Технология ручной дуговой сварки

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом — дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях (рис. 1) — нижнем, вертикальном, горизонтальным, потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Рис. 1. Виды сварных швов

Производительность процесса в основном определяется сварочным током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла.

Выбор режима. Под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве.

Примерное соотношение между толщиной металла S и диаметром электрода d_э при сварке в нижнем положении шва составляет:

Сила тока в основном зависит от диаметра электрода, но также зависит и от длины его рабочей части, состава покрытия, положения в пространстве сварки.

Чем больше ток, тем больше производительность, т. е. большее количество наплавленного металла:

Q = α_нI_свt ,

где Q — количество наплавленного металла; α_н — коэффициент наплавки, г/(А·ч);

I_св — сварочный ток, А; t — время, ч.

Однако при чрезмерном токе для данного диаметра электрода, электрод быстро перегревается выше допустимого предела. Это приводит к снижению качества шва и повышенному разбрызгиванию. При недостаточном токе дуга неустойчива, часто обрывается, в шве могут быть непровары. Величину тока приблизительно можно определить по следующим формулам:

при сварке конструкционных сталей для электродов диаметром 3—6 мм:

I_д = (20 + 6d_э )d_э; для электродов диаметром менее 3 мм:

I_д = 30d_э,

где d_э — диаметр электрода, мм.

Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10—20% ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение дуги изменяется в сравнительно узком интервале 16—30 В.

Техника сварки. Дуга — мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка возникает во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает в себя три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода и возникновение устойчивого дугового разряда.

Дуга может возбуждаться двумя приемами: касанием конца электрода к свариваемому изделию и отводом от изделия перпендикулярно вверх на расстояние 3—4 мм (рис. 2), или быстрым боковым движением электрода к свариваемому изделию и отводе электрода от изделия («чирканьем» электродом по изделию, подобно зажиганию спички). Прикосновение электрода к изделию должно быть кратковременным, иначе он приваривается к изделию. Второй способ удобнее, но неприемлем в узких и неудобных местах.

Рис. 2. Методы зажигания дуги: а — боковым движением; б — касанием электрода

В процессе сварки необходимо поддерживать определенную длину дуги, которая зависит от марки и диаметра электрода. Ориентировочно нормальная длина дуги должна быть в пределах

L_д = (0,5 — 1,1)d_э,

где L_д — длина дуги, мм; d_э — диаметр электрода, мм.

Длина дуги значительно влияет на качество сварки. Короткая дуга горит устойчиво и обеспечивает получение высококачественного сварного шва, так как расплавленный металл быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Кроме этого, сварка на длинной дуге электродами с покрытием основного типа, приводит к пористости металла шва. Для правильного формирования шва при сварке плавящимся электродом необходимо электрод по отношению к поверхности свариваемого металла держать наклонно, под углом 15—20° от вертикальной линии. Изменяя угол наклона электрода, можно регулировать глубину расплавления основного металла и влиять на скорость охлаждения сварочной ванны. На рис. 3 показано влияние наклона электрода и наклона свариваемого изделия на глубину проплавления основного металла.

Рис. 3. Влияние наклона электрода и наклона свариваемого изделия на глубину проплавления основного металла: а — сварка углом вперед; б — сварка углом назад; в — сварка вертикальным электродом под уклон; г — сварка вертикальным электродом на подъем; д — сварка вертикальным электродом горизонтальной поверхности

Кроме длины дуги на качество сварного шва также влияет величина сварочного тока, напряжение и темп сварки. Внешний вид получаемого сварного шва при отклонении от нормальных режимов показан на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость сварного шва от напряжения, тока и темпа сварки

В процессе сварки электроду сообщается движение в трех направлениях.

• Первое движение — поступательное, по направлению оси электрода. Этим движением поддерживается постоянная (в известных пределах) длина дуги в зависимости от скорости плавления электрода.
• Второе движение — перемещение электрода вдоль оси образования валика шва. Скорость этого движения устанавливается в зависимости от тока, диаметра электрода, скорости его плавления, вида шва и других факторов. При отсутствии поперечных движений электрода получается так называемый ниточный валик, на 2—3 мм шире диаметра электрода, или узкий шов шириной е = 1,5dэ.
• Третье движение — перемещение электрода поперек шва для получения шва шире, чем ниточный валик, так называемого уширенного валика.

Поперечные колебательные движения конца электрода определяются формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого материала, навыком сварщика. Широкие швы (e = (1,5 – 5)dэ) получают с помощью поперечных колебаний, изображенных на рис. 5. На примере этих основных колебательных движений в табл. 1 приведены движения электрода при различных видах сварки.

Рис. 5. Схема движения конца электрода при ручной электродуговой сварке

При сварке тонких листов накладывают узкий валик (шириной 0,8—1,5 диаметра электрода) без поперечных колебаний. В других случаях (при сварке толстых листов) применяют уширенные валики. Колебательные движения улучшают прогрев кромок шва, замедляют остывание ванны наплавленного металла, обеспечивают получение однородного шва и устраняют непровар его корня.

Таблица 1. Примеры движения электрода при различных видах сварки

Наименование движений	Схема движений _________________________________	Назначение
Возвратно-поступательное движение в одной плоскости		Применяется для получения подварочного валика сварного шва высокопроизводительными электродами во всех позициях и для всех типов соединений
Циклическое перемещение электрода		Применяется для проварки корня углового шва и V-образных разделок высокопроизводительными электродами
Прямолинейное зигзагообразное перемещение электрода в вертикальной плоскости		Применяется со всеми типами электродов для заполняющих вертикальных угловых и с V-образной разделкой швов, иногда применяется для облицовочного шва. С низко-водородными электродами применяется для проварки корня углового шва и V-образных разделок
Треугольное перемещение электрода		Применяется для облицовочного шва. С низководородными электродами применяется для проварки корня углового шва и V-образных разделок
Возвратно-поступательное движение с вертикальным смещением между проходами		Применяется со всеми типами электродов для заполняющих вертикальных угловых и с V-образной разделкой швов. В конце горизонтального перемещения, на обеих краях, электрод имеет фиксированную задержку, затем небольшое перемещение вверх
Перемещение с нахлестом и небольшим качанием электрода вокруг сварочной ванны		Применяется со всеми типами электродов для сварки потолочных швов, иногда во время циклического движения делается захлест кратера
Прямолинейное зигзагообразное перемещение электрода в горизонтальной плоскости		Применяется со всеми типами электродов в широких V-образных разделках в нижнем положении

Сварку встык без разделки кромок производят преимущественно сквозным проплавлением с одной стороны шва. В этих случаях рекомендуется применять подкладки (стальные, медные). Иногда, когда это возможно, производят подварку шва узким валиком с обратной стороны.

Детали под сварку собирают в приспособлениях, чаще всего прихватками. Сечение прихваточного шва составляет примерно 1/3 от сечения основного шва, длина его 30—50 мм. Угловые швы сваривают «в угол» или «в лодочку» (рис. 6).

Рис. 6. Положение электрода и изделия при выполнении угловых швов: а — сварка в симметричную «лодочку», б — в несимметричную «лодочку», в — «в угол» наклонным электродом, г — с оплавлением кромок

При образовании углового шва (рис. 6, а, б, в) электрод ставят под углом 45° к поверхности детали. Применяя повышенные величины тока, во избежание непровара шва, обе свариваемые поверхности наклоняют к горизонтальной плоскости под углом 45° (сварка в лодочку, рис. 6, а). При наклоне свариваемых поверхностей под углом 30° или 60° — в несимметричную лодочку.

При сварке «в угол» проще сборка, допускается большой зазор между свариваемыми деталями (до 3 мм), но сложнее техника сварки, возможны дефекты типа подрезов и наплывов, меньше производительность, так как приходится за один проход сваривать швы небольшого сечения (катет < 8 мм) и применять многослойную сварку. Сварка в лодочку более производительна, допускает большие катеты шва за один проход, но требует более тщательной сборки.

При сварке встык шва с V-образной разделкой (рис. 7, а) дугу зажигают вблизи скоса кромок и наплавляют валик металла. В зависимости от толщины листа и диаметра электрода шов выполняют за один или несколько проходов.

При многослойной сварке каждый слой тщательно очищают. Число слоев определяют, исходя из диаметра электрода. Толщина слоя равна (0,8 ÷ 1,2)d_эл.

Сварку Х-образных швов (рис. 7, б) с целью уменьшения деформации производят попеременным наложением слоев с обеих сторон разделки.

Рис. 7. Сварка в стык с разделкой кромок: а — схема наложения валиков металла с V-образной разделкой кромок; б — сварка встык с двухсторонней разделкой кромок.

Сборка деталей при подготовке под сварку, разделка кромок металла и зазоры между деталями при сварке встык, согласно ГОСТа, показаны на рисунках в табл. 2, а также на рис. 8—11.

Таблица 2. Основные типы и размеры конструктивных элементов шва

Тип сварных швов по ГОСТ	Наименование сварного соединения	Тип конструктивных элементов	Сварное соединение	Размер конструктивных элементов
—	С отбортовкой	—		S=1÷3
C2	Стыковой без скоса кромок двухсторонний			S=S1	b	a
				3÷3,5	8±4	1+0,5-1,0
				4÷4,5
				5÷5,5	9±4
				6÷8		2+1,5-1,0
				h=2÷3
C3	Стыковой без скоса кромок односторонний
C8	Стыковой V-образный со скосом двух кромок двухсторонний			S=S1	b	S2
				3÷8	S+11	1±1
				9÷14	S+13	2+1,0-2,0
				15÷21	S+15
C9	Стыковой V-образный со скосом двух кромок односторонний			22÷26	S+16
				b1=10±4; h=3÷4
C11	Стыковой V-образный с криволинейным скосом двух кромок двухсторонний			S	b	h
				20÷23	S+9	0+5
				24÷29	S+7
				30÷33	S+4
				34÷41	S
				42÷49	S-3
				50÷55	S-7
				56÷60	S-12
				b1=10±4
C15	Стыковой X-образный с двумя скосами двух кромок духстронний симметричный			S	b	h
				12÷17	S+3	3
				18÷29	S+1	4
				30÷44	S-3
				42÷50	S-8
				51÷60	S-11	5
Тип сварных швов по ГОСТ	Наименование сварного соединения	Тип конструктивных элементов	Сварное соединение	Размер конструктивных элементов
C17	Стыковой X-образный с двумя криволинейными скосами двух кромок двухсторонний			S	b	h
				30÷35	S-3	4
				36÷41	S-7
				42÷51	S-12	5
				52÷60	S-24
У4	Угловой без скоса кромок двухсторонний			S=2÷30; S1=2÷30
У5	Угловой без скоса кромок односторонний			S=1÷30; S1=2÷30
У7	Угловой со скосом одной кромки односторонний			S	b
				4÷7	S+11
				8÷11	S+13
				12÷17	S+15
				18÷26	S+18
				h=3÷4; S1≤S
У10	Угловой со скосом двух кромок односторонний			S	b
				12÷14	S+12
				16÷21	S+14
				22÷26	S+15
				h=4; S1=S
Т1	Тавровый без скоса кромок двухсторонний			S	K
				3÷6	3÷4
				7÷9	5
				10÷30	6÷8
Тип сварных швов по ГОСТ	Наименование сварного соединения	Тип конструктивных элементов	Сварное соединение	Размер конструктивных элементов
Т8	Тавровый со скосом одной кромки двухсторонний			S	b	h
				4÷7	S+9	3±3
				8÷11	S+11
				12÷17	S+13	4±3
				18÷26	S+16	5±3
Т9	Тавровый со скосом одной кромки односторнний			b1=3
Т10	Тавровый со скосом двух кромок двухсторонний			S	b	h
				12÷17	S+2	3±3
				18÷25	S	5±3
				26÷35	S-2	6±3
				36÷47	S-3	9±3
				48÷51	S-4	11±3
				52÷60	S-5	13±3
H2	Внахлестку без скоса кромок двухсторонний			S=2÷60; k=S
H3	Внахлестку электрозаклепками			S≥2; d≥2S
H4	Внахлестку электрозаклепками			S≥2; m≥2S

Сварка встык листов разной толщины показана на рис. 8. Соединение листов внахлестку лобовыми швами показано на рис. 9.

Соединение листов внахлестку фланговыми швами с усилением прорезными швами показано на рис 10.

Соединение листов встык с накладками показано на рис. 11. Накладки приварены к листам лобовыми и фланговыми швами (средняя проекция общая для обеих соединений).

Рис. 8. Разделка кромок листов разной толщины для сварки в стык

Рис. 9. Соединение листов внахлестку лобовыми швами

Рис. 10. Соединение листов внахлестку фланговыми швами, усиленными прорезными швами

Рис. 11. Соединение листов встык с одной накладкой (а) и то же, с двумя накладками (б)

Для повышения работоспособности сварных конструкций, уменьшения внутренних напряжений и деформаций большое значение имеет порядок заполнения швов. Под порядком заполнения швов понимается, как порядок заполнения разделки шва по поперечному сечению, так и последовательность сварки по длине шва.

По протяженности все швы условно можно разделить на три группы:

• короткие — до 300 мм;
• средние — 300—1000 мм;
• длинные — свыше 1000 мм.

В зависимости от протяженности шва, материала, требований к точности и качеству сварных соединений сварка таких швов может выполняться различными способами (рис. 12).

Рис. 12. Схемы сварки: а — напроход; б — от середины к краям; в — обратно ступенчатым способом; г — блоками; д — каскадом; е — горкой; А — направление заполнения разделки: (стрелками указано направление сварки); 1—5 последовательность сварки в каждом слое

Короткие швы выполняют на проход — от начала шва до его конца. Швы средней длины варят от середины к концам или обратно ступенчатым методом. Швы большой длины выполняют двумя способами: от середины к краям (обратно ступенчатым способом) и вразброс.

При обратно ступенчатом методе весь шов разбивается на небольшие участки длиной по 150—200 мм, на каждом участке сварку ведут в направлении, обратном общему направлению сварки. Длина участков обычно равна от 100 до 350 мм. В зависимости от количества проходов (слоев), необходимых для выполнения проектного сечения шва, различают однопроходный (однослойный) и многопроходный (многослойный) швы.

С точки зрения производительности наиболее целесообразными являются однопроходные швы, которые обычно применяются при сварке металла небольших толщин (до 8—10 мм) с предварительной разделкой кромок.

Сварку соединений ответственных конструкций большой толщины (свыше 20—25 мм), когда появляются объемные напряжения и возрастает опасность образования трещин, выполняют с применением специальных приемов: заполнения швов «горкой» или «каскадным» методом.

При сварке «горкой» сначала в разделку кромок наплавляют первый слой небольшой длины 200—300 мм, затем второй слой, перекрывающий первый и имеющий в 2 раза большую длину. Третий слой перекрывает второй и длиннее его на 200—300 мм. Так наплавляют слои до тех пор, пока на небольшом участке над первым слоем разделка не будет заполнена. Затем от этой «горки» сварку ведут в разные стороны короткими швами тем же способом. Таким образом, зона сварки все время находится в горячем состоянии, что позволяет предупредить появление трещин. «Каскадный» метод является разновидностью горки.

При сварке горизонтальных швов на вертикальной плоскости (рис. 13, а) разделку делают лишь верхнему листу, дугу возбуждают на нижней кромке, затем постепенно переходят на скошенную верхнюю кромку.

Вертикальные швы сваривать труднее, вследствие стекания расплавленного металла вниз. Для уменьшения стекания металла работу ведут короткой дугой и в направлении снизу вверх (рис. 13, б), за исключением листов толщиной до 1,5 мм.

Сварку потолочных швов (рис. 13, в) производят очень короткой дугой, при которой происходит короткое замыкание электрода на деталь. Применяют электроды с тугоплавкой обмазкой, которая образует вокруг электродов «втулочку», содержащую направленый газовый поток, удерживающий электродный металл.

Рис. 13. Схематическое изображение работы при выполнении сварки различными швами: а — горизонтальный шов на вертикальной плоскости; б — вертикальный шов; в — потолочный шов. 1—3 — положение электрода в пространстве; 4 — покрытие электрода

Обеспечение нормативных требований по технологии и технике сварки — основное условие получения качественных сварных швов. Отклонения размеров и формы сварного шва от проектных чаще всего наблюдаются в угловых швах и связаны с нарушением режимов сварки, неправильной подготовкой кромок под сварку, неравномерной скоростью сварки, а также при несвоевременном контрольном обмере шва.