Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

имени Ю.А.Гагарина

«Технология дуговой сварки.»

Методические указания к выполнению практических и лабораторных работ по курсу «Технологические процессы в машиностроении», «Физико-химические основы материаловедения и технологии конструкционных материалов» по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов»

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Cаратов 2017

Технология дуговой сварки

Цель работы: ознакомиться с физико-металлургическими процессами и технологией электродуговой сварки.

Задачи работы изучить:

• строение сварочной дуги и режимы сварки;

• физико-металлургические процессы, лежащие в основе сварки;

• механизм формирования и кристаллизации металла при сварке;

• виды сварных соединений и швов;

• вопросы свариваемости, выбора электродов и режимов сварки

1. Содержание работы

У истоков современного сварочного производства стояли выдающиеся русские учёные: открывший электрическую дугу В.В. Петров (1802г), создавшие способы электродуговой сварки Н.Н. Бенардос (1882 г) и Н.Г. Славянов (1883). Их гениальные идеи нашли широкое воплощение в наши дни – электродуговая сварка является доминирующей в технологии производства металлоконструкций различного назначения.

Дуга	Рис.1. Схема сварочной установки для дуговой точечной сварки с использованием держателя, предложенного Н.Н. Бенардосом в 1887 г

В 1896 г. Спенсер (США) получил патент на изобретение в области упрочнения деталей дуговой наплавкой. В 30 г распространяется дуговая сварка покрытыми электродами, что существенно расширило её возможности. Неоценимый вклад в развитие сварочного производства внесли учёные и сотрудники ИЭС им. Е.О. Патона, МВТУ им. Э.Н. Баумана.

1.1. Структура и строение сварочной дуги

Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения, каких либо твердых материалов, путем их местного плавления или пластического деформирования, в результате чего образуются прочные связей между атомами свариваемых материалов.

По физическим признакам сварочные процессы подразделяются на три класса (таблица 1):

Таблица 1

«Физические признаки сварочных процессов»

ТЕРМИЧЕСКИЙ (сварка плавлением с использованием тепловой энергии)	ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ (с использованием тепловой энергии и давления)	МЕХАНИЧЕСКИЙ (с использованием механической энергии и давления)
дуговая, электронно-лучевая, электрошлаковая, плазменная, ионно-лучевая, сварка тлеющим разрядом, индукционная, термитная, газовая, литейная	контактная, индукционно-прессовая, диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, печная, термитно-прессовая	холодная, ультразвуковая, взрывом, трением, магнитно-импульсная

Дуговая сварка является наиболее распространенным и универсальным видом сварки. Относится к сварке плавлением и сама может классифицироваться по целому ряду признаков, наиболее важными из которых являются: вид электрода, принцип действия дуги на основной металл, род сварочного тока, полярность постоянного тока, длина дуги.

Сущность электродуговой сварки заключается в том, что под действием электрического тока (50 – 1000 и более А) и напряжения (16 – 40 В) от источника питания (трансформатора, выпрямителя и др.) между электродом и свариваемыми деталями возникает дуговой разряд (рис. 2 а и 2 б), представляющий собой концентрированный поток энергии свободных электронов и др. частиц (квазиплазма) с высокой температурой (5000 – 8000 и более ⁰С), достаточной для плавления электрода (или присадки), которые расплавляясь и оплавляя свариваемые кромки, заполняют пространство между свариваемыми деталями, а затем, охлаждаясь, кристаллизуются, образуя неразъёмное соединение, рис. 2.б

Рис. 2. Электрическая дуга: а - распределение падения напряжений; б — процесс объемной ионизации газа; г – схема дуговой сварки; 1 — электрод; 2— катодное пятно; 3 — катодная область; 4 — столб дуги (МЭП); 5 — анодная область; 6 — анодное пятно; 7 — сварочная ванна; 8 — основной металл; 9 – шов; 10 – свариваемое изделие; 11 – капельный перенос; 13 – присадка (проволока без тока. ИП – источник питания; U_к, U_ст, U_а – падение напряжение на катоде, в столбе дуги, аноде соответственно; l_к, l_а, l_ст – длина прикатодной, анодной областей и столба дуги; МЭП – межэлектродный промежуток (длина дуги, l_д); h – глубина проплавления

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока U_Д=f(I_Д) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) дуги. На рисунке 3 показаны статические ВАХ дуги в координатах плотность сварочного тока (А/мм²) – напряжение дуги.

Как видно из рисунке 3. кривая ВАХ дуги в зависимости от различных условий имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую.

Рис. 3 – Статические вольтамперные характеристики дуги:

1- Падающая, 2- жесткая, 3- возрастающая

В области 1 с увеличением тока, напряжение значительно уменьшается, что связано с увеличением поперечного сечения, а следовательно и проводимости столба дуги.

В области 2 напряжение не зависит от увеличения тока, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току.

В области 3 увеличение напряжение на дуге резко возрастает с увеличением тока, вследствие того что электрод имеет конечное значение поперечного сечения и, следовательно, размеры катодного пятна не могут расти выше определенного значения.

Дуга в режиме падающей ВАХ неустойчива, поэтому имеет ограниченное применение.

Дуга в режиме жесткой ВАХ устойчива и обеспечивает благоприятные условия для ручной дуговой сварке. В этом случае падение напряжение на дуге зависит только от ее длины:

, (1)

b – среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм. Составляет 2..3 В/мм,

l_Д – длина дуги, мм.

Сумма падений напряжений на катоде и аноде (сумма в скобках) для стальных электродов равна 1012 В.

Оптимальная длина дуги равна 0,51,1 от диаметра электрода, и по абсолютной величине разделяется на «короткую» - 24 мм, «нормальную» - 46 мм и «длинную» - более 6 мм.

Короткая дуга горит устойчиво, обеспечивает получение высококачественного шва, но велика вероятность замыкания электрода на металл с обрывом дуги – «примерзание» электрода.

Длинная дуга горит неустойчиво с характерным шипением. Глубина проплавления металла недостаточная, расплавленный электродный металл разбрызгивается и хуже формирует шов.

Дуга в режиме возрастающей ВАХ имеет место при автоматической сварке под флюсом или в среде защитных газов.

Генерация электрической дуги.

Дуга – представляет мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла, рис. 2 б. Заряженные частицы образованы в межэлектродном промежутке (МЭП) путём разрушения нейтральных атомов (А) и молекул. На стартовом этапе зарождения дугового разряда от источника питания (ИП) под действием напряжённости электрического поля на торце электрода (катодное пятно) возникает эмиссия электронов, которые инициируют процесс ионизации. Электрическая эмиссия на вершинах микронеровностей в момент зажигания дуги достигает 1,5 10¹² В / см, что обусловлено высокой степенью напряженности.

Ионизация характеризуется коэффициентом ионизации _i - это количественная характеристика, определяющая соотношение в дуге заряженных (n_е, n_i) и нейтральных (N, n) частиц

_i = n_е/N=(n_i+ n_е)/(n+n_е+n_i). (2)

В МЭП происходит комплекс явлений: упругие и нейтральные столкновения заряженных частиц, их возбуждение, диссоциация молекул, диффузия, реактивация, рекомбинация, деионизация. Деионизация сопровождается рекомбинацией и диффузией заряженных частиц в эффективном сечении столкновений. Рекомбинация происходит в тройных соударениях: электрон – электрон – ион, сопровождающихся излучением избытка энергии частиц. В стационарном разряде наблюдается равновесие актов ионизации и деионизации. Деионизация идёт с выделением энергии и нейтрализацией ионов, а ионизация - с поглощением энергии.

i + е  а + h, а + h  i + е, (3)

здесь а, i, е, h - символы атома, иона, электрона, фотона (h- постоянная Планка;  - частота). Молекулы, диссоциируя, поглощают тепло:

Н₂ + 431 кДж/моль 2Н; N₂+ 943 кДж/моль  2N; О₂+503 кДж/моль2О. Нагрев происходит за счёт обратной реакции – ассоциации атомов.