Саратовский государственный технический университет

Кафедра «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки»

Методические указания к лабораторной работе

по курсу:

«Технология конструкционных материалов»

«Технология дуговой сварки»

Саратов - 2006

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с физико-металлургическими процессами и технологией электродуговой сварки.

З а д а ч и р а б о т ы 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

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

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). (1)

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, (2)

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.