Лекция 8 Дуговая сварка плавлением (3 часа)

Тематический план:

8.1 Виды электродуговой сварки

8.2 Электрическая сварочная дуга и ее свойства

8.1 Виды электродуговой сварки

Дуговая сварка плавлением относится, согласно классификации, к термическому классу способов сварки, осуществляемых с использованием тепловой энергии.

Источником тепловой энергии при дуговой сварке плавлением служит электрическая дуга, представляющая собой постоянный дуговой разряд, возбуждаемый между электродом и заготовкой.

Как известно, дуговая сварка может выполняться неплавящимся электродом по способу Н.Н. Бенардоса и плавящимся электродом по способу Н.Г. Славянова.

Кроме этих известных классических способов электродуговой сварки в настоящее время находит применение сварка с использованием косвенной дуги, горящей, как правило, между двумя неплавящимися электродами и тепло, которой используется для выполнения процесса сварки.

Используется также для электродуговой сварки дуга смешанного типа, иногда называемая трехфазной дугой. В этом случае, одновременно при питании дуги трехфазным током, происходит горение дуги между двумя электродами (косвенная дуга) и между каждым из электродов и металлом заготовки (прямые дуги).

В широко используемых способах электродуговой сварки в различных отраслях промышленности питание дуги осуществляется переменным или постоянным током.

Если используется для дуговой электрической сварки постоянный ток, то такие способы сварки имеют следующие преимущества:

а) устойчивое горение электрической дуги;

б) возможность регулирования температуры разогрева металла заготовки посредством изменения полярности.

Но таким способам присущи и недостатки:

а) низкий коэффициент полезного действия сварочной аппаратуры, работающей на постоянном токе (в среднем – 0,5);

б) значительный расход электрической энергии на 1 кг. металла сварного шва, более чем в 2 раза, превосходящий расход в случае использования переменного тока.

При сварке на переменном токе способам сварки присущи следующие преимущества:

а) сравнительно недорогое сварочное оборудование, чем при сварке на постоянном токе;

б) меньшие габариты, более мобильное оборудование и меньшие производственные площади;

в) простота эксплуатации сварочного оборудования;

г) сравнительно высокий К.П.Д. сварочных трансформаторов (в среднем ≈0,8);

д) малый расход электроэнергии на 1 кг. металла сварного шва.

Наряду с таким набором преимуществ и довольно существенный недостаток при сварке на переменном токе – это не устойчивое горение дуги в процессе выполнения сварки, что приводит, в конечном счете, к потере электродного металла при разбрызгивании и интенсивном окислении и понижении физико-механических характеристик металла сварного шва.

В случае применения постоянного тока для электродуговой сварки различают сварку на прямой и обратной полярности. Прямая полярность предполагает подключение электрода к отрицательному полюсу источника тока, т.е. электрод в этом случае будет катодом. Обратная полярность – это подключение электрода к положительному полюсу источника тока и электрод будет анодом.

8.2 Электрическая сварочная дуга и ее свойства

Для получения, а затем для поддержания существования электрической дуги необходимо осуществлять ионизацию воздушного (газового) промежутка между электродом и свариваемой заготовкой.

Такая ионизация осуществляется электронами из поверхности катода за счет термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий, причем интенсивность первой регламентируется в основном температурой катода, а второй – напряженностью электрического поля.

Вылетающие из поверхности катода электроны ионизируют атомы и молекулы газообразных веществ, что в конечном счете приводит к явлению проводимости в зазоре между электродом и металлом заготовки и как результат – к стабильному функционированию электрической дуги, как источника тепловой энергии в процессе сварки.

Отрицательно заряженные частицы электроны направляются к аноду (металл заготовки), а положительно заряженные ионы к катоду (электрод).

В процессе образования электрического разряда – электрической дуги – образуется тепловая и световая энергия, а также электромагнитное излучение.

Распределение, например, тепловой энергии происходит примерно следующим образом. На аноде выделяется около 45 % тепла от общего количества теплового запаса дуги, как результат бомбардировки электронами, энергетически более мощными по сравнению с ионами, бомбардирующими катод, и выделение тепловой энергии на котором, по этой причине, составляет примерно 35 %. Остальная часть тепловой энергии выделяется в столбе электрической дуги.

Температура, в случае использования стального электрода, составляет около 2400 ⁰С на катоде, и 2600 ⁰С– на аноде, что необходимо учитывать при разработке технологических процессов сварки различных металлов и сплавов.

Следует указать, что при сварке с использованием не плавящихся электродов для ионизации газов в зазоре электрод-металл заготовки используют включение в электрическую сварочную цепь генератора высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятора) для зажигания электрической дуги. Частота осциллятора порядка 10⁶ Гц и напряжение 2500-3000 В при сравнительно небольшой мощности 0,2-0,3 кВт.

Электрическая сварочная дуга в общей сварочной электрической цепи является ее одним из участков. Сама же дуга также состоит, как уже было выяснено в начале настоящей главы, из отдельных участков – катодная зона, столб сварочной дуги и анодная зона.

Особенностью участка сварочной цепи – сварочной дуги является то, что она наиболее подвержена сильному воздействию электромагнитных сил, возникающего магнитного поля вокруг проводника с протекающим по нему электрическим током. Интенсивность такого сильного воздействия вызвана тем, что проводник (электрическая дуга) представляет собой смесь жидких и газообразных веществ. Это явление, как известно, носит название пинч-эффекта.

Данное воздействие на сварочную дугу пропорционально величине сварочного тока – с увеличением величины сварочного тока увеличивается и интенсивность проявления пинч-эффекта.

Электромагнитные силы, воздействующие на сварочную дугу, оказывают существенное влияние как на характер, так и на интенсивность «транспортировки» жидкого металла от металлического стержня электрода до сварочной ванны металла свариваемой заготовки. Это явление особенно важно учитывать при выполнении сварочных швов в различных пространственных положениях, особенно потолочных и близких к ним по расположению сварных швов.