Электроды, применяемые в ручной дуговой сварке — это стержни, длина которых может достигать 450 мм. Изготавливаются электроды из сварочной проволоки, а сверху на них наносится специальное покрытие, которое выполняет следующие задачи:
- увеличивает образование ионов
- защищает электрод от воздействия окружающей среды
- создает специальные условия в сварочной ванне.
Одной из основных характеристик этого сварочного материала является коэффициент расплавления и коэффициент наплавки электродов.
Что такое коэффициент расплавления электродов?
Во время проведения сварочных работ методом ручной дуговой сварки электрод расплавляется — именно это и помогает в образовании сварного шва. У каждого типа электродов имеется свой коэффициент расплавления, который высчитывается в зависимости от того, какая масса расплавленного электрода приходится на один ампер силы тока за промежуток времени горения дуги, равный одному рабочему часу.
При проведении сварочных работ следует учитывать, что не вся масса расплавленного электрода переносится в сварной шов, так как в данном случае присутствуют, кроме того, такие явления, как разбрызгивание расплавленного металла, его испарение, а также угар, вызываемый горением сварочной дуги. При этом уровень потерь металла электрода при сварке зависит от нескольких факторов:
- от состава проволоки, используемой для изготовления электрода
- от типа покрытия, применяемого при изготовлении электрода
- от режима сварки
- от типа сварного соединения.
Надо учитывать, кроме того, что потери металла электрода будут тем больше, чем выше плотность тока и длина сварной дуги.
Что такое коэффициент наплавки электрода?
Коэффициент наплавки электродов зависит от того, какого рода ток используется при проведении сварки (постоянный или переменный), какова его полярность (прямая или обратная). Также большое значение при определении коэффициента наплавки имеет то, какая именно проволока использовалась при изготовлении электрода и каков тип его покрытия. Кроме того, коэффициент наплавки зависит и от того, в каком пространственном положении выполняются сварочные работы.
Для определения коэффициента наплавки применяется следующая формула:
Gн — масса наплавленного металла за определенный промежуток времени (t), измеряется в граммах
I — сварочный ток, измеряется в амперах.
По своим значениям коэффициент наплавки, как правило, меньше, чем коэффициент расплавления из-за потерь металла в процессе сварки. Если коэффициент расплавления электродов, в зависимости от их типов, может составлять от 7 до 22 г/А-ч, то коэффициент наплавки при этом на 1-3 г/А-ч меньше. Но у некоторых типов электродов коэффициент наплавки может быть абсолютно равным коэффициенту расплавления, а если в составе покрытия электрода имеется порошок железа, то в этом случае коэффициент наплавки будет даже выше, чем коэффициент расплавления.
Вообще, номинальный коэффициент потерь во многом зависит от типа самого электрода и может колебаться от 3 до 30 процентов. А коэффициенты расплавления и наплавки для всех типов электродов определяется каждый раз экспериментальным образом.
Знание этих величин очень важно и для самого сварщика, который на их основе, определяет, сколько времени ему потребуется для образования качественного сварного соединения, и для сметчика, который с помощью этих коэффициентов определяет, сколько электродов потребуется при проведении сварочных работ.
Зависимость положения при сварке от толщины покрытия электрода и от коэффициента наплавки.
Толщина покрытия электрода может быть средней, большой и повышенной.
- Если для сварки применяется электрод со средней толщиной покрытия, коэффициент наплавки которой составляет 8-9 г/А-ч, то сварку такими электродами можно производить абсолютно в любом пространственном положении.
- Электроды с покрытием большой толщины отличаются высокой производительностью — коэффициент наплавки у них составляет до 12г/А-ч. Они также могут, по большому счету, применяться в любом пространственном положении, но наибольшую эффективность они покажут при сварке в нижнем положении, а шов при этом должен иметь достаточно большую протяженность.
- Электроды с покрытием повышенной толщины относятся к классу высокопроизводительных — в них коэффициент наплавки достигает 18 г/ А-ч. Такой тип электродов может применяться исключительно при сварке в нижнем положении, а сварные швы при этом должны иметь большую протяженность — в этом случае использование электрода будет отличаться максимальной эффективностью.
Итак, знание коэффициента наплавки электрода довольно важно при проведении сварочных работ. Именно от коэффициента наплавки зависит и качество подготовки к проведению сварочных работ — а именно, подготовка нужного количества электродов, что обеспечивает непрерывность работ, и качество выполнения самого сварного соединения, так как на основе знания коэффициента наплавки сварщик может определить, в каком положении ему лучше всего производить работы и сколько времени для этого потребуется.
Коэффициент наплавки (КН) стержней для сварки – по-настоящему важная величина. Ее в обязательном порядке учитывают при составлении техпроцесса на выполнение конкретного вида сварных мероприятий.
1
Стержни для делают по опробованной методике из особой проволоки. На ней обязательно имеется специальное покрытие. На последнее возлагается несколько важных задач:
- формирование определенных условий в сварочной ванне;
- предохранение стержней от вредного влияния на них окружающей атмосферы;
- увеличение числа ионов, нужных для осуществления операции.
Объем металлического расплава, идущего на создание шва за заданный временной отрезок, описывает коэффициент наплавки. Он, по сути, демонстрирует нам производительность любого сварочного мероприятия.
Создание шва на металле
Зная КН, специалист без проблем рассчитает число электродов (вариант – проволоки, если идет полуавтоматический процесс), которые понадобятся ему для работ (без перерывов) на протяжении некоторого (заранее оговоренного) периода времени.
На коэффициент наплавки влияет полярность и тип тока. Его показатель разнится и в зависимости от покрытия электродов и вида . Важно учесть и еще один нюанс. КН имеет неодинаковые значения при разных пространственных размещениях сварочного стержня.
Конкретное значение КН проволоки (при полуавтоматической схеме) и электродов со спецслоем (ручной процесс) рассчитывается по формуле Gh/I. Под I здесь понимают ток в амперах, а под Gh – вес металла в граммах, наплавляемого на сварное соединение за час.
2
Изделия для сварки из проволоки могут иметь разное покрытие. По показателю толщины оно бывает большим, средним, повышенным. Самыми эффективными считаются стержни с большой толщиной защитного слоя. Коэффициент наплавки таких изделий может составлять 12 г/А*ч.
Изделия для сварки из проволоки
Подобные стержни рекомендуется применять при нижнем положении сварки и при потребности получения достаточно длинного соединительного шва. Впрочем, их допускается использовать и в иных положениях. Все зависит от конкретных условий проведения работ.
Изделия с покрытием средней толщины годятся для любого положения. Показатель наплавки для таких электродов находится на уровне 8–9 г/А*ч. Коэффициент наплавки стержней с повышенной толщиной специального покрытия равняется уже 16–18 г/А*ч. Они очень производительные. Но при сварке использовать их допускается только в нижнем положении. Причем тогда, когда по технологическому процессу требуется получить длинный соединительный шов. Если протяженность последнего будет незначительной, эффективность эксплуатации электродов с «толстым» покрытием существенно снизится.
3
Рассматривая коэффициент наплавки, следует упомянуть и еще один параметр используемых при сварке стержней. Называется он коэффициентом расплавления (КР). Под ним понимают часть собственного веса сварочного стержня, переходящую за 1 час под влиянием электротока в расплавленный металл.
КН сварочных стержней
Понятно, что на создание шва идет далеко не вся масса металла. Некоторое его количество при воздействии на электрод сварочной дуги просто-напросто выгорает, часть испаряется и разбрызгивается. Конкретные объемы потерь металла зависят от вида , режима сварки, покрытия электродов и вида сварного соединения. При ручной и полуавтоматической сварке металла теряется меньше в случаях, когда длина дуги и плотность тока имеют малые величины.
Обычно коэффициент расплавления проволоки или электродов всегда имеет большее значение (примерно на 1–3 г/А*ч), нежели показатель наплавки. Правда, существуют такие электроды, у которых две этих величины абсолютно идентичны. Если же использовать стержни с покрытием из железного порошка, показатель расплавления будет даже меньше, чем КН.
Существуют специальные таблицы, в которых даются величины рассмотренных нами коэффициентов для разных вариантов сварки (полуавтоматической и ручной). Но профессионалы используют их редко. На практике коэффициент наплавки и КР (их номинальные величины) устанавливаются специалистом экспериментально при осуществлении тех или иных сварочных мероприятий. При этом сварщик принимает во внимание показатель потерь металла, который варьируется в пределах 3–30%.
Коэффициент расплавления. При сварке металла шов образуется вследствие расплавления присадочного и проплавления основного металла. Расплавление присадочного металла характеризуется коэффициентом расплавления α р =σ р /(I.t), где σ р — масса расплавленного за время t электродного металла, г; t — время горения дуги, ч; I — сварочный ток, А.
Коэффициент расплавления зависит от состава проволоки и покрытия электрода, массы покрытия, а также рода и полярности тока.
Коэффициент потерь. Коэффициент характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение и окисление:
ψ=(σ р -σ н)/(I.t), где σ н — масса наплавленного металла, г; σ р — масса расплавленного металла, г.
Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и ее покрытия, но также от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при выполнении сварных тавровых соединений и соединений с разделкой кромок, чем при наплавке.
Коэффициент наплавки. Для оценки процесса наплавки вводят понятие коэффициента наплавки α н =σ н /(I.t), где σ н — масса наплавленного за время t металла, г (с учетом потерь); I — сварочный ток, А.
Коэффициент наплавки зависит от рода и полярности тока, типа покрытия и состава проволоки, а также от пространственного положения, в котором выполняют сварку.
Зависимость величины сварочного тока от диаметра электрода. При ручной дуговой сварке сварочный ток и диаметр электрода связаны следующей зависимостью: I=kd, где I — величина сварочного тока, А; К — коэффициент, зависящий от марки электрода; d — диаметр электрода, мм.
Приведенная формула применима для электродов, имеющих диаметр 3-6 мм.
Зависимость между диаметром и величиной сварочного тока выражают также следующей опытной формулой: I=(m+nd)d, где m=20, n=6 (для ручной сварки стальными электродами).
Производительность процесса дуговой сварки. Производительность сварки определения количеством наплавленного металла σ н =α н I.t, где α н — коэффициент наплавки, г/ (А.ч); I — сварочный ток, A; t — время, ч.
Чем больше ток, тем выше производительность. Однако при значительном увеличении сварочного тока электрод может быстро нагреваться теплотой Джоуля — Ленца, что резко понизит качество сварного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. Необходимо отметить, что перегрев электрода увеличивает разбрызгивание металла.
Вопросы для самопроверки
1. Что называется электрической дугой?
2. Назовите основные участки электрической дуги.
3. В результате каких явлений происходит ионизация воздушного промежутка между электродом и изделием?
4. Как определить коэффициенты расплавления, наплавки и потерь?
5. Что называется погонной энергией?
Коэффициент расплавления. При сварке металла шов образуется вследствие расплавления присадочного и проплавления основного металла.
Расплавление присадочного металла характеризуется коэффициентом расплавления
где α р — коэффициент расплавления; G р — масса расплавленного за время t электродного металла, г; t — время горения дуги, ч; I- сварочный ток, А.
Коэффициент расплавления зависит от состава проволоки и покрытия электрода, веса покрытия, а также рода и полярности тока.
Коэффициент потерь. Коэффициент характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение и окисление.
где ψ — коэффициент потерь; G н — масса наплавленного металла, г; G р — масса расплавленного металла, г.
Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и ее покрытия, но также и от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке втавр, с разделкой кромок, чем при наплавке.
Коэффициент наплавки. Для оценки процесса наплавки вводят понятие коэффициента наплавки:
где α н — коэффициент наплавки; G н -масса наплавленного за время t металла, г (с учетом потерь).
Коэффициент наплавки зависит от рода и полярности тока, типа покрытия и состава проволоки, а также от пространственного положения, в котором выполняют сварку.
Зависимость величины сварочного тока от диаметра электрода. При ручной дуговой сварке сварочный ток и диаметр электрода связаны следующей зависимостью I=К × d, где I -величина сварочного тока, А; К — коэффициент, зависящий от марки электрода (K= 40 ¸60; 40 — для легированных электродов; 60 -для углеродистых); d- диаметр электрода, мм.
Приведенная формула применима для электродов, имеющих диаметр 3 — 6 мм.
Зависимость между диаметром и величиной сварочного тока выражают также следующей опытной формулой I = (т + п× d) × d , где т = 20; п = 6 (для ручной сварки стальными электродами).
Производительность процесса дуговой сварки. Производительность сварки определяется количеством наплавленного металла С = α×I× t , где G — масса наплавленного металла, г.
Чем больше ток, тем выше производительность. Однако при значительном увеличении сварочного тока для применяемого диаметра электрода — последний может быстро нагреваться теплом Ленца — Джоуля, что резко понизит качество сварного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. Необходимо отметить, что перегрев электрода увеличивает разбрызгивание металла.
Погонная энергия. Отношение эффективной тепловой мощности дуги (источника) q и к скорости перемещения дуги V называется погонной энергией.
где V — скорость перемещения дуги (скорость сварки), см/с.
Погонная энергия — это количество тепла в калориях, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика.
Полную тепловую мощность сварочной дуги приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности Q = 0,24× U д × I , кал/с, где U д — падение напряжения на дуге, В; I-величина сварочного тока, А; Q — тепловой эквивалент электрической мощности сварочной дуги, кал/с.
Количество тепла, введенное сварочной дугой в изделие в процессе его нагрева за единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги, которая является суммой тепловой энергии, выделяющейся в пятне дуги на изделии, вводимой в изделие при теплообмене со столбом дуги и пятном на изделии и поступающей с каплями расплавленного флюса, электродного металла и покрытия q и = 0,24Uд× I× h и кал/с, где q и — эффективная тепловая мощность сварочной дуги, кал/с; h и — эффективный к. п. д. процесса нагрева металла сварочной дугой.
Эффективным к. п. д. процесса нагрева металла сварочной дугой называется отношение количества введенного в металл тепла к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги. Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообмена в дуговом промежутке по отношению к нагреву металла изделия и зависит в основном от способа сварки.
На рис. 40 приведен тепловой баланс тепла, выделяемый дугой, из которого видно, что более полно используется тепло дуги при автоматической сварке под флюсом. При увеличении длины дуги эффективный к. п. д. падает и возрастает с углублением дуги в ванну. При сварке металлическими электродами этот коэффициент мало зависит от рода, полярности и величины сварочного тока.
Вопросы для самопроверки
1. Что называется электрической дугой?
2. Назовите основные участки электрической дуги.
3. В результате каких явлений происходит ионизация воздушного промежутка между электродом и изделием?
4. Как определить коэффициенты расплавления, наплавки и потерь?
5. Что называется погонной энергией?
Неравномерное нагревание металла . Внутренние напряжения возникают в том случае, если свободному расширению и сокращению детали что-либо препятствует. Таким препятствием являются соседние участки металла, оставшиеся более холодными вследствие неравномерного нагрева и потому менее расширившиеся.
Наличие сосредоточенного источника тепла (сварочное пламя, электрическая дуга), перемещающегося вдоль шва с какой-то скоростью и вызывающего неравномерное нагревание металла при сварке, является основной причиной возникновения внутренних напряжений и деформаций в сварных изделиях.
Усадка наплавленного металла. Усадкой называется уменьшение объема металла при его переходе из жидкого состояния в твердое. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, вследствие чего объем его сокращается. В результате усадки возникают растягивающие напряжения в соседних частях детали, которые вызывают соответствующие им напряжения и деформации. Различные металлы имеют разную усадку, обычно измеряемую в процентах от первоначального линейного размера. Так, например, линейная усадка равна:
Для алюминия………………………………….. 1,7-1,8
» бронзы…………………………………….. 1,45-1,6
» латуни……………………………………… 2,06
» меди………………………………………… 2,1
» стали малоуглеродистой литой … 2,0
» чугуна серого литейного……………………. 0,7-0,8
Напряжения, вызванные усадкой, возрастают до момента перехода упругих деформаций в пластические. Если металл недостаточно пластичен, деталь может дать трещину в наиболее слабом месте. Таким местом часто бывает околошовная зона термического влияния. Вследствие усадки и сокращения объема металла при охлаждении иногда образуются трещины в процессе сварки, называемые горячими.
При сварке происходит продольная и поперечная усадка. Вызываемые усадкой деформации показаны на рис. 55 и 56. Продольная усадка вызывает сокращение длины листов при сварке продольных швов (рис. 55, а). Если центр тяжести поперечного сечения шва не совпадает с центром тяжести сечения свариваемого элемента, то в результате продольной усадки неизбежно возникает коробление этих элементов в продольном направлении (рис. 55, б, в, г). Поперечная усадка всегда дает коробление листов (рис. 56) в сторону большего объема наплавленного металла. Поэтому при поперечной усадке листы будут коробиться вверх, в сторону утолщения шва. Если деталь закрепить, создав препятствие против деформации от усадки, то в закрепленном участке изделия появятся напряжения.
Величина деформации и связанных с ней напряжений зависит от величины зоны нагрева при сварке. Чем больший объем металла нагревается, тем сильнее будут деформации. Поэтому различные способы сварки дают различную величину деформаций. Большую величину нагрева и деформации дает газовая сварка кислородно-ацетиленовым пламенем, меньшую — дуговая сварка металлическим электродом, особенно тонкообмазанным.
Размеры и положение швов также влияют на величину деформаций при сварке. Наибольшие деформации вызывают длинные швы, швы с большим сечением, а также швы, расположенные несимметрично относительно главных осей сечения свариваемого профиля (рис. 55). Чем сложнее форма детали, чем больше в ней различных швов, тем скорее можно ожидать появления деформаций и напряжений при сварке. При односторонней наплавке плоских деталей уменьшение глубины и площади проплавления основного металла резко уменьшает коробление изделия.
Искусственное охлаждение детали в процессе сварки уменьшает величину деформации.
Структурные изменения наплавленного металла . При изменении структуры металла происходит изменение размеров и взаимного расположения его зерен (кристаллов). Этот процесс сопровождается изменением объема металла, что вызывает возникновение внутренних напряжений. Напряжения, возникающие вследствие изменения структуры металла, могут иметь практическое значение только при сварке легированных и высокоуглеродистых сталей, склонных к закалке. При сварке обычной малоуглеродистой стали, которая не закаливается, возникающие от изменения структуры металла напряжения незначительны и не принимаются в расчет при изготовлении сварных конструкций.
Во время сварочного процесса используются различные присадочные и дополнительные материалы, которые со временем заканчиваются. Расчет норм расхода сварочной проволоки во время соединения и ремонта металлических поверхностей очень важно знать по нескольким причинам. С одной стороны, это нужно для определения необходимого количества металла для заданной процедуры, с другой – помогает рассчитать себестоимость ремонта в конкретном случае и использовать эти данные для сравнения с другими способами.
Стоит отметить, что различные имеют различный коэффициент наплавки. С учетом того, что такие материалы часто применяются для автоматов и полуавтоматов, а также при ручной обработке желательно не прерывать шов, то лучше знать заранее расход сварочной проволоки при сварке полуавтоматом, чтобы все проходило беспрерывно. Норма расхода является понятием, которое показывает количество материалов, что требуются для создания сварочного шва на определенном участке. Сюда входят отходы, потери и прочие величины, которые не остаются непосредственно на соединении. Иными словами, здесь включены все этапы изготовления, включая подготовительные, чтобы технологический процесс прошел максимально качественно. Если проходит правка конструкции, то эти данные также учитываются для конкретного случая.
Для каждого типа сварки, будь то аргонодуговая сварка или обыкновенная газовая, существуют свои нормы расхода, определенные многими годами использования приведенной технологии. Ведь у каждого из способов имеются свои особенности, касающиеся потерь, не говоря уже о нюансах используемого сплава и его физико-химических свойств. При соединении листов наиболее полезной будет информация, какой будет расход сварочной проволоки на 1 метр шва. Этот расчет можно считать эталонным, на который уже можно опираться. При других разновидностях могут быть иные значения, но они все же будут приближены к этому. Простым примером будет сравнение соединения листов, где нужно минимум дополнительных процедур, и сложных металлоконструкций, где необходимы прихватки, временные швы и прочее. Расчеты проводятся согласно ГОСТ 14771-76
Особенности расчета
Существует формула, которая позволяет осуществить расчет сварочной проволоки на 1 метр шва. Она выглядит так:
В данном случае N означает искомый параметр, а именно, норму расхода, которая будет востребованная для создания шва длиною в 1 метр. Параметр G в формуле показывает вес металла на уже готовом соединении длиною в 1 метр. К – это коэффициент перехода, который зависит от массы наплавленного материала к расходу металла, который потребовался для сварки. Длина в 1 метр взята для удобства расчетов и последующего использования.
Чтобы выяснить G (вес наплавленного материала на отведенном участке), требуется следующая формула:
Здесь F показывает площадь поперечного сечения шва в квадратных миллиметрах. Следующее значение «у», обозначает удельную массу металла или его сплава в используемой проволоке, отсюда и возникает большая разница значений для каждой отдельной марки. L – берется за 1, так как показывает количество метров созданного шва. Соответственно, благодаря изменению L можно рассчитать параметр и для других значений длины.
Данные формулы предназначены для вычисления нижнего положения сваривания. Для других требуется итоговый параметр умножать еще на коэффициент поправки К. Соответственно, конечная формула будет N*К.
- Для нижнего положения коэффициент = 1;
- Для полувертикального положения коэффициент = 1,05;
- Для вертикального положения коэффициент = 1,1;
- Для потолочного положения коэффициент = 1,2.
При учитываются такие факторы как:
- Наличие и тип защитного газа;
- Характеристики оборудования для сварки;
- Диаметр присадочного материала;
- Характеристики основного металла.
Благодаря таким простым расчета можно легко определить нормы расхода проволоки при сварке под флюсом и другими методами. Некоторые данные, такие как вес 1 метр сварочной проволоки, можно узнать самостоятельно, другие же приходится узнавать из справочников и прочих мест.
Пример расчета
Для более понятной схемы стоит привести пример, какой будет расход проволоки при сварке полуавтоматом. В примере будет использоваться обыкновенная сталь. Для этого начнем определять весь наплавленного металла по формуле G = F*y*L
G=0,0000055 (м2) * 7850 (кг) * 1 (метр) = 0,043 кг
После этого можно приступать к вычислению основного значения по формуле N=G*К
N = 0,043 * 1 = 0,043 кг
С учетом того, что сваривание проводилось в нижнем положении, то коэффициент поправки равен единице и итоговое значение остается таким же.