Сварка самозащитной порошковой проволокой (FCAW-SS) — Сварка и контроль

1. Современное состояние технологии

Сваркой называется технологический
процесс получения неразъемных соединений
посредством установления межатомных
связей.

Сварку классифицируют по следующим
признакам:

-физическим – форма энергии, используемая
для образования сварного соединения
определяет класс сварки (плавление, давление),
вид источника энергии, непосредственно
применяемого для образования сварного
соединения, определяется видом сварки;

-техническим – способ защиты металлов
в зоне сварки; непрерывность процесса
сварки; степень механизации процесса
сварки;

-технологическим – устанавливают для
каждого вида сварки отдельно.

Для восстановления деталей машин и механизмов
наиболее эффективными видами сварки
(наплавки) являются:

-сварка плавлением: дуговая (покрытым 
электродом, под флюсом, в среде 
защитных газов, порошковой проволокой);
электрошлаковая; электроннолучевая;
литейная; термитная; индукционно-металлургическая;
газовая; газопорошковая.

Технический прогресс в промышленности
неразрывно связан с постоянным совершенствованием
сварочного производства. сварка, наплавка,
напыление, упрочнение и резка металлов
являются основными технологическими
процессами при ремонте и восстановлении
деталей машин и механизмов.

Доля сварочно-наплавочных работ при
ремонте деталей подвижного состава составляет
40%. в настоящее время разработан ряд эффективных
технологий, позволяющих восстанавливать
и упрочнять изношенные поверхности, заваривать
трещины деталей из различных металлов
и сплавов.

Вопросы теории

Сущность способа сварки порошковой
проволокой. порошковая проволока представляет
собой непрерывный электрод трубчатой
или другой, более сложной конструкции
с порошкообразным наполнителем – сердечником.
сердечник состоит из смеси минералов,
руд, ферросплавов металлических порошков,
химикатов и других материалов. назначение
различных составляющих сердечника подобно
назначению электродных покрытий – защита
расплавленного металла от вредного влияния
воздуха, раскисление, легирование металла,
связывание азота в стойкие нитриды, стабилизация
дугового разряда и др. составляющие сердечника
должны, кроме того, удовлетворять общепринятым
требованиям, предъявляемым ко всем сварочным
материалам: обеспечивать хорошее формирование
швов, легкую отделимость шлаковой корки,
провар основного металла, минимальное
разбрызгивание металла, отсутствие пор,
трещин, шлаковых включений и других дефектов,
определенные механические свойства швов
и сварных соединений и т.д.

Порошковые проволоки используются для
сварки без дополнительной защиты зоны
сварки, а также для сварки в защитных
газах, под флюсом, электрошлаковой. проволоки,
используемые для сварки без дополнительной
защиты, называются самозащитными. входящие
в состав сердечника таких проволок материалы
при нагреве и расплавлении в дуге создают
необходимую шлаковую и газовую защиту
расплавленного металла. в настоящее время
наибольшее распространение получили
порошковые проволоки для сварки в углекислом
газе и самозащитные порошковые проволоки.

В зависимости от диаметра и состава
порошковой проволоки сварка может осуществляться
во всех трех пространственных положениях.

Схема процесса сварки самозащитной
порошковой проволокой со свободным формированием
шва приведена на рис. 1. электрическая
дуга возбуждается между оболочкой 1 порошковой
проволоки и основным металлом 10. за счет
тепла, выделяемого в дуге, плавятся оболочка
и сердечник 2 проволоки. расплавившийся
металл оболочки и сердечника образует
на торце проволоки капли 3, которые растут
и переносятся в сварочную ванну 5. при
расплавлении минералов, руд и химикатов,
входящих в состав сердечника, образуется
шлак 6, покрывающий тонким слоем
капли и сварочную ванну. дуга 4 горит между
каплей или оболочкой и сварочной ванной.
при разложении карбонатов и органических
материалов сердечника’ выделяются газы
9, которые защищают расплавленный металл
от воздуха.

Рис.
2.1. схема процесса сварки садозащитной
порошковой проволокой

Рис. 2.2. схема процесса сварки порошковой
проволокой в углекислом газе: 1 – проволока;
2 – токоподвод; 3 – сопло; 4 – углекислый газ

При удалении дуги жидкий металл сварочной
ванны кристаллизуется, образуя сварной
шов 7, покрытый слоем затвердевшего шлака 8.

Порошковая проволока может использоваться
также для сварки с принудительным формированием
(рис. 3).

Рис. 2.3. схема электродугового процесса
сварки с принудительным формированием
порошковой проволокой: а) – в углекислом
газе; б) – открытой дугой; 1) – порошковая
проволока; 2) – свариваемый металл; 3) – шлак;
4) – ползуны; 5) – сварочная ванна; 6) – шов

Классификация сварочных порошковых
проволок. порошковые проволоки могут быть классифицированы
по назначению, способу защиты металла
от влияния воздуха, типу сердечника, механическим
свойствам металла шва.

Назначение проволоки определяется классом
свариваемого металла. порошковые проволоки
применяются для сварки малоуглеродистых
и низколегированных конструкционных
сталей, легированных сталей, чугуна, цветных
металлов и сплавов. наиболее широкое
распространение получили проволоки для
сварки малоуглеродистых и низколегированных
сталей.

По способу защиты порошковые проволоки
делятся на два вида:

) самозащитные;

) для сварки с дополнительной 
защитой газом или флюсом.

В зависимости от состава сердечника
проволоки, применяющиеся в нашей стране,
можно разделить на пять типов – рутил-органические,
рутиловые, карбонатно-флюоритные, рутил-флюоритные,
флюоритные.

Сердечник проволоки рутил-органического
типа состоит в основном из рутилового
концентрата и алюмосиликатов (полевой
шпат, слюда, гранит и др.)

В качестве раскислителей используется
ферромарганец, а газообразующими материалами
служат крахмал или целлюлоза. проволоки
с сердечником рутил-органического типа
используются как самозащитные.

В состав сердечника проволок рутилового
типа входят в основном рутиловый концентрат,
алюмосиликаты и руды. раскислителями
служат ферромарганец, ферросилиций, ферротитан,
ферроалюминий. проволоки с сердечником
рутилового типа используются с дополнительной
защитой углекислым газом.

В сердечник проволоки карбонатно-флюоритного
типа вводят в качестве газообразующих
материалов карбонаты кальция, магния,
натрия. в качестве шлакообразующих материалов
используют рутиловый концентрат, алюмосиликаты,
окислы щелочноземельных металлов, флюоритовый
концентрат. раскисляют металл ферромарганцем,
ферросилицием. для дополнительного раскисления
металла и связывания азота в нитриды
в сердечник проволок этого типа иногда
вводят титан и алюминий. проволоки с сердечником
карбонатно-флюоритного типа чаще всего
используют как самозащитные, но применяют
и в сочетании с дополнительной защитой
углекислым газом.

В состав сердечника проволок рутил-флюоритного
типа входят в основном рутиловый и флюоритовый
концентраты, в качестве шлакообразующих
иногда вводят окислы щелочноземельных
металлов, алюмосиликаты. раскислителями
служат ферромарганец и ферросилиций.
проволоки с сердечником этого типа применяются,
как правило, с дополнительной защитой
углекислым газом.

Сердечник проволок флюоритного типа
в основном состоит из флюоритового концентрата,
в небольших количествах вводят окислы
щелочноземельных металлов. для раскисления
металла применяют ферромарганец, алюминий,
магний. алюминий также связывает азот
металла сварочной ванны в нитриды. проволоки
с сердечником флюоритного типа используются
как самозащитные.

В сердечники проволок всех типов с целью
увеличения производительности сварки
и придания благоприятных сварочно-технологических
свойств вводят железный порошок.

Классификация проволок по механическим
свойствам наплавленного металла пока
еще не утверждена. обычно по этому признаку
свойства швов, выполненных порошковыми
проволоками, сравнивают со свойствами
швов, выполненных электродами различных
типов, регламентированных гост ом 9467-60.

Рис. 2.4. конструкции порошковой проволоки

Рис. 2.4. конструкции порошковой проволоки

Конструкции порошковых проволок. из
применяющихся конструкций порошковых
проволок (рис. 4) наиболее распространены
проволоки трубчатой конструкции (а, б, в). введение части
оболочки внутрь сердечника (г, д, е, ж, з)обеспечивает
более равномерное плавление его и более
эффективную защиту металла от воздуха.

3. Состав, структура и 
свойства основного и присадочного 
материала

.1 основной материал

Таблица 3.1 химический состав стали ст3гпс

Углерод0.14-0.22%,Кремний<0.15%,Марганец0,8-1.1%Сера<0.050%Фосфор<0.040%Хором<0.030%Никель<0.030%Медь<0.030%Мышьяк<0.080%Азот<0.010%

Гост 14637-89. назначение, листовой прокат
толщиной от 10 до 36 мм – для несущих элементов
сварных конструкций, работающих при переменных
нагрузках и температурах от – 40 до 425°с;
толщиной свыше 30 мм – для несущих элементов
сварных конструкций, работающих при переменных
нагрузках и температурах от – 20 до 425°с;
для ненесущих элементов сварных конструкций,
работающих при температурах от – 40 до
425°с, при условии заказа и поставки с
гарантируемой свариваемостью.

Таблица 3.2. механические свойства стали
ст3гпс

Толщина прокатадо 20 мм;временное сопротивление
разрывуgв=370-490 н/мм2;предел текучестиgт=
245 н/мм2;относительное удлинениеgs= 26%;ударная
вязкость, кгс м /см2 при температуре: 209,1-199
дж /см2;-4026-113 дж /см2;3.2 присадочный материал

Порошковые проволоки классифицируют
по следующим основным признакам: назначению,
способу защиты расплавленного металла
от воздуха, составу сердечника и механическим
свойствам металла шва. в зависимости
от диаметра, конструкции, состава проволок,
их сварочно-технологических характеристик
порошковые проволоки могут быть предназначены
для сварки сталей, цветных металлов и
их сплавов, чугуна и т.д.

К самозащитной порошковой проволоке
предъявляется ряд требований, от выполнения
которых зависит возможность ее широкого
производственного применения. это – обеспечение
высокой производительности процесса,
широкого диапазона рабочих режимов сварки,
хорошего формирования швов и отделимости
шлаковой корки, малых потерь металла
на разбрызгивание, высоких механических
свойств металла шва, приемлемых санитарно-гигиенических
характеристик, стойкости против образования
дефектов – пор, трещин, шлаковых включений
и т.д. к самозащитным проволокам относятся
марки пп-1дск, пп-2дск, пп-ан1, пп-анз, пп-ан7,
пп-ан11, пп-ан17, пп-ан19, сп-2, пп-2вдск.

Самозащитные порошковые проволоки рекомендуется
применять для сварки на открытых монтажных
площадках и в полевых условиях.

В соответствии с рекомендациями выбираем
сварочную проволоку пп-ан17.

Таблица 3.3. химический состав сварочной
проволоки пп-ан17

Углерод 0.090.12%марганец 0.81.4%кремний 0.20.5%

Пп-ан17 – для сварки швов во всех пространственных
положениях. в проволоке этой марки отсутствуют
гигроскопичные материалы. при плавлении
образуется шлак с хорошими физическими
свойствами, препятствующий стеканию
металла с вертикальной плоскости. это
позволяет выполнять сварку вертикальных
швов способом сверху – вниз.

Технологический процесс

.1 расчет режимов сварки

Целесообразность предварительного
подогрева определяется по углеродному
эквиваленту, рассчитывается по формуле
4.1:

(4.1)

Где – с, p, сr, mn, cu, ni – содержание соответствующего
химического элемента, %,

S – толщина свариваемого металла,
мм.

Если сэ < 0,8, сварку можно выполнять
без предварительного подогрева основного
металла. если же сэ > 0,8, возможно возникновение
трещин в зоне термического влияния, необходим
подогрев. рассчитаем углеродный эквивалент
для стали 40х, определив нужен ли подогрев
по формуле 1.

Следовательно, сэ = 0,407 < 0,8, то сварку
выполним без подогрева основного металла.

Вероятность появления при сварке горячих
трещин можно по показателю уилкинсона:

H.c.s = (4.2)

Тогда:

H.c.s =

Для механизированной сварки открытой
дугой без дополнительной защиты зоны
сварки применяют специальные порошковые
проволоки, представляющие собой гибкую
стальную трубку диаметром 1,0 3,2 мм с заполненной
сердцевиной порошкообразным флюсом,
который используется как для защиты зоны
сварочной дуги и ванны от воздействия
кислорода воздуха, так и для легирования
металла шва и его раскисления.

Наиболее широкое применение в россии
для сварки нашли проволоки марок пп-ан1,
пп-анз и проволоки пп-ан4, пп-ан17.

Порошковые проволоки обладают хорошими
сварочно-технологическими свойствами,
минимальной токсичностью газов и пыли,
обеспечивают малое разбрызгивание металла,
хорошее формирование шва и отделение
шлаковой корки.

Сварку выполняют на постоянном токе
обратной полярности. подготовка кромок
под сварку такая же, как и при сварке в
с02сплошной проволокой.

Рекомендуемые режимы сварки порошковой
проволокой можно увидеть в табл. 4.1.

Таблица 4.1. режимы сварки порошковой
проволокой

Толщина свариваемых листов, ммпараметры
режимаi, аu, вvсв, м/чвылет проволоки, ммпорошковые
проволоки пп-ан-17. dэ-3.0 мм; -13 г./а ч3-6200-24024-2510015
– 208-20250-30025-2712021 – 20

.2 технологическая инструкция 
и технологические карты

Технологическая карта

Операцияэскизы1. сварка нижнего листа
№1 диска c продольным листом №2. 1.1 прихватка
сварочный материал и толщина: ст3гпс,
s=10 мм, s=20 мм. марка и диаметр электрода:
пп-ан17, d=3 мм режимы сварки: – сила сварочного
тока i=250a. – напряжение дуги u=25в. оборудование:
полуавтомат а-765. приспособление: сборочная
плита. без раздела кромок установить
и прихватить на позиции 1 на расстоянии
50 мм.1. сварка нижнего листа №1 диска c
продольным листом №2. 1.2 сварка. сварочный
материал и толщина: ст3гпс, s=10 мм, s=20 мм.
марка и диаметр электрода: пп-ан17, d=3 мм
режимы сварки: – сила сварочного тока
i=250a. – напряжение дуги u=25в. оборудование:
полуавтомат а-765. приспособление: сборочная
плита. поворотная колонна. сварить на
позиции 1.2. сварка листов №1,2 с диафрагмой
№6 2.1. прихватка. сварочный материал и
толщина: ст3гпс s=10 мм. марка и диаметр
электрода: пп-ан17, d=3 мм режимы сварки:
– сила сварочного тока i=250a. – напряжение
дуги u=25в. оборудование: полуавтомат а-765.
приспособление: сборочная плита. без
раздела кромок установить и прихватить
на позиции 1 расстоянии 50 мм.2. сварка листов
№1,2 с диафрагмой №6 2.2. сварка. сварочный
материал и толщина: ст3гпс s=10 мм. марка
и диаметр электрода: пп-ан17, d=3 мм режимы
сварки: – сила сварочного тока i=250a. – напряжение
дуги u=25в. оборудование: полуавтомат а-765
приспособление: сборочная плита. сварить
по контуру поз 1.3. сварка верхнего листа
№4 с накладкой №8. 3.1прихватка. сварочный
материал и толщина: ст3гпс s=10 мм. марка
и диаметр электрода: пп-ан17, d=3 мм режимы
сварки: – сила сварочного тока i=250a. – напряжение
дуги u=25в. оборудование: полуавтомат а-765.
приспособление: сборочная плита. прихватить
на позициях на расстоянии друг от друга
50 мм3. сварка верхнего листа №4 с накладкой
№8. 3.2 сварка. сварочный материал и толщина:
ст3гпс s=10 мм. марка и диаметр электрода:
пп-ан17, d=3 мм режимы сварки: – сила сварочного
тока i=250a. – напряжение дуги u=25в. оборудование:
полуавтомат а-765. приспособление: сборочная
плита. сварить на позициях4. сварка верхней
конструкции п 3 с нижней п 2 и ребра №7.
4.2 прихватка. сварочный материал и толщина:
ст3гпс s=10 мм. марка и диаметр электрода:
пп-ан17, d=3 мм режимы сварки: – сила сварочного
тока i=250a. – напряжение дуги u=25в. оборудование:
полуавтомат а-765. приспособление: сборочная
плита. прихватить на позициях в не замкнутом
контуре с 16 ти сторон на расстоянии друг
от друга 50 мм.4. сварка верхней конструкции
п 3 с нижней п 2 и ребра №7. 4.2 сварка. сварочный
материал и толщина: ст3гпс s=10 мм. марка
и диаметр электрода: пп-ан17, d=3 мм режимы
сварки: – сила сварочного тока i=250a. – напряжение
дуги u=25в. оборудование: полуавтомат а-765.
приспособление: сборочная плита. струбцины
прихваты. сварить на позициях в не замкнутом
контуре с 16 ти сторон.5. сварка коробки
с продольными листами №3 и косынкой №7
5.2 прихватка. сварочный материал и толщина:
ст3гпс s=10 мм. марка и диаметр электрода:
пп-ан17, d=3 мм режимы сварки: – сила сварочного
тока i=250a. – напряжение дуги u=25в. оборудование:
полуавтомат а-765. приспособление: сборочная
плита. струбцины прихваты. прихватить
на позиции 1, в замкнутом контуре на расстоянии
30 мм с 2х сторон. прихватить на позиции
2 в не замкнутом контуре.5. сварка профиля
с продольными листами №3 5.2 сварка. сварочный
материал и толщина: ст3гпс s=10 мм. марка
и диаметр электрода: пп-ан17, d=3 мм режимы
сварки: – сила сварочного тока i=250a. – напряжение
дуги u=25в. оборудование: полуавтомат а-765.
приспособление: сборочная плита. струбцины
прихваты. швеллера. сварить на позиции
1 в замкнутом контуре с 2х сторон. 2 сварить
в не замкнутом контуре