Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

6.4. Электрическая сварочная дуга

Основные понятия о сварочной дуге. Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие разновидности дуговой сварки:

-сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 6.6, а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3 либо с применением присадочного металла 4;

-сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 6.6, б) с одновременным расплавлением основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом;

Рис. 6.6. Схемы дуговой сварки

-сварка косвенной дугой 5 (рис. 6.6, в), горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами 7; при этом основной металл 3 нагревается и расплавляется теплотой столба дуги;

-сварка трехфазной дугой 6 (рис. 6.6, г), при которой дуга горит между электродами 7, а также между каждым электродом и основным металлом 3.

161

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором – к положительному (анод).

Кроме того, разновидности дуговой сварки различают также по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Горение дуги. Дуга – мощный стабильный электрический разряд в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3– 6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.

Короткое замыкание (рис. 6.7, а) выполняется для разогрева торца электрода 1 (катода) и заготовки 2 (анода) в зоне ее контакта с электродом. После отвода электрода (рис. 6.7, б) с его разогретого торца под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся от катода к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4.

Рис. 6.7. Схема процесса зажигания дуги

По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная их ионизация. В результате дуговой промежуток становится электропроводимым.

162

Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда в столбе дуги 6 (рис. 6.7, в).

Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающего его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь на короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом.

Температура столба дуги 6 (см. рис. 6.7, в) зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катода 5 и анода 7 приближается к температуре кипения металла электродов. Эти температуры дуги постоянного тока при сварке покрытым стальным электродом составляют соответственно около 6000, 2700, 2900 °С. При этом в анодной области дуги, как правило, выделяется больше тепловой энергии, чем в катодной. При сварке дугой переменного тока температуры анода и катода выравниваются вследствие периодической смены полярности.

Источники переменного тока более распространены, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ. Сварочные трансформаторы проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД, чем выпрямители и генераторы постоянного тока.

Плавление и перенос металла в дуге. Устойчивое горение, не-

обходимое для высокого качества сварки, достигается при длине дуги а около 3–5 мм (рис. 6.8). Величину проплавления свариваемого металла называют глубиной сварки b.

Рис. 6.8. Схема электрической сварочной дуги:

1 – шлаковая корка;

2 – защитная газовая атмосфера;

3 – покрытие электрода;

4– стержень электрода; 5 – сварочная дуга

163

Обычно в сварочную ванну с электрода в виде капель стекает до 90 % всего металла плавящегося электрода; 10 % металла не достигают сварочной ванны вследствие частичного разбрызгивания, испарения и окисления.

При любом способе сварки и положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие в виде капель (рис. 6.9). Капли 1 жидкого металла переносятся от электрода 3 к сварочной ванне 5 под действием силы тяжести, сил поверхностного натяжения, давления образующихся в металле газов и сжимающего действия электромагнитных сил 2, способствующих образованию шейки 4.

Поверхностное натяжение способствует переносу металла с электрода на изделие при применении короткой дуги. Сила давления газов, возникающих при плавлении электрода, также помогает процессу переноса капли с электрода на деталь. Это также очень важно при потолочной сварке. Электрический ток, проходящий по электроду, создает вокруг электрода магнитное силовое поле, которое оказывает сжимающее действие на жидкую каплю металла и образует шейку при его расплавлении (пинч-эффект). Электромагнитные силы способствуют переносу капли металла при всех положениях шва в пространстве с электрода на изделие.

Для зажигания электрической дуги необходима сравнительно небольшая разность потенциалов на электродах: обычно для металлических электродов она составляет около 40–60 В при постоянном токе и около 50–70 В при переменном. После возбуждения дуги напряжение уменьшается. Дуга между металлическим электродом и свариваемым металлом устойчиво горит при напряжении 15–30 В, а между угольным и графитовым электродами и металлом

– при напряжении 30–35 В. Напряжение, необходимое для поддержания горения дуги зависит от химического состава электродного стержня, его покрытия, давления газов в окружающей среде, величины и рода тока; в основном оно определяется длиной дуги.

164

При работе на постоянном токе свариваемое изделие обычно присоединяют к положительному полюсу (аноду), а электрод – к отрицательному полюсу (катоду). Такое соединение называют включением на прямую полярность. Иногда (особенно при малых сечениях изделия), во избежание прожога, изделие присоединяют к катоду, а электрод к аноду. Такое соединение называют включением на обратную полярность.

Горение дуги при переменном токе менее устойчиво, чем при постоянном. Устойчивость дуги увеличивается с повышением напряжения, с увеличением частоты переменного тока или созданием специальной газовой среды путем обмазки электродов.

6.5. Металлургические процессы при сварке

Особенности металлургических процессов при сварке. Сва-

рочная ванна представляет собой относительно небольшой объем перегретого выше температуры плавления расплавленного металла, находящегося в контакте, как правило, сверху в передней части с газовой атмосферой дуги, в хвостовой части со слоем расплавленного шлака, снизу и боков с твердым холодным основным металлом. Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания основного и электродного (или присадочного) металлов.

Химический состав сварочной ванны, в первую очередь, определяется составом электродной проволоки и основного металла в зависимости от доли его участия в шве. Доля участия основного металла определяется способом и режимом сварки и может изменяться от 0,15 до 0,6 для ручной сварки покрытыми электродами и автоматической под флюсом соответственно. Конечный состав шва устанавливается после протекания металлургических процессов на поверхностях и объеме капель электродного металла и сварочной ванны в результате контакта с газовой и шлаковой фазами.

Основные реакции в зоне сварки. Металлургические процес-

сы в сварочной ванне развиваются в соответствии с основными закономерностями металлургии металлов. Особенности состоят, с одной стороны, в высокой скорости протекания процессов, обусловленной высокой температурой, с другой – их незавершенно-

165

стью вследствие кратковременности существования сварочной ванны.

Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой оп-

ределяется составом атмосферы дуги и химическими свойствами элементов, содержащихся в расплавленном металле. Атмосфера дуги состоит из смеси газов: O2, N2, H2, CO, СО2, паров: воды, металла и шлака. О2, N2, H2 попадают в нее в основном из воздуха, а также из сварочных материалов (сварочной проволоки, покрытий электродов, флюсов и защитных газов). Дополнительным источником O2 и Н2 могут быть ржавчина, органические загрязнения и конденсированная влага на поверхности проволоки и свариваемого металла. СО2 и СО образуются в результате разложения в дуге компонентов покрытий электродов и флюсов. В случае сварки в защитной атмосфере углекислого газа они составляют основу атмосферы дуги. Количественное соотношение и парциальное давление газов зависит от вида сварки и применяемого способа защиты сварочной ванны. При высокой температуре дуги основная часть газов диссоциирует и переходит в атомарное состояние. При этом их химическая активность и способность к растворению в расплавленном металле повышается.

Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, в первую очередь окисляет элемент, составляющий его основу. В случае стали окисляется железо, и образуются его оксиды. Оксид FeO растворяется в металле шва и окисляет примеси или легирующие элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду: Si, Mn, Ti, Сг, С и др. Оксиды этих элементов не растворимы в железе, и их основное количество переходит в шлак. Оксид углерода выделяется из расплавленного металла в атмосферу.

Азот растворяется в расплавленном металле. При содержании свыше предела растворимости азот образует химические соединения – нитриды. Нитриды могут образовываться также с легирующими элементами, входящими в состав сплавов (в стали нитриды титана и алюминия).

Водород также растворяется в расплавленном металле. С рядом металлов (Ti, V, Nb и др.) водород образует химические соединения – гидриды.

166

Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой может приводить к следующим отрицательным последствиям:

-«выгоранию» легко окисляемых элементов, а следовательно, к снижению их содержания в сварочной ванне по сравнению с содержанием в сварочной проволоке;

-снижению прочностных и главным образом пластических свойств при наличии в шве оксидов, нитридов и водорода (растворенного или скопившегося в микронесплошностях металла);

-образованию пор в шве вследствие задержки выхода пузырь-

ков газа (N2, H2, CO) в процессе кристаллизация сварочной ванны. Основные способы предотвращения отрицательного влияния га-

зов:

-создание эффективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум); тщательная очистка свариваемой поверхности, проволоки, прокалка сварочных материалов и осушка защитных газов;

-введение в состав сварочных материалов необходимого количества элементов раскислителей, способных связать попавший в сварочную ванну кислород в нерастворимые оксиды (для стали Mn, Si, Ti);

-применение сварочных материалов с повышенным содержанием легкоокисляющихся элементов с целью компенсации их выгорания при сварке.

Взаимодействие расплавленного металла и шлака определяется составом шлака и условиями перераспределения растворимых соединений между контактирующими жидкими фазами шлаки образуются в результате расплавления покрытий электродов или флюсов. Они состоят из смеси оксидов, фторидов, хлоридов различных элементов и чистых металлов. В результате взаимодействия со шлаком происходит раскисление металла сварочной ванны, удаление вредных примесей путем связывания их в нерастворимые соединения и вывода в шлак, легирование шва определенными элементами для восполнения их выгорания при сварке или придания шву специальных свойств.

При сварке сталей раскислителями служат Mn и Si, которые восстанавливают FeO, а их нерастворимые оксиды выводятся в

167

шлак. Кроме того, марганец нейтрализует вредное действие растворенной в железе серы, связывая ее в нерастворимый и тугоплавкий сульфид MnS. Мелкие частицы нерастворимых оксидов и сульфидов остаются в металле шва в виде неметаллических включений. Однако их вредное влияние существенно меньше, чем FeO и FeS. Через шлак шов можно легировать различными элементами.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленного основного металла и протекает путем роста столбчатых кристаллитов к центру шва. При этом оси кристаллита, как правило, остаются перпендикулярными к поверхности движущейся сварочной ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются и вытягиваются в направлении сварки (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Столбчатые кристаллиты в сварном шве:

1 – сварочная ванна;

2 – изотерма кристаллизации шва; 3 – столбчатый кристаллит

Вследствие дендритной ликвации примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях может быть причиной образования горячих трещин.

Строение сварного шва. Строение сварного шва после затвердевания и распределения температуры малоуглеродистой стали показаны на рис. 6.11. Наплавленный металл 1 получается в результате перевода присадочного и частично основного металлов в жидкое состояние, образования жидкой ванночки и последующего охлаждения, в процессе которого происходит соединение расплавленного металла с основным 2. В узкой зоне сплавления I (зона взаимной кристаллизации) образуются зерна, в равной мере принадлежащие основному и наплавленному металлу.

168

щающую его от воздействия воздуха, раскисляют и прикрывают жидкую ванночку специальными шлаками, вводя легирующие добавки.

Наплавленный металл имеет столбчатое (дендритное) строение, характерное для литой стали. Если наплавленный металл или соседний с ним участок I (см. рис. 6.11) был сильно перегрет, то при охлаждении на участке II зерна основного металла (малоуглеродистой стали) имеют игольчатую форму, образуя грубоигольчатую структуру.

Этот участок обладает наибольшей хрупкостью и является наиболее слабым местом сварного соединения. На участке III температура металла не превышает 1100 oС. Здесь наблюдается нормализация стали, в результате которой сталь имеет мелкозернистое строение. Металл на этом участке имеет повышенные механические свойства по сравнению с основным металлом.

На участке IV происходит неполная перекристаллизация стали, так как она нагрелась до температуры, лежащей между критическими точками Ас1 и Ас2 р На этом участке наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. На участке V структурных изменений в стали не происходит (если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации). В противном случае на этом участке наблюдается рекристаллизация. На участке VI структура стали не отличается от основной структуры.

Структурные изменения основного металла в зоне термического влияния мало отражаются на механических свойствах малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами. Однако при сварке некоторых конструкционных сталей в зоне термического влияния может происходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин.

Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры зоны термического влияния минимальные (2–2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность этой зоны равна 4–10 мм, а при газовой сварке – 20–25 мм.

170