Малышев - Ручная дуговая сварка

ВВЕДЕНИЕ

Значительная роль в совершенствовании и  развитии народного хозяйства отводится  строительно-монтажным организациям и промышленности строительных материалов. Техническая реконструкция и перевооружение на базе новой техники многих отраслей промышленности, транспорта, сельского хозяйства, строительство жилых домов, развитие материальной базы, культурно-просветительных и спортивных  сооружений возможны только при активном участии  строителей. Для успешного выполнения этой работы  строительно-монтажные организации и предприятия  строительных материалов должны ежегодно пополняться квалифицированными рабочими кадрами  электросварщиков, подготовку которых проводят  профессионально-технические училища (ПТУ).

Сваркой называется процесс получения  неразъемных соединений посредством установления  межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и расплавлении или пластическом  деформировании. При дуговой сварке для нагрева и расплавления используют электрическую дугу, которую открыл в 1802 г. профессор физики Санкт-Петербургской  медико-хирургической академии В. В. Петров и указал на возможность ее применения для освещения и  плавления металлов. В 1881 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос применил электрическую дугу (рис. 1.1, а) для плавления и сварки металла неплавящимся, угольным электродом с дополнительной  присадочной проволокой. Неплавящимся электродом называют стержень из электропроводного материала, включаемый в цепь сварочного тока для подвода его к  сварочной дуге, и не расплавляющийся при сварке. Н. Н. Бенардос применил для этой цели угольный электрод, а присадочную проволоку употребил для заполнения зазора между свариваемыми деталями в качестве  присадочного металла. В 1888 г. инженер-изобретатель Н. Г. Славянов разработал и применил способ дуговой сварки металлическим электродом (рис. 1.1, б), при котором не требовалось дополнительного прутка, так как плавящийся электрод, включенный в сварочную цепь, подводил ток к дуге и, расплавляясь, заполнял зазор между соединяемыми частями как присадочный металл. Расплавленный дугой жидкий металл детали, электрода или присадочного прутка легко  смешивается, образуя общую ванночку. При ее охлаждении  металл затвердевает и укрепляются его межатомные связи. Сварным соединением называют неразъемное соединение, выполненное сваркой. Сварной шов — это участок сварного соединения, образовавшийся в  результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластического деформирования при  сварке давлением или сочетания кристаллизации и  деформации. На рис. 1.1, в показана схема сварки деталей пластическим деформированием путем их сжатия на прессе (кромки деталей предварительно нагреты в  печи). Некоторые пластические металлы (медь, алюминий и др.) сваривают пластическим деформированием без предварительного нагрева.

Дуговая сварка обладает значительным  преимуществом по сравнению с ранее применявшимся в  строительстве соединением частей конструкций при помощи клепки: уменьшается расход металла, повышается производительность труда, сокращаются сроки  строительства и его стоимость. Развитию процесса сварки уделяется большое внимание. 

Научно-исследовательские институты и лаборатории высших учебных  заведений и заводов работают над усовершенствованием сварки. Эту работу возглавляет Институт  электросварки им. Е. О. Патона, добившийся значительных успехов в создании новых типов сварочного  оборудования и видов сварки. Ежегодно пополняются кадры инженеров, техников и рабочих-сварщиков,  заканчивающих обучение в институтах, техникумах и производственно-технических училищах. В  строительно-монтажных организациях большим почетом и уважением пользуются рабочие-электросварщики, большая часть которых занята ручной дуговой сваркой. Механизация процесса сварки в строительстве затруднена  вследствие необходимости выполнения большого количества сварных швов в разных местах строительной  конструкции, в неудобных и различных пространственных положениях, поэтому ручная сварка еще надолго  останется одним из важных и ответственных  технологических процессов при сооружении объектов строительства и реконструкции народного хозяйства страны.

После окончания ПТУ и получения квалификации сварщика ручной дуговой сварки, работая на заводе строительных материалов или на строительстве,  сварщику предстоит выполнять разнообразную работу по ручной дуговой сварке элементов строительных  конструкций — колонн, ферм, резервуаров, опор, сосудов, арматуры железобетона и множество других  конструкций из стали, цветных металлов и их сплавов. При ремонте оборудования потребуются сварка чугунных деталей и наплавка твердых сплавов. Сварщик должен знать физическую сущность отдельных видов сварки, технологию и технику их выполнения для образования сварных соединений требуемого качества. Он должен также знать аппаратуру и технологию плазменной и воздушно-дуговой и подводной резки металлов и уметь применять ее на практике после сдачи соответствующих испытаний. Поэтому программой подготовки сварщиков предусмотрен, помимо практических занятий, на проведение которых отводится большая часть учебного времени, также курс теоретических  занятий по основам сварочного дела.

Программой подготовки сварщиков в ПТУ предусмотрена подготовка электросварщиков ручной дуговой сварки 3—4 разрядов. Сварщик 3-го разряда  должен знать устройство электросварочного оборудования, свойства и значения электродных покрытий и защитных газов, сортамент и маркировку применяемых основных и сварочных материалов, требования к сварным швам, причины возникновения сварочных  напряжений и деформаций и методы их предупреждения, основные виды контроля качества сварных швов и  нормы расхода сварочных материалов; кроме того, он должен знать основы экономики труда и работы по бригадному подряду, правила охраны труда,  пожарной безопасности, внутреннего распорядка и гигиены труда. Он должен уметь выполнять работы по ручной дуговой и аргонодуговой сварке различных металлов и конструкций, уметь наплавлять изношенные детали и производить воздушно-дуговую резку и строжку  металлов.

К сварщику 4-го разряда, кроме того, предъявляются дополнительные требования: он должен знать основные законы электротехники, способы испытания сварных швов, особенности сварки и  воздушно-дуговой резки на постоянном и переменном токе, механические свойства свариваемых металлов и сварных швов, должен уметь подобрать режим сварки по приборам и читать чертежи сварных конструкций. 

Дополнительно к требованиям, предъявляемым к сварщикам 3-го разряда, он должен уметь выполнять работы по сварке конструкций и трубопроводов из  конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов, сваривать детали из чугуна, наплавлять сложные детали и  инструмент, выполнять воздушно-дуговую резку и строжку деталей из различных металлов во всех  пространственных положениях.

Программа трехгодичного обучения в ПТУ предусматривает сочетание теоретических и практических занятий учащихся, а также попутное прохождение  общеобразовательного цикла.

В учебнике даны основные сведения по ручной дуговой сварке, которые необходимо знать будущему сварщику в соответствии с программой теоретической подготовки.

Высокая теоретическая подготовка сварщиков, работающих в условиях бригадного хозяйственного расчета, будет способствовать развитию творческой инициативы рабочих, укреплению производственной дисциплины и повышению производительности труда.

Книга написана коллективом авторов: глава 25 И. Г. Гетия, остальные главы — В. И, Мельником при участии Б. Д. Малышева.

ГЛАВА 1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ И РЕЗКИ

1.1. Сущность процесса сварки

Соединяемые сваркой металлы, пластмассы и другие материалы, как известно, состоят из атомов, размещенных в определенном порядке и скрепленных  между собой силами межатомного взаимодействия.

Поверхности каждого из соединяемых частей имеют свободные атомные связи, способные захватывать атомы или молекулы другой части. На рис. 1.2, а  схематично показаны монокристаллы соединяемых частей металла с внутренними  и поверхностными 2 атомами.

Если соединяемые монокристаллы имеют идеально чистую и гладкую поверхность, то, сблизив их на расстояние действующих межатомных сил, казалось бы можно получить неразъемное соединение (рис. 1.2,6). Однако это приведет к снижению свободной энергии

системы атомов и поэтому потребует затраты дополнительной энергии активации. Энергия активации—энергия, необходимая для возбуждения поверхностных атомов, при котором происходят нарушение исходного энергетического состояния и переход в новое устойчивое энергетическое состояние, т. е. соединение частей.

На практике такого рода соединения для твердых металлов без дополнительного воздействия каких-либо источников энергии неосуществимы. Это объясняется большой твердостью большинства металлов, наличием окисной пленки и загрязнений на соединяемых  поверхностях и невозможностью, несмотря на хорошую обработку шлифованием, сближения металлических частей на расстояние действующих межатомных сил. 

Самопроизвольное соединение и смешивание возможны только для однородных жидкостей, у которых облегчено сближение атомов с образованием новых межатомных связей. Для соединения же металлов требуется приложение энергии. Металлы малой твердости  (свинец, олово и др.) соединяют сдавливанием  сравнительно небольшим усилием. Для более твердых металлов, как, например, медь к алюминий, это усилие  значительно растет, и процесс такого соединения  становится неэффективным, а иногда — невозможным. Многие металлы можно сваривать давлением при нагреве соединяемых кромок, которые приобретают пластичность и под влиянием пластической деформации начинают течь и соединяться подобно жидкостям.

Дуговая сварка плавлением при помощи электрической дуги или других источников тепловой энергии широко распространена благодаря простоте соединения частей металла путем местного расплавления соединяемых поверхностей. Расплавление основного и присадочного металла облегчает их физические контакты, обеспечивает подобно жидкостям смешивание металлов в жидкой сварочной ванне, одновременно удаляя оксиды и другие загрязнения. Происходят металлургическая обработка расплавленного металла и его затвердевание, образуются новые межатомные связи. В кристаллизуемом металле образуется сварной шов (рис. 1.2, в). Свойства сварного шва и соединения в целом регулируются технологией расплавления  металла, процессом его обработки и кристаллизации. Взаимная растворимость в жидком состоянии и  образование сварного шва характерны для однородных металлов, например для стали, меди, алюминия и др.

Более сложным оказывается соединение разнородных материалов и металлов. Это объясняется большой разницей их физико-химических свойств: температуры плавления, теплопроводимости и др., а также  несходством атомного строения. Некоторые металлы,  например железо и свинец и др., не смешиваются при  расплавлении и не образуют сварного соединения; другие — железо и медь, железо и никель, никель и медь хорошо смешиваются при сварке и образуют твердые растворы. Для соединения металлов, не поддающихся смешиванию при расплавлении, применяют особые виды сварки и методы ее выполнения.

1.2. Классификация сварки

Сварка классифицируется в первую очередь по физическому признаку — форме энергии, используемой для образования сварного соединения. Для сварки используют три формы энергии: термическую, термомеханическую и механическую, и аналогично этому называют классы сварки. К термическому классу  относят все виды дуговой, газовой, электрошлаковой, плазменной, электронно-лучевой, лазерной, термитной и световой сварки.

К термомеханическому классу относят все виды контактной, диффузионной, высокочастотной и  кузнечной сварки.

К механическому классу относят холодную, ультразвуковую, магнитно-импульсную сварку и сварку  трением и взрывом.

Многие из указанных видов сварки в свою очередь подразделяются по различным техническим и технологическим признакам, например подразделение дуговой сварки по техническим признакам производится в  зависимости от способа защиты металла в зоне сварки, от степени механизации видов дуговой сварки, от  непрерывности процесса и т. п. Подразделение дуговой сварки по технологическим признакам производится в зависимости от формы сварного соединения, рода и полярности сварочного тока, вида плавящегося или неплавящегося электрода, характера воздействия дуги на металл и т. п, Аналогично подразделяются по  указанным признакам контактная, газовая и  электрошлаковая сварка. Такое подразделение процесса сварки предусмотрено ГОСТ 2601—84 и др.