быть следующих основных видов: падающая 1, пологопадающая 2, жесткая 3 и возрастающая 4 (рис. 5, а). Источник тока выбирают в зависимости от вольтамперной характеристики дуги, соответствующей принятому способу сварки.

Рис. 5. Внешние характеристики источников сварочного тока (а) и соотношение характеристик дуги и

падающей характеристики источника тока при сварке (б)

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяют источ­ники с падающей или пологопадающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в за­щитных газах неплавящимся электродом). Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристик дуги 6 и источника тока 1 (рис. 5, б). Точка С соответствует режиму устойчивого горе­ния дуги, точка А — режиму холостого хода в работе источника тока в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Режим холостого хода характеризуется повышенным напряжением (60…80 В). Точка D соответствует режиму короткого замыкания при зажигании дуги и ее замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание характеризуется малым напряжением, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током.

Источники сварочного тока с падающей характеристикой необ­ходимы для облегчения зажигания дуги за счет повышенного напря­жения холостого хода, обеспечения устойчивого горения дуги и практически постоянной проплавляющей способности дуги, так как колебания ее длины и напряжения (особенно значительные при руч­ной сварке) не приводят к значительным изменениям сварочного тока, а также для ограничения тока короткого замыкания, чтобы не допустить перегрева токоподводящих проводов и источников тока. Наилучшим образом приведенным требованиям удовлетворяет источ­ник тока с идеализированной внешней характеристикой 5 (рис. 5).

Для обеспечения устойчивости горения дуги с возрастающей характеристикой применяют источники сварочного тока с жесткой или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повы­шенной плотности).

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Источники переменного тока более распространены, так как обладают рядом технико-эконо­мических преимуществ. Сварочные трансформаторы проще в экс­плуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД, чем выпрямители и генераторы постоянного тока. Однако постоянный ток предпочтителен в технологическом, отношении: при его применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, появляется возможность вести сварку на прямой и обратной полярностях и т. д. Последнее вследствие большего тепловыделения в анодной области дуги позволяет проводить сварку сварочными материалами с тугоплавкими покрытиями и флюсами.

3.5. Процесс дуговой сварки

Ручную электродуговую сварку можно осуществлять металли­ческим (плавящимся) электродом, угольным электродом без защи­ты, a также угольным или вольфрамовым электродами в среде за­щитных газов.

Электро­ды после зажигания дуги перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 6) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем пла­вится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности распла­вленного металла.

Рис. 6. Схема процесса сварки ме­таллическим

покрытым электродом

Металлическая и шлаковая ванны вместе обра­зуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 2.

В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легиру­ющих элементов, например углерода, марганца, кремния, хрома и др., и насыщение расплавленного металла кислородом, азотом и водородом из окружающего воздуха. В результате возможно изменение состава сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом, а также понижение его механических свойств, особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие элементы и элементы-раскислители.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавлен­ного основного металла и протекает путем роста столбчатых кристал­литов к центру шва. Вследствие дендритной ликвации примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях может быть причиной образования горячих трещин.

Ручная дуговая сварка при­меняется главным образом в изде­лиях, имеющих короткие и преры­вистые швы, швы сложной конфи­гурации, т. е. там, где трудно или невыгодно применять автоматические методы сварки. Положительной сто­роной ручной сварки является возможность производить сварку в любом пространственном положении, что особенно важно для сварки в монтажных условиях.

К недостаткам ручной дуговой сварки относятся: трудности сварки тонкого материала (менее 1…2 мм), длительный срок обучения свар­щика высокой квалификации (1,0…1,5 г), большая зависимость качест­ва сварки от индивидуальных особенностей сварщика, малая произво­дительность.

Ручной дуговой сваркой можно сваривать стали, чугун, медь и медные сплавы. Естественно, что для каждого металла и его сплавов необходимо применять соответствующие электродные проволоки и покрытия.

3.6. Электроды для ручной дуговой сварки

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сва­рочной проволоки повышенного качества. Стандарт на стальную сварочную проволоку предусматривает 77 марок проволоки диа­метром 0,2…12 мм.

На электроды наносят специальные покрытия с целью:

1) создания шлаковой и газовой защиты расплавленного металла сва­рочной ванны (шлак защищает и капли металла в процессе перехода их с электрода в шов, обволакивая их);

2) раскисления наплавленно­го металла с помощью добавок в покрытие таких элементов, как Mn, Si, Ti, A1 в виде ферросплавов или чистых элементов;

3) легирования наплавлен­ного металла, что позволяет из­менять его химический состав, а также расширяет возможность получения требуемых свойств наплавленного металла;

4) улучшения стабильности горения дуги посредством вклю­чения в покрытие элементов с ма­лым потенциалом ионизации.