Оборудование и материалы

1. Сварочный трактор.

2. Выпрямитель сварочный.

3. Угольный электрод.

4. Лист из стали Ст.3 с размерами 3 200 300 мм.

5. Хромель-алюмелевая термопара.

6. Тензоусилитель ТОПАЗ 4-01 с источником питания «Агат».

7. Самописец Н-338-4.

3. Муфельная печь.

Порядок проведения работы

1.Ознакомиться с устройством сварочного трактора и выпрямителя. Изучить порядок работы с ними. Смонтировать на тракторе угольный электрод и провести опытную сварку неплавящимся электродом.

2. Собрать схему экспериментальной установки в соответствии с блок-схемой на рис. 17. Ознакомиться с порядком работы на ней.

Н-338

Термопара

+

–

Топаз 4- 01

Агат

Рис. 17. Блок-схема экспериментальной установки

3. Построить график тарировки измерительного тракта. Для этого поочередно записать термические циклы кристаллизации алюминия (Т_пл = 660^оС), цинка (Т_пл = 419^оС) и серы (Т_пл = 119^оС), расплавленных в фарфоровых тиглях в муфельной печи. В момент кристаллизации за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации на кривой термического цикла появляется характерная площадка, ордината которой соответствует температуре плавления. На тарировочном графике построить точки, абсциссы которых соответствуют ординате площадки кривой термического цикла в мм, а ординаты – температуре плавления. Полученные точки соединить ломаной линией, которая близка по форме к прямой и допускает определенную экстраполяцию.

4. Приварить конденсаторной сваркой спай термопары «хромель–алюмель» с обратной стороны свариваемого листа согласно рис. 18.

Рис. 18. Схема приварки термопары

5. Вблизи края листа возбудить дугу на угольном электроде и включить привод перемещения сварочного автомата (ток дуги – 150 А, напряжение на дуге – 25 В, скорость сварки – 0,5 см/с). За 2-3 см до прохождения дуги проекции термопары на ось шва включить привод протяжки ленты самописца и записать кривую термического цикла.

6. После полного остывания листа увеличить скорость сварки до 1 см/с и повторить опыт по п.3.5.

7. С использованием тарировочного графика построить обе кривые термического цикла на миллиметровой бумаге.

8. Определить параметры термического цикла в интервале температур 800–500 ^оС. Сравнить полученные данные.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Блок-схема установки.

3. Краткая методика проведения.

4. Тарировочный график.

5. Кривые термического цикла.

6. Результаты расчета параметров термического цикла.

7. Выводы.

Лабораторная работа № 8

Изучение причин образования пор при сварке

Цель работы

Получение экспериментальных данных о влиянии некоторых технологических факторов на образование пор при сварке .

Теоретическое введение

К дефектам сварных швов, влияющих на работоспособность сварного соединения, помимо трещин, относятся также и поры. Их возникновение определяется металлургическими процессами взаимодействия жидкого металла с окружающей средой и процессами кристаллизации при сварке.

Поры в сварных швах образуются, если в период кристаллизации сварочной ванны происходит интенсивное газовыделение, газовые пузырьки не успевают удалиться из затвердевающего металла. Газовыделение может быть обусловлено либо химическими реакциями, продуктами которых являются газы, нерастворимые в металле (главным образом окись углерода СО), либо снижением растворимости водорода, азота и кислорода в кристаллизующемся металле шва по мере приближения к температуре ликвидуса. Особенно резко снижается растворимость при переходе металла шва из жидкого состояния в твердое.

Поры, вызванные выделением азота, возникают при недостаточной защите сварочной ванны и капель электродного металла от взаимодействия с воздухом. Для защиты от азота воздуха эффективны сварка в среде защитных газов (инертных и СО₂), а также шлаковая защита при сварке под флюсом и покрытыми электродами.

Водород попадает в сварочную ванну при наличии влаги, углеводородных загрязнений и ржавчины в сварочных материалах, на свариваемых кромках, а также из атмосферы. При этом молекулярный водород диссоциирует в столбе дуги на атомарный и растворяется в жидком металле ванны. При кристаллизации растворимость водорода резко падает и его избыток выделяется в виде пузырьков, которые не всегда успевают полностью удаляться из металла.

Основными мерами борьбы с водородной пористостью являются зачистка свариваемых кромок и сварочной проволоки от ржавчины и углеводородных загрязнений, прокалка сварочных материалов (флюса и электродов) с целью удаления влаги и осушение защитных газов. Для связывания водорода в нерастворимые в металле соединения во флюсы и электродные покрытия добавляется плавиковый шпат или флюорит CaF₂, при этом имеет место реакция

CaF₂ + H₂O ↔ CaO + 2HF . (12)

При сварке в среде СО₂ водород поглощается по реакции

СО₂ + Н₂ ↔ Н₂О + СО. (13)

Поры, вызванные окисью углерода, образуются при сварке в инертных газах при наличии в основном металле закиси железа и растворенного кислорода (кипящие и полуспокойные стали). Источником кислорода при сварке в среде углекислого газа являются также продукты диссоциации защитного газа. При недостатке в металле ванны раскислителей образование СО происходит по реакциям

[C] + [O] ↔ CO;

[FeO] + [C] ↔ [Fe] + CO; (14)

[Fe₃C] + [FeO] ↔ 4[Fe] + CO.

Введение раскислителей (кремний и марганец в проволоке Св-08Г2С) подавляет реакции образования СО за счет связывания кислорода в нерастворимые в металле окислы

[FeO] + [Mn] ↔ [Fe] + (MnO);

(15)

2[FeO] + [Si] ↔ 2[Fe] + [SiO₂].

Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение режимов сварки, замедляющих охлаждение металла и снижающих скорость кристаллизации. Использование максимально короткой дуги и мелкокапельного и струйного типов переноса снижает время контакта расплавленного электродного металла с окружающей средой и, как следствие, интенсивность поглощения газов.

Оборудование и материалы

1. Пост для сварки в среде углекислого газа ПДГ-502.

2. Заготовки из стали Ст.3 размером 6 30 80 мм.

3. Флюс АН-348А, баллон с углекислым газом.

4. Проволоки Ø 1,6 мм марок Св - 08ГА и Св- 08Г2С.

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с постом для полуавтоматической сварки в среде СО₂ и настроить режим сварки (ток – 200-220 А, напряжение на дуге – 22-24 В).

2. Выполнить наплавку валиков длиной ≈ 70 мм в соответствии с табл. 10.

Таблица 10.

Влияние условий сварки на порообразование

№ опыта	Исследуемый фактор	Марка проволоки	Защитная среда			Оценка поритости
			Вид защиты	Толщина слоя, мм	Расход газа, м3/ч
1 2 3 4 5 6	Качество защиты	Св-08ГА –''– –''– –''– Св-08Г2С –''–	– Флюс –''– Флюс влажный СО2 –''–	– 5–7 10-12 –''– – –	– – – – 0,2 0,8
7 8	Химсостав проволоки	Св-08Г2С Св-08ГА	–''– –''–	– –	–''– –''–
9 10	Состояние свариваемых кромок: загрязненные маслом и ржавчиной; зачищенные	Св-08Г2С –''– –''–	–''– –''– –''–	– – 	–''– –''– –''–

3. Оценить по трехбалльной системе (1– пор нет, 2 – мало пор,

3 – много пор) качество валика. Результаты оценки занести в табл.10.

4. Сделать выводы о полученных результатах

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Порядок проведения опытов.

3. Заполненная таблица 10.

4. Выводы о влиянии изученных факторов на интенсивность порообразования.

Контрольные вопросы

1. Укажите причины порообразования при сварке.

2. Укажите механизм образования пор, вызванных азотом, и пути борьбы с ними.

3. Укажите механизм образования пор, вызванных водородом, и пути борьбы с ними.

4. Укажите механизм образования пор, вызванных окисью углерода, и пути борьбы с ними.

Лабораторная работа № 9

Изучение процесса легирования

металла при сварке под флюсом

Цель работы

Изучение процессов легирования стали марганцем и кремнием при автоматической сварке под флюсом.

Теоретическое введение

При сварке под флюсом сварочную ванну покрывает слой расплавленного шлака, предохраняющий расплавленный металл от непосредственного воздействия атмосферного воздуха. Кроме того, компоненты шлака могут вступать в обменные реакции с жидким металлом, изменяя его состав. Легирование марганцем, который является основным легирующим элементом в качественных сталях, связывающим серу в тугоплавкие сульфиды марганца, происходит по схеме

Шлак (MnO)↔ (Mn²⁺) + (O^2–) (Fe ²⁺) ↔ (FeO)

↑↓ ↑↓

Пограничный слой Mn²⁺ + Fe ⁰ ↔ Mn⁰ + Fe ²⁺ (16)

↑↓ ↑↓

Металл [Fe] [Mn] [FeO]

Здесь символ химического вещества в круглых скобках означает его наличие в шлаке, а в квадратных – в металле.

Равновесная концентрация марганца

. (17)

Содержание марганца в металле увеличивается с повышением температуры, увеличением в шлаке концентрации MnO и уменьшением концентрации feO.

Процесс легирования кремнием протекает по аналогичной схеме

Шлак (SiO₂)↔ (Si⁴⁺) + 2(O^2–) 2(Fe ²⁺) ↔2 (FeO)

↑↓ ↑↓

Пограничный слой Si ⁴⁺ + 2Fe ⁰ ↔ Si ⁰ + 2Fe ²⁺ (18)

↑↓ ↑↓

Металл 2[Fe] [Si] 2 [FeO]

Состав флюса АН-348А, приведенный в табл. 11, создает благоприятные условия для легирования марганцем и кремнием, которое происходит в основном в высокотемпературной области (капли электродного металла).

Таблица 11

Состав флюсов

Марка флюса	Содержание компонентов, %
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	CaF2
АН-348А АН-30	4143 25	2,5 3944	5,5 1620	5,57,5 1316	3438 ≤0.5	6,0 1923

В низкотемпературной области (хвостовая часть ванны) реакции легирования сменяются на реакции раскисления

[Mn] + [FeO] ↔ [MnO] + [Fe],

(19)

[Si] + 2[FeO] ↔ [SiO₂] + [Fe].

Однако при температурах кристаллизации основная часть FeO бывает уже извлечена шлаком, а скорость реакции раскисления значительно ниже, чем легирования в высокотемпературной области (действует кинетический фактор). Следовательно, при кристаллизации всегда наблюдается остаточное легирование.

Краткие сведения о спектральном анализе

Спектральный анализ является одним из методов определения химического состава веществ. В его основе лежит изучение линейчатого спектра излучения, испускаемого или поглощаемого веществом при высоких температурах, в котором присутствуют спектральные линии, характерные для атомов, имеющихся в пробе. Разложение света на спектр осуществляется с помощью спектральных аппаратов.

Для качественного анализа веществ используются стилоскопы, в которых в окуляр наблюдается присутствие в линейчатом спектре линий элементов, содержащихся в пробе. Отсутствие этих линий является признаком того, что искомого элемента в пробе в количествах, доступных для выявления с помощью стилоскопа, нет.

Оборудование и материалы

1. Стилоскоп СЛП-1.

2. Сварочный автомат ТС-35 с трансформатором ТДФ-1001.

3. Заготовки из армко-железа 5 30  80.

4. Проволока сварочная Св-08А Ø 2,0.

5. Флюсы Ан-348А и АН-26.

Методика проведения

1. Ознакомиться с устройством сварочного автомата ТС-35 и принципом его работы.

2. Провести наплавку валиков длиной 4–5 см на пластины из армко-железа под флюсами АН-348А и АН-26. Тщательно зачистить образцы от шлака. Зачистить шкуркой небольшой участок наплавленного металла.

3. Отрезать конец электродной проволоки с закристаллизовавшейся каплей металла на конце. Зачистить каплю шкуркой.

4. Ознакомиться с устройством и порядком работы на стилоскопе. Качественным спектральным анализом показать переход легирующих элементов в металл шва и каплю электродного металла.

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Схемы легирования марганцем (1) и кремнием (3).

3. Порядок выполнения работы.

4. Выводы.

Контрольные вопросы

5.1. Какие компоненты вводятся во флюс для легирования наплавленного металла кремнием и марганцем?