Тема 3.2.1 Дуговая сварка. Сущность процесса

Вопросы:

1. Дуговая сварка. Сущность процесса. Виды дуговой сварки.

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).

Рис. 66 Зажигание дуги при сварке

Электрическая дуга является концентрированным источником тепла с очень высокой температурой. Тем­пература столба дуги 6 достигает 6000°С, а температу­ра анодного 7 и катодного 5 металла находится в преде­лах 2000…3000°С.

Электрические параметры сварочных дуг могут из­меняться в весьма широких пределах. В наиболее важной для практики дуге прямого действия применяются токи 1…3000 А при напряжении дуги 10…50 В. Мощ­ность дуги может изменяться от 0,01 до 150 кВт, т. е. в 15000 раз. Такой широкий диапазон мощностей позво­ляет применять дуги для сварки металлов от самых ма­лых до весьма больших толщин, от мельчайших деталей до самых больших и тяжелых изделий, конструкций и сооружений.

Напряжение дуги, т. е. напряжение между концами ее электродов существенно зависит от длины дуги и си­лы тока в ней, а также от материала и размеров элект­родом, состава и давления газа, теплового состояния дугового столба и т. д.

Для определения напряжения дуги упрощенно поль­зуются следующей эмпирической формулой:

V = a + bL,

где V – напряжение дуги, В;

L – длина дуги, мм;

а и b – постоянные коэффициенты, определяемые опытным путем и зависящие от материала электродов, состава газовой среды и др. (в частности, а — сумма катодного и анодного падения напряжения дуги – равна 10…12 В при сварке стальным электродом; b – среднее падение напряжения на единицу длины дуги, равное в этом случае 2…3 В на 1 мм).

Для зажигания и поддержания дуги при обычной сварке в случае использования стальных электродов до­статочно напряжение 45…50 В, а при использовании угольных электродов 55…65 В. После установления ду­гового разряда напряжение падает и составляет 18…25 В при стальных электродах и 30…40 В – при угольных.

Источником питания электродуги для сварки может быть постоянный и переменный ток. При дуговом разря­де температура дуги постигает в центре осевой ее части 6000…7000°С в зависимости от силы и плотности тока.

Для получения высококачественного сварного соеди­нения необходимо обеспечить устойчивое горение дуги и не допускать ее прерывания.

Расстояние между электродом и свариваемым метал­лом при сварке плавящимся электродом должно быть не более 0,6…0,8 диаметра электрода; практически длина дуги в этом случае составляет 3…4 мм. При короткой дуге происходит меньшее насыщение металла кислоро­дом и азотом, снижающими прочность сварного шва.

Устойчивость дуги при использовании постоянного тока значительно выше, чем при применении переменно­го тока. При питании переменным током дуга менее устойчива потому, что при нормальной частоте (50 Гц) происходит синусоидальное изменение напряжения и тока; ток в секунду 100 раз меняет свое направление, дуга периодически гаснет и зажигается и при наличии недостаточной ионизации между электродами дуга мо­жет прерваться.

Повышение устойчивости дуги достигается примене­нием переменного тока повышенной частоты (150…450 Гц), использованием ионизирующих покрытий электродом (К₂СО₃, CaСО₃) или наложением токов вы­сокой частоты (т. в. ч) На основной ток дуги, при кото­ром устойчивость дуги обеспечивается за счет непре­рывной ионизации дугового столба т.в.ч. В этом случае на электрод подается, кроме напряжения от основного источника питания, одновременно и напряжение повы­шенной частоты от прибора (осциллятора), достигаю­щее 10⁶ Гц, и напряжение 2500…3000 В при небольшой мощности 0,2…0,3 кВт.

При сварке применяют прямую и обратную поляр­ность. При прямой полярности минус источника тока подключается к электроду, а плюс – к свариваемой де­тали, а при обратной полярности плюс подключается к электроду, а минус – к свариваемой детали.

При сварке угольным электродом на постоянном то­ке на прямой полярности дуга легче возбуждается и ус­тойчивее, чем при сварке на обратной полярности. При использовании металлических плавящихся электродов полярность дуги меньше влияет на устойчивость дуги, и сварка осуществляется как на переменном, так и на постоянном токе с прямой и обратной полярностью в за­висимости от состава покрытия электродов и флюсов.

3. При сварке металлической ду­гой стержень выполняет функции электрода и присадочного метал­ла. Так как сварной шов представляет собой сплав электродного и основного металла и его механические свойства всецело опреде­ляются ими, электродные стержни должны изготавливаться из проволоки, в которой строго выдержан химический состав. Стальную сварочную проволоку изготавливают по ГОCT 2246–70 и специальным техническим условиям.. ГОСТ включает 77 марок сварочной проволоки. Самой распространенной маркой углеродистой прово­локи является Св-08. Ее изготавливают холоднотянутой. Особое внимание выбору проволоки следует уделять при сварке специаль­ных сталей. Для ручной дуговой сварки проволока перерабатывает­ся на электроды. Длина электрода колеблется от 250 до 450 мм, а диаметр – от 1 до 12 мм.