Основные процессы протекающие при дуговой сварке
Обновлено: 04.05.2024
Существует три состояния вещества, отличающиеся между собой силами взаимодействия атомов и молекул: твердое, жидкое и газообразное. Переход вещества из одного состояния в другое сопровождается большими затратами энергии, прикладываемой извне. Для твердого и жидкого состояния характерны небольшие расстояния между молекулами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. По мере перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние эти расстояния увеличиваются, а силы их взаимодействия снижаются. Этот процесс наглядно представлен во время сварки, когда металл плавится, частично переходит в газообразное состояние, а затем возникают обратные процессы, именуемые кристаллизацией.
Процесс плавления металла в зоне сварочного шва приводит к возникновению сложных физико-химических процессов и к образованию характерного соединения, отличающегося по своей структуре от основного металла.
Под физическими понимают процессы, которые не меняют строения элементарных частиц и не приводят к изменению химических свойств основного металла. К таким процессам относятся:
- прохождение электрического тока и тепловые колебания кристаллической решетки;
- переход основного и электродного вещества из твердого состояния в жидкое (плавление), перемешивание их между собой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны;
- напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основного металла.
Химические процессы меняют свойства основного металла, в результате чего получаются новые соединения, имеющие отличные свойства. К основным химическим процессам относятся:
- химические реакции, возникающие в газовой и жидкой фазах и на их границах;
- образование оксидов, шлаков и других соединений, отличающихся своими химическими свойствами от основного металла.
Влияние физико-химических процессов, происходящих в сварочном шве на прочность соединения настолько велико, что следует рассмотреть этот вопрос более подробно.
Плавление металла
Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или одним из других способов, о которых мы расскажем ниже. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но чаще сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т.д. Сливаясь и перемешиваясь между собой, основной и присадочный металл образуют общую сварочную ванну, границами которой служат оплавленные участки основного металла. Расплавленный в зоне подачи концентрированной энергии металл кристаллизуется, образуя сварочный шов.
Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление, и тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300 — 2500°С, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т.д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис.1).
Рис. 1. Расплав и перенос электродного материала: А — метод короткого замыкания; Б — капельный метод; В — cтруйный метод
Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный — для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный - для сварки в среде аргона.
Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющимся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны (так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр).
Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги или газопламенной обработки. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего электрическую дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей. Зависимость размеров сварочной ванны от величины напряжения можно выразить уравнениями:
где В — ширина сварочной ванны, L — длина сварочной ванны, Н — глубина сварочной ванны, vсв — скорость сварки, S — толщина свариваемого металла, К — коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и т.д.
Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла «Рм», давления сварочной дуги «Р » и сил поверхностного натяжения «Рн», представлен на рис.2.
Рис.2 Силы действующие в сварочной ванне и формирование шва: А — нижнее положение; Б — вертикальное; В — горизонтальное; Г — потолочное; Vcb — направление сварки; 1 — порез; 2 — наплыв
Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям - снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, то есть сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения, а при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги. Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. В данном случае при неправильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию, что в конечном итоге снижает прочность сварки.
При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги.
Кристаллизация металла
Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Под действием сварочной дуги основной и дополнительный металлы, расплавленные в головной части ванны, перемещаются в ее хвостовую часть, где при снижении температуры подвергаются кристаллизации. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов.
Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны. Таким образом, давление, вызванное дугой, приводит к вытеснению металла из основания ванны и открывает доступ к следующим слоям, где поддерживается необходимая для плавления температура. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается.
Расплавленные фазы основного и электродного металла перемешиваются между собой и, затвердевая, образуют общие кристаллы, что обеспечивает монолитность сварочного соединения.
Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.
Основные процессы, протекающие при дуговой сварке.
Р ассмотрим металлургические процессы, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения дуговой сварки.
Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых (кислород, азот, водород), так и сложных (углекислый газ СО₂, пары воды Н₂О и др). Диссоциация газов происходит по реакциям:
Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.
Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям:
Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.
Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF₂. При высоких температурах он разлагается по реакции
Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы малой подвижности. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги. Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом. В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО₃. Разлагаясь при высоких температурах, они выделяют углекислый газ, который, в свою очередь, диссоциирует с образованием кислорода:
Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.
Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.
Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3 % О₂), Fe₃0₄ (27,6 % О₂), Fe₂О₃ (30,1% О₂). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe+О→FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.
Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в последнюю очередь. В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.
Железо может окисляться также за счет кислорода, содержащегося в СО2 и парах воды Н2О:
В процессе сварки, кроме железа, окисляются и другие элементы, находящиеся в стали, – углерод, кремний, марганец. При переходе капель электродного металла в дуге окисление элементов происходит в результате взаимодействия их с атомарным кислородом газовой среды дугового промежутка:
В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа
Mn + FeO ⇆ MnO + Fe,
Si + 2FeO ⇆ SiO₂ + 2Fe.
Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Повышенное содержание кислорода вредно влияет и на другие свойства – уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладноломкость и красноломкость. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.
Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO + Me ⇆ Fe + МеО, где Me – раскислитель.
Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы. Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.
Раскисление марганцем: Fe + Mn ⇆ Fe + MnO.
Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо растворяет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.
Раскисление кремнием: 2FeO + Si ⇆ 2Fe+SiО₂.
Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак:
Раскисление титаном: 2FeO + Ti = 2Fe + TiO₂.
Титан – энергичный раскислитель, при этом образуются легкоплавкие титанаты марганца и железа:
Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс, вводя соответствующие ферросплавы.
Раскисление углеродом: FeO + С = Fe + СО.
Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газообразном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и образуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскисления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.
Легирование металла шва. Осуществляется различными полезными примесями для улучшения качества металла шва, путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Mn и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке и электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.
Взаимодействие с азотом. Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений – нитридов Fe₂N, Fe₄N. Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насыщение металла азотом способствует образованию газовых пор. Снижение азота проводят для защиты расплавленного металла от воздуха или введения в него химических элементов, удаляющих азот в виде неметаллических включений.
Взаимодействие с водородом. Водород может попасть в зону сварки из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле, и с увеличением температуры нагрева растворимость увеличивается. Важной закономерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое.
При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделяющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва. Это приводит к образованию в нем газовых пор. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости и несплошности в затвердевающем металле, приводят к повышению в них давления, развитию в металле внутренних напряжений и образованию микротрещин. Снижение газонасыщения швов проводят за счет качественной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.
Реакции с серой и фосфором. Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. В сварочную ванну они попадают из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера и фосфор могут находиться в виде соединений – сульфидов и фосфидов, хорошо растворимых в железе. Наличие в металле шва серы и фосфора снижает его механические свойства, сильно повышает склонность к образованию трещин и снижает ударную вязкость. Поэтому рафинирование, очистка металла от серы и фосфора имеет целью уменьшение общего содержания FeS и FeP
Рафинирование осуществляют путем связывания серы и фосфора в химические соединения, нерастворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:
FeS + Mn = MnS + Fe;
FeS + СаО=FeO + CaS;
2Fe₂P + 5FeO = P₂O₅+9Fe;
При этом MnS, CaS и Са₃Р₂О₈ переходят в шлак. Следует контролировать состав применяемых для сварки материалов (металла, покрытия, флюса) и не допускать содержания в них серы и фосфора выше норм.
Основные процессы, протекающие при дуговой сварке
Диссоциация газов и соединений. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых - кислород, азот, водород, так и сложных - углекислый газ СО2, пары воды Н2О и др. Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.
Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF2Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы с малой подвижностью Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом.
В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО3. Разлагаясь при высоких температурах, они выделяют углекислый газ, который в свою очередь диссоциирует с образованием кислорода:
Окисление металла при сварке.. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.
Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3% О2), Fe3O4 (27,6% О2), Fe2O3 (30,1% О2). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О
FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.
Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства.
Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO + Ме= Fе + МеО, где Me - раскислитель.
Раскисление марганцем: FeО + Мn= Fе + МnО
Раскисление титаном: 2FeO + Ti = 2Fe + TiO. Титан - энергичный раскислитель, при этом образуются легкоплавкие титанаты марганца и железа:
Раскисление кремнием: 2FeO + Si= 2Fe + SiO2.
Раскисление углеродом: FeO + С = Fe + CO.
Взаимодействие с азотом.Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений -нитридов Fe2N, Fe4N. Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну.
Реакции с серой и фосфором. Сера является вредной примесью в сталях. В сварочную ванну она попадает из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера может находиться в виде соединений - сульфидов. Особо вреден сульфид железа FeS, хорошо растворимый в железе. Наличие в металле шва серы снижает его механические свойства и сильно повышает склонность к образованию трещин. Поэтому десульфурация, очистка металла от серы, имеет целью уменьшение общего содержания серы в шве и особенно FeS. Десульфурацию проводят введением в сварочную ванну элементов, имеющих большее сродство к сере, чем железо.
Такого же эффекта достигают введением кальция по реакции FeS + СаО = FeO + CaS.
Оксид кальция получают разложением в дуге мрамора СаСО3.
Реакции с фосфором. Фосфор также вредная примесь в сталях. Пути попадания его в шов те же самые, что и для серы. В металле фосфор находится в виде соединений - фосфидов железа с температурой плавления много ниже, чем у железа (1170°С):
Затем происходит связывание оксида фосфора по реакциям
Фосфор в металле шва располагается по границам зерен в виде легкоплавкой прослойки и приводит к сильной неоднородности металла, росту зерен и снижению пластичности, особенно при низких температурах, вызывая хладноломкость металла
Дуговая сварка. Сущность процесса. Виды дуговой сварки
Тема 3.2.1 Дуговая сварка. Сущность процесса
Вопросы:
2. Понятие об электрической дуге и ее основные свойства.
3. Сварочная проволока.
1. Дуговой сваркой называют сварку плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой. Электрическая дуга представляет собой длительный устойчивый электрический разряд между двумя электродами в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Явление электрической дуги открыл В. В. Петров в 1802 г. Русский инженер Н. Н. Бенардос в 1882 г. первым в мире применил электрическую дугу для сварки металлов угольным электродом на постоянном токе. В 1888 г. русским инженером Н. Г. Славяновым был разработан способ дуговой сварки металлическим электродом, который в настоящее время является самым распространенным в технике. Этим способом можно сваривать постоянным и переменным током. В 1940 г. советский ученый Е. О. Патон разработал автоматическую сварку металлов под слоем флюса. Наша страна является родиной многих других открытий в области сварочного производства. Преимущественное применение имеет сварка переменным током. Это связано с тем, что стоимость электросварочного оборудования и расход электроэнергии для переменного тока значительно ниже, чем для постоянного.
Электрическая дуговая сварка в настоящее время является важнейшим промышленным видом сварки металлов и занимает по числу действующих установок, занятых рабочих и стоимости выпускаемой продукции, первое место среди других способов сварки.
Рис. 65 Способы электродуговой сварки:
а – неплавящимся электродом (способ Бенардоса); б – плавящимся электродом (способ Славянова); в – сварка дугой косвенного действия; г – сварка трехфазной дугой
Источником тепла при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между двумя электродами; при этом, как правило, одним электродом является свариваемая заготовка. В зависимости от материала и количества электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:
сварка неплавящимся электродом (рис. 65, а) – угольным (способ Бенардоса) или вольфрамовым. Соединение осуществляется либо путем расплавления только одного основного металла 2,либо с применением присадочного металла;
сварка плавящимся электродом по способу Славянова (рис. 65, б). Электрод 1 подается в сварочную ванну жидким металлом;
сварка дугой косвенного действия (рис. 65, в). Дуга горит между двумя плавящимися или неплавящимися электродами 1,основной металл 2 нагревается и плавится теплом, излучаемым столбом дуги;
сварка трехфазной дугой (рис. 65, г). Два электрода 1 и деталь 2 подключены к разным фазам трехфазного тока; дуга возникает между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.
2. Электрическая дуга является мощным электрическим разрядом в ионизированной газовой среде. При низкой температуре газ не проводит электрический ток. Газ может проводить электрический ток лишь в том случае, если в газе появляются электрические частицы – ионы, и в этом случае его называют ионизированным. При дуговом разряде выделяется значительное количество тепла, происходит ионизация газов.
Сильно ионизированный газ столба электрического разряда – дуги обладает повышенной электропроводностью, приближающейся к электропроводности металлов, и обеспечивает поддержание устойчивого разряда при прохождении тока. Основаниями столба дугового разряда служат резко ограниченные области на поверхности электродов –электродные пятна (катодные и анодные). Ионизация газа происходит в основном в результате соударений молекул с электронами, имитирующими с поверхности отрицательного электрода (катода). С увеличением силы тока увеличивается кинетическая энергия электронов.
В дуге происходит взаимная бомбардировка катода положительными ионами и анода отрицательными ионами и электронами; в результате этого кинетическая энергия частиц переходит в тепловую и происходит нагрев и расплавление электрода и основного металла.
На рис. 66 схематически показан процесс зажигания дуги при сварке. Он состоит из трех этапов: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3…6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.
Короткое замыкание (рис. 66, а) производится с целью разогрева торца электрода 1 и основного металла в зоне контакта с электродом 2. После отвода электрода (рис. 66, б) с его разогретого торца, являющегося катодом, под действием электрического поля происходит эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газон и атомами паров металлов приводит к их ионизации 4. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электрического тока. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда (рис. 66, в).
Дуговая сварка
Дуговая сварка является наиболее распространённым способом сварки плавлением, при котором нагрев осуществляется электрической дугой, горящей между электродом и заготовкой. Дуга – это мощный разряд электричества в ионизированной газовой среде, сопровождаемый выделением большого количества теплоты и света.
В зависимости от типа электрода, а также типа дуги различают следующие виды дуговой сварки:
1) сварку неплавящимся электродом (графитовым или вольфрамовым) с помощью дуги прямого действия, при которой соединение получается либо путём расплавления только основного материала, либо с добавлением присадочного материала (рис. 5.5-а); этот распространённый вид сварки впервые предложен в 1882 г. русским учёным Н. Н. Бенардосом;
2) сварку плавящимся электродом (металлическим) с помощью дуги прямого действия, при которой соединение получается путём одновременного расплавления основного материала и электрода, который пополняет сварочную ванную жидким металлом (рис. 5.5-б); этот наиболее распространённый вид сварки впервые предложен в 1888 г. русским учёным Н. Г. Славяновым;
3) сварку косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами и не имеющей электрической связи со свариваемой заготовкой, в результате чего основной материал нагревается и расплавляется выделяемой теплотой близко расположенной дуги (рис. 5.5-в); этот вид используется при сварке неэлектропроводных материалов, например, стекла, а также при необходимости уменьшить расплавление основного материала, например, при пайке, наплавке, металлизации или напылении;
4) сварку трёхфазной дугой, горящей между двумя электродами, а также между каждым из них и основным металлом (рис. 5.5-г); этот вид используется для увеличения мощности сварки и повышения производительности, например, при наплавке.
Электропитание дуги осуществляется постоянным и переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. При сварке на прямой полярности электрод подключают к отрицательному полюсу (катод, рис. 5.5-а, б), а при сварке на обратной полярности – к положительному (анод, рис. 5.5-б, справа). Последнее позволяет проводить сварку материалами с тугоплавкими покрытиями и флюсами, поскольку тепловыделение в области анода значительно больше, чем в области катода. Кроме того, сварка на обратной полярности используется для получения качественных соединений алюминия и его сплавов, на поверхности которых образуется прочная и тугоплавкая плёнка оксида Al2O3, плавящегося при температуре 2050°С и препятствующего соединению. Эта плёнка разрушается, если её бомбардировать не лёгкими электронами, летящими с катода, а обладающими намного большей энергией тяжёлыми ионами, летящими с анода.
Источниками постоянного тока являются сварочные выпрямители и генераторы. Источниками переменного тока являются сварочные трансформаторы, которые более распространены, поскольку проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД, чем выпрямители и генераторы постоянного тока. Однако постоянный ток более предпочтителен в технологическом отношении, так как при его применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, появляется возможность вести сварку не только на прямой, но и на обратной полярности.
Рис. 5.5.Основные виды дуговой сварки:
а – неплавящимся электродом; б – плавящимся электродом; в – косвенной дугой; г – трёхфазной дугой: 1 – неплавящийся электрод; 2 – дуга прямого действия; 3 – основной материал; 4 – присадочный материал; 5 – плавящийся электрод; 6 – косвенная дуга; 7 – трёхфазная дуга
Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает в себя три этапа: 1) короткое замыкание электрода на заготовку; 2) отвод электрода на расстояние 3…6 мм; 3) возникновение устойчивого дугового разряда. Во время зажигания дуги происходит ионизация дугового промежутка, которая непрерывно поддерживается в процессе её дальнейшего горения.
Короткое замыкание (рис. 5.6-а) выполняется для разогрева торца электрода 1 (катода) и заготовки 2 (анода) в зоне её контакта с электродом. После отвода электрода (рис. 5.6-б) с его разогретого торца под действием электрического тока начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстро движущихся от катода к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации и появлению ионов 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул вследствие их соударения происходит дополнительная ионизация. В результате дуговой промежуток становится электропроводным. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда (рис. 5.6-в). Температура столба дуги 5 зависит от материала электрода и состава газов в дуге и при сварке стальным электродом примерно равна 6000°С, а температуры катода и анода в зонах наибольшего разогрева 6 и 7, соответственно, 2700°С и 2900°С. При этом в области анода, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в области катода (но при сварке дугой переменного тока температуры анода и катода выравниваются вследствие периодической смены полярности).
Возможно зажигание дуги и без короткого замыкания и отвода электрода. Для этого в сварочную цепь на короткое время подключают осциллятор, т.е. источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения, который создаёт высокочастотный электрический разряд через дуговой промежуток, обеспечивая его первоначальную ионизацию. Такой способ применяют для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом.
Рис. 5.6.Последовательность процесса зажигания дуги:
а – короткое замыкание; б – отвод электрода; в – возникновение устойчивого дугового разряда: 1 – электрод; 2 – заготовка; 3 – электроны; 4 – ионы; 5 – дуга; 6 – зона наибольшего разгорева катода; 7 – зона наибольшего разгорева анода
Виды дуговой сварки различают также по степени механизации процесса и способу защиты дуги и расплавленного материала.
Ручную дуговую сварку выполняют плавящимися сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают в направлении получаемого шва. Электроды представляют собой проволочные стержни с нанесёнными на их боковую поверхность покрытиями, которые предназначены для обеспечения стабильного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздействия воздуха и получения шва заданного состава и свойств. В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газо- и шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.
В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 5.7) дуга 1 горит между электродом 2 и основным металлом 3. Электрод плавится, и расплавленный металл каплями падает в сварочную ванну 4. Вместе с электродом плавится и его покрытие 5, образуя защитную газовую атмосферу 6 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 7 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает, формируя сварной шов 8, на поверхности которого застывший шлак образует твёрдую шлаковую корку 9.
При толщине стали до 6 мм можно сваривать по зазору без разделки кромок заготовок. При бόльших толщинах для обеспечения полного провара выполняют одно- или двустороннюю разделку кромок путём их скоса под углом. Стыки толщиной более 10 мм сваривают многослойным швом, в котором толщина каждого слоя составляет около 6 мм.
 .Сварка металлическим покрытым электродом: 1 – дуга; 2 – электрод; 3 – основной металл; 4 – сварочная ванна; 5 – покрытие электрода; 6 – защитная газовая атмосфера; 7 – жидкая шлаковая ванна; 8 – сварной шов; 9 – шлаковая корка; vсв – скорость сварки; vп – сорость подачи сварочного металла |
Рис. 5.8.Возможные пространственные положения сварного шва: а – нижнее; б – потолочное; в – горизонтальное на вертикальной поверхности; г – вертикальное на вертикальной поверхности Недостатками ручной сварки по сравнению с рассматриваемой далее автоматической сваркой являются низкая производительность, неоднородность качества шва по длине и необходимость высокой квалификации сварщика.
|
