Физико-технические основы дуговой сварки

 

Электродуговая сварка является одним из ведущих технологических процессов в машиностроении и строительной индустрии. Электрической дуговой сваркой называют процесс получения неразъемных соединений деталей из различных материалов за счет их сплавления с помощью электрической дуги.

Тепловая энергия, необходимая для плавления металла при дуговой сварке, получается в результате дугового разряда, создаваемого между свариваемыми деталями и электродом. Расплавляясь под действием активных пятен (анодного или катодного) дуги, кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода образуют сварочную ванну, которая находится в расплавленном состоянии. По мере перемещения дуги вдоль свариваемых кромок расплавленный металл хвостовой части сварочной ванны остывает и кристаллизуется, образуя неразъемное соединение. Сварка плавлением представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих в металле при высоких температурах и значительной концентрации тепловой энергии в течение относительно короткого времени.

Для обеспечения необходимых металлургических процессов в сварочной ванне и защите расплавленного металла от окружающей среды при ручной дуговой сварке на плавящийся электрод наносится предварительно специальное покрытие, а при механизированной сварке в зону горения дуги подается специальный флюс или защитный газ. В процессе горения дуги вместе с плавлением металла электрода плавится электродное покрытие или флюс.

Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в виде капель. Размер капель и их количество во времени зависят от величины тока, химического состава электрода и покрытия (флюса или защитного газа), электромагнитных явлений в дуге и т.п. При переходе капель расплавленного электродного металла и покрытия через дуговой промежуток между металлом, по­крытием (флюсом), шлаком и газами, окружающими дугу, протекают химические реакции.

Обычно шлаки состоят из оксидов SiO₂:, ТiО₂, Р₂О₅, СаО, МnО, FeO, BaO, MgO, NiO и т.п. и солей различных веществ CaS, MnS, CaF₂ и др. Шлак, окружающий капли металла при переходе их через дуговой промежуток, и шлаковый слой на сварочной ванне улучшает свойства наплавленного металла. Присутствующие в шлаке легко ионизирующие элементы повышают устойчивость горения дуги, что особенно важно при сварке на переменном токе.

Входящие в состав покрытия электродов газообразующие элементы (крахмал, декстрин, целлюлоза, древесная мука, мел, мрамор, соединения, богатые содержанием кислорода, например, Fе₂О₃, МnО, плавиковый шпат) при попадании в дугу разлагаются, образуя газообразные вещества, защищающий сварочную ванну от воздействия воздуха.

При сварке в среде защитных газов защитное действие обеспечивается применением как инертных (аргон, гелий), активных (азот, углекислый газ, пары воды), так и их смесей.

При плавлении электрода на нем образуется расплавлен­ный металл, который формируется в каплю. По мере роста капли силы поверхностного натяжения не могут удержать ее на торце электрода и капля под действием силы тяжести начинает перемещаться, вытягиваясь в сторону сварочной ванны (при сварке в нижнем положении). Если капля, вытягиваясь, замыкается с металлом сварочной ванны, то она шунтирует дугу и последняя гаснет, но электрическая цепь не разрывается. Это приводит к возрастанию тока и электродинамических сил. Под действием электродинамических сил создается радиальная и аксиальная составляющие, которые передавливают и разрывают шейку капли. Такой процесс сварки называют процесс сварки короткой дугой. Если капля вытягивается с образованием шейки, то плотность тока в ней резко возрастает и шейка быстро перегревается и перегорает. В этом случае отсутствует замыкание дугового промежутка и процесс сварки называют сварка длинной дугой.

Капельный перенос металла с электрода в сварочную ванну обеспечивает поступление металла до 80-97 %, остальные 3-20 % идут на потери в виде разбрызгивания из-за пространствен­ной неустойчивости сварочной дуги и на испарение (выгорание отдельных элементов).

Количество расплавленного за единицу времени металла определяют по эмпирической формуле

(2.1З)

где α_п – коэффициент расплавления электрода, I_д – ток дуги, А; t – время, ч.

Вследствие потерь расплавленного металла на угар и разбрызгивание количество фактического наплавленного металла оценивают коэффициентом наплавки α_н, который на 3-20 % меньше коэффициента расплавления. Значение α_н для большинства марок электродов с различными покрытиями составляет 7-13 Знание коэффициента наплавки важно при нормировании сварочных работ. Скорость сварки V_св можно определить по формуле

(2.14)

где α_н – коэффициент наплавки γ – удельная масса наплавляемого металла F – площадь поперечного сечения сварного шва, см².

Длина дугового промежутка при сварке без замыканий дугового промежутка должна быть больше длины капли и составляет 3-5 мм. Напряжение на сварочной дуге зависит от способа сварки, химического состава и диаметра электрода, состава свариваемого материала, защитной среды, тока процесса и составляет 18-45 В и описывается уравнением (2.7). При дуговой сварке U_а = 2-12 В, U_к = 8-17 В, а градиент потенциала столба дуги Е = 0,5-6,0

Интенсивность плавления электрода и кромок свариваемого металла определяется преимущественно мощностью, выделяемой в активных пятнах дуги на электроде и изделии, а столб дуги выполняет в основном технологические, а не энергетические функции. Поэтому главным энергетическим показателем установок дуговой сварки является величина сварочного тока. Напряжение на дуге обеспечивает поддержание необходимой длины дугового промежутка и оказывает влияние на ширину сварочной ванны. А величина напряжения холостого хода сварочного источника питания обеспечивает устойчивое горение дуги. Для падающего и жесткого участков вольтамперных характеристик дуги напряжение холостого хода источника питания должно быть U_хх = (1,4-2,2) U_д, а при круто падающей внешней характеристике 55-80 В. Это напряжение обеспечивают сварочные источники питания. Необходимо отметить, что напряжение сварочных источников питания безопасно для человека. Это обусловило широкое развитие и применение ручной дуговой сварки штучными электродами.

По степени механизации различают сварку ручную, механизированную и автоматическую. Отнесение процесса к тому или иному виду зависит от того, каким образом выполняются: зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляции электродом для придания шву заданной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращение процесса сварки. При ручной дуговой сварке операции, необходимые для образования шва, выполняются рабочим - сварщиком вручную. Ручная сварка производится плавящимся электродом с покрытием, (рис.2.9, а) или неплавящимся электродом с газовой защитой (инертной или активной) и введения присадочного материала (рис.2.9,б).

При сварке плавящимся электродом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем заданного химического состава, подаваемым в зону дуги по мере его плавления (рис.2.9.а). В состав шва входит расплавленный основной металл и металл плавящегося электрода – электродный металл, а в некоторых случаях и еще присадочный металл, который подают в сварочную ванну. В качестве плавящегося электрода используют сварочную (электродную) проволоку круглого сечения, порошковую проволоку, электродную ленту, специальные электроды более сложной формы. Питание дуги осуществляют от источников переменного или постоянного тока при прямой или обратной полярности.

 

 

Рис. 2.9. Ручная дуговая сварка покрытым (а) и неплавящимся (б) электродом: 1 – основной металл; 2 – сварочная ванна; 3 – кратер; 4 – сварочная дуга, 5 – проплавленный металл; 6 – наплавленный металл; 7 – шлаковая корка; 8 – присадочный материал; 9 – покрытие электрода; 10 – стержень электрода; 11 – электрододержатель; 12 – источник питания; 13 – токоподвод; 14 – сопло; 15 – защитный газ

 

При сварке покрытым электродом (рис.2.9, а) расплавляющееся по мере плавления стержня 10 покрытие 9, в зависимости от состава образует газовую защиту 4 от атмосферного воздуха или газошлаковую изолирующую зону дуги и сварочную ванну. По мере перемещения дуги вдоль свариваемых кромок происходит остывание и кристаллизация металла сварочной ванны 2 и формирование шва 6. Расплавившееся покрытие всплывает на поверхность, и после остывания образует шлаковую корку 7.

Сварку неплавящимся электродом (вольфрам, уголь) осуществляют дугой прямого (рис.2.9,б) и косвенного действия (рис.2.10). Шов образуется за счет плавления основного металла (рис.2.10) или основного и присадочного металлов (рис.2.9,б). Материал электрода не участвует в образовании шва, КПД дуги прямого действия достигает 0,3-0,4, КПД дуги косвенного действия – 0,2-0,3.

При сварке угольным электродом питание дуги осуществляется от источника постоянного тока. При токе прямой полярности электрод соединен с отрицательным, а основной металл с положительным полюсом источника питания.

 

 

Рис.2.10. Типы сварочных дуг неплавящимся электродом: а – дуга прямого действия на постоянном токе прямой полярности; б – дуга косвенного действия на постоянном и переменном однофазном токе; дуга косвенного действия трехфазная

 

Сварка угольным электродом током обратной полярности (когда на электроде плюс, а на основном металле – минус) не находит практического применения из-за значительного науглероживания металла шва. При сварке на токе прямой полярности науглероживание основного металла не наблюдается. Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе при прямой полярности или на переменном токе с обязательной зашитой области дуги инертным газом, предохраняющим электрод от окисления.

В зависимости от числа электродов различают сварку одним, двумя и тремя электродами. Возможна сварка и большим числом электродов. Сварка дутой прямого действия плавящимся электродом является основным видом электрической сварке плавлением, КПД дуги при этом способе достигает 0,7-0,9.

Сварку плавящимся электродом дугой прямого действия можно осуществлять без дополнительного присадочного металла (рис.2.11,а) или с присадочным металлом, который подают в зону сварки в ручную или механизмом в виде проволоки, ленты и т.д. (рис.2.11,6).

 

 

Рис.2.11. Сварка дугой прямого действия плавящимся электродом на постоянном или переменном токе: а – без дополнительного присадочного металла; б – с дополнительным присадочным металлом, подаваемым в зону дуги в процессе сварке; сварка по металлической крошке

 

Процесс сварки состоит из ряда последовательных операций, в результате которых формируется шов. К этим операциям относятся зажигание и поддержание дугового разряда, манипуляции электродом для придания шву нужной формы и для направления электрода по оси соединения, перемещения дуги вдоль свариваемых кромок по мере формирования шва заданного сечения, прекращение процесса. В зависимости от того, производятся ли указанные операции вручную или при помощи механизмов, различают ручную, механизированную (полуавтоматическую) и автоматическую сварку.

При ручной сварке все операции, необходимые для образования шва, выполняют вручную без применения механизмов; электродами длиной 250-450 мм сварка плавящимся электродом. Для подвода тока служит специальный держатель, который в процессе сварки находится в руке сварщика.

При полуавтоматической сварке плавящимся электродом механизирована операция подачи электрода в зону дуги, для чего применяется специальный механизм. Манипуляции электродом, выполняемые для поддержания заданного режима, придания шву заданной формы и перемещения дуги вдоль свариваемых кромок, осуществляют вручную или при помощи простейшего механизма, приводимого в движение от руки. Сварку производят сварочной проволокой сплошного сечения или порошковой проволокой, подаваемой из кассеты или непосредственно из бухты. Сварочная проволока от подающего механизма к держателю поступает по гибкому шлангу.

При автоматической сварки операции по зажиганию дуги и поддержанию дугового разряда осуществляется сварочной головкой, а перемещение дуги вдоль свариваемых кромок – сварочной тележкой. Оператор не принимает непосредственного участия в образовании шва, а управляет процессом сварки при помощи управляющих устройств.

Автоматическую сварку плавящимся электродом ведут в большинстве случаев сварочной проволокой сплошного сечения диаметром 1-6 мм. Проволока так же, как и при полуавтоматической сварке, подается из специальной кассеты или бухты. Возможно, применение порошковой проволоки и ленты. При автоматической сварке обеспечивается постоянство режима сварки (ток, напряжение, скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки), что обуславливает однородность качества шва по всей его длине. Автоматическая сварка требует наличия специального оборудования и большей точности подготовки и сборки деталей под сварку, так как возможности изменения режима сварки на ходу в зависимости от колебания величины зазора, угла разделки кромок и т.п. весьма ограничены.

При дуговой сварке происходит интенсивное взаимодействие находящегося в расплавленном состоянии металла в сварочной ванне с кислородом и азотом воздуха, что приводит к изменению химического состава и ухудшению механических, коррозионных и других свойств металла шва. Поэтому возникает необходимость в защите зоны сварки от окружающего воздуха.

Широкое применение находит защита зоны сварки при помощи специального состава, наносимого на поверхность, электродной проволоки, или вводимого внутрь полого или имеющего специальную форму электрода (порошковая проволока).

Покрытие электродное на металлический стержень наносят до сварки. При ручной сварке для обеспечения возможности подвода тока к электродному стержню на один из его концов на длине 20-35 мм покрытие не наносят.

При автоматическом процессе широкое применение находит защита зоны сварки гранулированным покрытием – флюсом (рис.2.12). При этом способе флюс 1 подается в зону дуги отдельно от голой электродной проволоки 2. Флюс создает главным образом шлаковую защиту.

 

 

Рис.2.12. Сварка под флюсом

 

Дуга горит между электродом и основным металлом в пузыре 3, образованном парами и газами, выделяемыми в столбе дуги. Столб дуги со всех сторон окружен слоем флюса толщиной 30-50 мм. Под воздействием выделяемой дугой теплоты плавятся кромки свариваемого металла, электродная проволока и часть флюса, примыкающая к зоне дуги, и образуется сварочная ванна 4. По мере перемещения дуги происходит кристаллизация сварочной ванны и формирование шва 5, соединяющего воедино свариваемые детали. Расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны и при остывании образует шлаковую корку 6, легко отделяющуюся от шва при охлаждении. Не расплавившаяся часть флюса может быть использована повторно. Расход флюса по массе примерно равен расходу электродной проволоки. Роль флюса в основном сводится к защите сварочной ванны и к обеспечению заданного качества шва.

При сварке в защитных газах (рис.2.13) зона сварки окружена газом 1, подаваемым под небольшим избыточным давление из сопла 2, обычно расположенного концентрично электроду. Газовая защита применяется при сварке плавящимся и неплавящимся электродом. Роль газа сводится в основном к физической изоляции сварочной ванны 3 от окружающего воздуха. В качество защитной среды используются инертные и активные газы, а также смеси на их основе.

 

 

Рис 2.13.Сварка в защитном газе

 

Разновидностью сварки в защитных газах является сварка в контролируемой атмосфере (рис.2.14). Сварка происходит в камере, где сначала создается вакуум, зятем камера заполняется аргоном, гелием или смесью газов (создается контролируемая атмосфера). При этом обеспечивается более надежная защита сварочной ванны. Этот метод применяют при дуговой сварке неплавящимся электродом химически активных металлов и сплавов автоматом, полуавтоматом или вручную. В некоторых случаях сварку ведут в вакууме без создания специальной атмосферы.

 

 

Рис.2.14. Сварка в контролируемой атмосфере: 1 – приспособление для перемещения свариваемой детали; 2 – фланец для подсоединения воздушного насоса; 3 – канал для подачи защитного газа; 4 – смотровое окно

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: