Ручная дуговая сварка металлическим электродом с защитным покрытием.

Способ ручной дуговой сварки (РДС) целесообразно применять для соединения короткими швами в различных пространственных положениях деталей из листа и профиля (уголок, швеллер, двутавр и др.), литых и кованных заготовок.

Простота способа и применяемого оборудования, высокое качество соединений, возможность выполнения сварки в труднодоступных местах делают РДС одним из самых распространенных способов (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема процесса ручной дуговой сварки электродом с защитным покрытием:

• 1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — дуга;
• 4 — электрод; 5 — сварной шов; 6 — электрододержатель

Рациональный диапазон соединяемых толщин составляет 1,0— 5,0 мм, однако максимальная толщина может быть значительно увеличена за счет выполнения многослойных швов.

Основными недостатками данного способа являются низкая производительность, потери сварочного материала на разбрызгивание и огарки, зависимость качества сварного соединения от практических навыков сварщика.

РДС широко используется при изготовлении опорных каркасов скульптурных произведений из гипса, соединения фрагментов металлической скульптуры и др. Например, скульптор Л. Л. Берлин создал серию произведений — «Двое», «Ангел» и др., в которых металлические фрагменты из низкоуглеродистой стали — профиль, лист, пруток толщиной 2,0—6,0 мм, а также шестерни различного размера, втулки и др. соединены ручной дуговой сваркой.

В скульптурной композиции «Кентавр», выполненной А. С. Григорьевым (рис. 3.3) из низкоуглеродистой стали с помощью РДС, дуга использовалась автором как для раскроя заготовок из листового материала, так и для сварки.

Рис. 3.3. «Кентавр». Автор: А. С. Григорьев

В парковой скульптурной композиции А. С. Иванова «Олени», выполненной из листовой стали толщиной 1,0—1,5 мм, раскрой заготовок выполнен режущим инструментом, а технологический процесс состоит из таких фаз, как раскрой заготовок, формообразование (выколотка, гибка), прихватка подсборки и сварка непрерывным швом ручной дуговой сваркой электродом с защитным покрытием, обработка шва (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Этапы изготовления скульптуры:

а — раскрой; б — прихватка подсборки, сварка; в — обработка шва

Умение сварщика зажигать дугу и поддерживать постоянное расстояние от торца электрода до поверхности сварочной ванны, умение перемещать сварочную ванну по стыку и управлять ее формой и размерами, заваривать кратер позволяют получать качественные сварные соединения.

Высокая квалификации сварщика необходима при сварке швов в положениях, отличающихся от нижнего, — потолочных, вертикальных и горизонтальных на вертикальной плоскости. В этих случаях под действием сил тяжести возможно вытекание расплавленного металла из сварочной ванны. Рекомендуется вести сварку наиболее короткой дугой с поперечными колебаниями. Поскольку расплавленный металл в сварочной ванне от вытекания удерживается силой поверхностного натяжения, следует уменьшать размер сварочной ванны. Электрод периодически отводят от ванны, обеспечивая возможность частичной кристаллизации. Ширину валиков также уменьшают до двух-трех диаметров электрода. Применяют пониженную на 10—20 % силу тока и электроды уменьшенного диаметра (для вертикальных и горизонтальных швов — не более 5 мм, для потолочных — не более 4 мм).

Выполнение швов в потолочном положении отличается наибольшей сложностью и его, по возможности, следует избегать. Расплавленный электродный металл вносится в сварочную ванну снизу вверх. Ухудшаются условия удаления — всплывания из расплавленного металла сварочной ванны шлаков и газов. В результате свойства металла шва ниже, чем при сварке в других пространственных положениях. Периодические зажигания дуги используются также для декорирования наплавкой поверхности изделия (рис. 3.5).

Устойчивость процесса РДС и высокое качество соединений обеспечиваются за счет:

• а) применения электродов, состав покрытия и стержня которых выбраны в соответствии с техническими требованиями и маркой свариваемого металла;
• б) применения источников питания сварочной дуги постоянным током с падающей характеристикой;
• в) выбора рациональных режимов сварки, условий сборки и подготовки поверхности деталей.

Электрическая дуга, как источник тепла при сварке, характеризуется высокой температурой, достигающей (6 -г- 8) • 10³ градусов в дуговом промежутке и плотностью мощности на поверхности металла (4 -ь 5) • 10⁵ Вт/см², что обеспечивает плавление любых металлов и сплавов. Устойчивое горение дуги обусловлено возбуждением и ионизацией молекул и атомов газа в столбе дуги, а также термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией.

Для повышения устойчивости горения в состав электродных покрытий вводят соли щелочных и щелочноземельных металлов, увеличивающих проводимость дугового промежутка. Расстояние от торца плавящегося электрода электрода до активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Горение дуги при РДС сопровождается плавлением электрода — металлического стержня и покрытия, которое представляет собой смесь металлических и неметаллических компонентов, закрепленных на стержне с помощью связующего. Кроме стабилизации горения, покрытие:

• — обеспечивает защиту зоны плавления от газов окружающей атмосферы (азота, кислорода и др.);
• — обеспечивает металлургическую обработку металла шва (легирование, раскисление, рафинирование и др.);
• — улучшает формирование сварного шва.

Рис. 3.5. «Возвращение блудного сына». Автор: 0. Н. Гаркушенко

Защита плавящегося металла при сварке электродами с защитным покрытием называется газошлаковой, так как оттеснение воздуха от зоны плавления производится газообразующими компонентами покрытия, а жидкий шлак на поверхности сварочной ванны предотвращает контакт с газовой фазой. В газовой атмосфере присутствуют также пары основного и электродного металлов и легирующих элементов. Образующийся в результате кристаллизации жидкого металла шов сварного соединения состоит из расплавленного основного и присадочного — электродного металла. Состав металла шва, выполненного за один проход, можно определить по долевому участию основного металла и присадки. Расчет и выбор режимов РДС, обеспечивающих получение сварных швов заданных размеров и формы, предусматривает определена ние диаметра электрода, силы сварочного тока, напряжения дуги, рода тока, полярности, числа проходов.

Диаметр электрода D₃ при сварке низкоуглеродистых сталей определяют в зависимости от толщины листов стыкового соединения или катета угловых швов (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Диаметр электрода

Величину сварочного тока определяют приближенно по формуле

причем величину параметра К находят по табл. 3.3.

Таблица 3.3

Величина параметра К

Напряжение дуги и род тока зависят от состава покрытия и определяются на основании рекомендаций паспорта на электрод.

Число проходов рассчитывают в тех случаях, когда толщина свариваемого металла не позволяет получить необходимое сечение шва за один проход, причем сечение одного прохода составляет (6-^8)- D₃ (мм²).

Например, для электрода диаметром 3 мм площадь сечения одного прохода составляет около 20 мм² при сварке в нижнем положении.

В зависимости от формы и размеров изделия швы можно сваривать в различных пространственных положениях: нижнем, наклонном, вертикальном, потолочном и горизонтальном на вертикальной плоскости. Сварка швов в положениях, отличающихся от нижнего, требует повышенной квалификации сварщика в связи с возможным вытеканием расплавленного металла из сварочной ванны и падением капель электродного металла мимо шва. В этом случае сварку ведут по возможности короткой дугой. Известно, что расплавленный металл в сварочной ванне удерживается в основном силой поверхностного натяжения. Уменьшая размер ванны и периодически отводя электрод, обеспечивают возможность кристаллизации металла шва без вытекания. Этому способствует применение электродов меньшего диаметра и уменьшение величины сварочного тока.

Одним из характерных дефектов формирования шва при РДС является прожог, возникающий, как правило, в стыковых соединениях при сварке на весу тонколистовых изделий (толщина листа 0,5—1,5 мм). С целью предотвращения возможности образования дефекта применяют остающиеся подкладки от медных формирующих подкладок и др. В случае если возможен подход к обратной стороне шва, целесообразна подварка корня швом небольшого сечения с последующей укладкой основного шва.

Скульптурные композиции из низкоуглеродистой стали обычно выполняют по следующей технологической схеме.

• 1. Разметка листовых заготовок в соответствии с формой изделия.
• 2. Раскрой заготовок с помощью электродов. Его следует производить на токах, превышающих сварочный на 50—75 %, выбирая соответствующий диаметр электрода (см. табл. 3.2).
• 3. Придание формы заготовкам гибкой, выколоткой и т. п.
• 4. Подготовка кромок и контроль формы с целью определения сборочных зазоров.
• 5. Прихватка. Выполняется короткими швами в зависимости от толщины свариваемых деталей.
• 6. Контроль формы и правка заготовки изделия или подсборки.
• 7. Сварка изделия или подсборки на оптимальных режимах.
• 8. Контроль качества сварных соединений.
• 9. Обработка поверхности сварных швов (в зависимости от требований к изделию).
• 10. Контроль качества готового изделия.

Количество и содержание операций следует корректировать в зависимости назначения, ответственности, сложности, экономических требований и других характеристик изделия.

Для выполнения операций ручной дуговой сварки покрытыми электродами необходимо рабочее место, оборудованное в пожаробезопасном помещении. В состав рабочего места входят: рабочий стол — металлическая плита, на которой закрепляют свариваемые элементы и производят прихватку и сварку; система вытяжной вентиляции для убирания сварочных аэрозолей из зоны дыхания; источник питания дуги — сварочный трансформатор или выпрямитель и токоподводы, электрододержатель, заземление стола, маска с защитными стеклами, приспособления и инструменты для сборки и обработки швов.

Например, современные столы сварщика серии СС (СС-1, СС-1-1,...) имеют эргономичное расположение рабочей плиты, комплектуются дымоулавливающим устройством и имеют следующие характеристики:

размеры рабочей плиты — 940 х 800 — 1200 х 800 мм;

высота плиты над уровнем пола — 750 мм;

масса свариваемого изделия — 63—100 кг;

объем отсасываемого воздуха — 1200 м³/ч;

габаритные размеры — 1175 х 1360 х 1800.

Промышленные предприятия России и зарубежные производители выпускают десятки различных типов источников питания для сварки покрытыми электродами. Наилучшими с точки зрения стабильности горения дуги являются инверторные выпрямители. Например, современным профессиональным источником, способным удовлетворить широкий диапазон запросов при изготовлении сварных конструкций, является ДС 250.33. Его основные характеристики: потребляемая мощность (не более) — 15 кВА; плавнорегулируемый сварочный ток — 25—250 А; номинальный режим работы при +20 °С — 100 %; масса — 29 кг.

Источник обеспечивает точность задания сварочного тока до 1 А, снабжен системой легкого возбуждения дуги и уменьшения «залипа- ния» электрода.

Выпускают также выпрямители серии ВД (ВД-306Д, Дуга-318МА, ВД-313 и др.), а также сварочные трансформаторы серии ТДМ (ТДМ-140 и др.).

Из зарубежных источников можно назвать Idealarc 250, R3R 500-1, Invertec V140-S, Genesis 1100, Genesis 145 и многие другие.

Основным расходным материалом при ручной дуговой сварке являются электроды с защитным покрытием, для правильного выбора которых необходимо учитывать свойства свариваемого металла, технические требования к сварному соединению и экономические характеристики. На рынке сварочных материалов представлены десятки марок электродов, выпускаемых различными производителями. Ориентируясь на марку электрода и его обозначение по стандарту, можно составить представление о характеристиках электрода.

Предприятия России выпускают электроды общего назначения (ОЗС-З, ОЗС-4, ОЗС-12, МР-3, УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, ВСЦ-4М и др.), электроды специального назначения (ЦУ-5, ЦЛ-39, НИАТ-ЗМ и др.), электроды для сварки разнородных сталей (ОЗЛ-6, ИМЕТ-10, ЦТ-28 и др.), для сварки высоколегированных сталей (ОЗЛ-8, НЖ-13, ЦТ-15, ГС-1 и др.), для наплавки (ОЗН-ЗООМ, ЭН-60М, ОЗШ-З, и др.), для резки (ОЗР-1, ОЗР-2), для сварки цветных металлов (ОЗА-1, ОЗБ-2М, АНЦ/ОЗМ-З, 03Л-32 и др.), а также для сварки и наплавки чугуна (ЦЧ-4,ОЗЧ-6, МНЧ-2 и др.).

Электроды общего назначения марки ОЗС-12 применяют для сварки ответственных конструкций из углеродистых сталей с временным сопротивлением до 450 МПа во всех пространственных положениях переменным и постоянным током прямой полярности. Допускают сварку по окисленной поверхности, обеспечивают легкое зажигание и стабильное горение дуги. Позволяют выполнять сварку на предельно низких токах, а для электродов малого диаметра — от источников питания, включаемых в бытовую электросеть. Расход электродов на 1 кг наплавленного металла — 1,7 кг, производительность наплавки — 1,2 кг/ч (для диаметра 4 мм).

Электроды ОЗА-1 для сварки конструкций из алюминия обеспечивают получение швов с временным сопротивлением 70 МПа, угол изгиба сварного соединения до 170°, металл шва обладает хорошей коррозионной стойкостью. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности («минус» на детали) в нижнем положении с подогревом свариваемого изделия до 250—400 °С. Электроды АНЦ/ОЗМ-З применяют для сварки и наплавки изделий из меди и низколегированных сплавов на основе меди, а также для сварки меди со сталью. Металл шва имеет временное сопротивление разрыву 200 МПа, относительное удлинение — 31 %, электропроводность — не менее 60 % чистой меди.

Электроды ОЗБ-2М используются для сварки и наплавки бронз, в основном оловянисто-фосфористых и используемых в художественном литье.

Возможна сварка латуней. Перед сваркой тщательно очищают кромки от оксидов и загрязнений. Металл шва имеет временное сопротивление разрыву 340 МПа, относительное удлинение — 10 %. Сварку ведут постоянным током обратной полярности в различных положениях. В вертикальном положении производительность наплавки — 2,1 кг/ч, расход электродов — 1,4 кг на 1 кг наплавленного металла; в потолочном положении производительность наплавки — 0,7 кг/ч, расход электродов — 2,0 кг на 1 кг наплавленного металла; в нижнем положении производительность наплавки — 4,6 кг/ч, расход электродов — 1,8 кг на 1 кг наплавленного металла.