Сварка плавящимся электродом. (Прямое действие дуги). Этот способ наиболее эффективен и имеет высокий к. п.д. Дуга питается как постоянным, так и переменным током. Чаще к электроду присоединяют отрицательный полюс источника тока, к изделию – положительный (это прямая или нормальная полярность). Присоединение плюса к электроду дает обратную полярность. Выполняется сварка плавящимся электродом по такой же схеме, как и при неплавящемся электроде. Металлический электрод является одновременно источником присадочного металла. Сварка плавящимся электродом может выполняться (см. рис.1.10):
а) открытой дугой, когда металл в области действия дуги не защищен от воздействия воздуха или защищается от его воздействия специальными веществами (газо - и шлакообразующими), вносимыми с электродом в виде покрытия.
б) закрытой дугой, когда место горения ее закрыто порошкообразным флюсом, плавящимся теплом дуги и образующим шлак; дуга горит при этом в пространстве, изолированном слоем шлака и нерасплавленного флюса (в газовом пузыре). Этот метод защиты характерен для механизированной сварки – автоматической и полуавтоматической под слоем флюса.
в) дугой, защищенной от воздуха специальной газовой защитой – углекислым газом, аргоном или гелием. Этот способ относится к способам сварки в среде защитного газа.
|
Рис. 1.10. Сварка плавящимся электродом: |
3) Атомноводородная сварка. При вдувании в дугу между неплавящимся графитовым или вольфрамовым электродами струи водорода последний защищает электроды и расплавленный металл от действия воздуха и является переносчиком тепла из дуги на изделие.
При высокой температуре молекулярный водород распадается на атомы (диссоциирует) и забирает большое количество тепла. (103800 кал/моль). Попадая в область низких температур, атомы снова объединяются в молекулы, выделяя забранное тепло.
При вдувании в дугу неплавящегося или плавящегося электрода специального газа получим разные способы сварки в среде защитных газов. Применяют различные газы: активные, взаимодействующие с металлом при сварке (H2;CO2) или инертные, практически не реагирующие с металлом (аргон, гелий). Так, например, аргоно - и гелиедуговая сварка широко применяются по схеме неплавящегося или плавящегося электрода при выполнении сварных соединений из ряда металлов и сплавов (алюминия, титана и сплавов специальных сталей и никелевых сплавов).
Сварка плавящимся электродом в углекислом газе широко применяется при изготовлении сварных соединений из углеродистых и легированных сталей. Разновидность сварки в среде защитных газов – сварка в контролируемой атмосфере.
4) Электрошлаковая сварка. Если под дугой определенной мощности расплавить достаточно большое количество токопроводящего шлака, то совместным действием шунтирования тока дуги и механическим воздействием веса столба шлака газовый пузырь у дуги может быть исключен. Тогда дуга погаснет, и весь ток от электрода будет поступать на свариваемое изделие вследствие электропроводности расплавленного шлака. В результате тепловыделения в шлаке, обусловленного прохождением тока, расплавляются электрод и кромки свариваемых деталей, образуя металлическую ванну. При вертикальном расположении выполняемого шва (нормальное положение сварки) для предотвращения вытекания расплавленного металла и шлака применяют специальные медные водоохлаждаемые формирующие устройства, механически перемещаемые по поверхности свариваемых деталей со скоростью выполнения шва. По мере удаления источника тепла снизу в результате кристаллизации образуется сварной шов. Этот способ применяют для сварки деталей больших толщин (практически любых) за один проход.
5) Электроннолучевая сварка. Способ основан на использовании для нагрева и расплавления металла энергии пучка быстро движущихся электронов электронного луча.
Испускаемые излучателем – катодом – электроны разгоняются действием электрического поля высокой напряженности до больших скоростей, сравнимых со скоростью света, и фокусируются в тонкий луч, направляемый на изделие, являющееся анодом. Процесс происходит в вакууме не ниже 10-4мм рт. ст. Встречаясь с поверхностью анода, электроны отдают свою энергию в изделие в виде тепла.
2. Сварочная дуга
2.1. Электрические и тепловые процессы при сварке
2.1.1. Общие требования к сварочным источникам тепла
В большинстве случаев сварка выполняется с местным нагревом свариваемых деталей до температуры, определяемой свойствами их материалов и способов сварки. При сварке плавлением температура в месте сварки (Tм) значительно больше температуры плавления металла (Тпл).
Для сварочного нагрева может быть использовано превращение различных видов энергии в тепловую: электрической, химической, механической, лучистой, атомной и др. Наиболее широко применяют источники тепла, основанные на превращении энергии электрического тока в тепло. Это дает следующие преимущества : чистота процесса, возможность точно регулировать нагрев, создавать различные тепловые мощности, получать высокие температуры, необходимые для сварки. Этот источник тепла и самый экономичный.
("8") Электрические источники тепла разнообразны по своей природе и принципу действия. Наиболее важные их них:
1) Электрический дуговой разряд или электрическая дуга;
2) Плазменная струя;
3) Джоулево тепло, выделяющееся в проводниках при протекании через них тока;
4) Индукционные токи, возникающие в металле при воздействии переменного магнитного поля;
5) Электронный луч, бомбардирующий нагреваемое тело электронами.
В химических источниках тепла используют экзотермические химические реакции, идущие со значительным выделением тепла. К ним относятся :
1) сжигание газов, жидкостей иди твердых горючих в смеси с кислородом или воздухом;
2) сжигание основного металла в кислороде;
3)термитные реакции;
4) обменные реакции различных химических соединений с основным металлом.
Сварочные источники тепла должны обладать: 1) большой тепловой мощностью; 2) высокой концентрацией тепла; 3) значительной эффективностью; 4) экономичностью. Кроме того, они должны быть удобными в работе.
Тепловая мощность источника q – полное количество тепла, выделяемого им в единицу времени – (кал/сек).
Часть тепла бесполезно идет на нагрев атмосферы, инструмента, оборудования и т. п., другая часть эффективно расходуется на нагрев деталей. Количество тепла, сообщаемое источником нагреваемой детали в единицу времени, называется эффективной мощностью источника тепла – qu (кал/сек). Важной характеристикой источника тепла является эффективный КПД – 
, представляющий отношение эффективной мощности к полной тепловой мощности: 
или 
. Воздействие источника тепла на нагреваемый металл оценивается интенсивностью источника, определяющей удельную тепловую мощность.
2.1.2. Электрические и тепловые свойства дуги
Электрические свойства дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный самостоятельный разряд электричества в атмосфере газов и паров металла между двумя электродами, проводящими большой ток - (5-4000) А - при относительно низком напряжении – (10-60)В.
В обычных условиях газы не являются проводником, но при наличии заряженных частиц, электронов и ионов становятся электропроводными.
Включенные в цепь два электрода при соприкосновении дают ток короткого замыкания. При этом они сильно нагреваются и выделяют тепло. Металл катода сильно накаляясь, приобретает способность излучать свободные электроны в пространство - термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия (кинетическая энергия электронов становится больше энергии, необходимой для преодоления электростатического притяжения электрода) (рис.2.1.а).
После раздвижки (на 3-5мм) электродов ток не исчезнет, но уменьшится. Вызванный поток электронов вызывает ионизацию газа в межэлектродном зазоре и возникновение дугового разряда. В дуговом промежутке происходят сложные процессы. По пути от катода к аноду электроны сталкиваются с нейтральными частицами воздуха. Вследствие удара и других причин происходит ионизация воздуха: образуются новые катионы и ионы. Положительные ионы, обладающие большой массой и образующие мощный поток, бомбардируют катод, а отрицательные частицы – анод (рис.2.1, б).
В электрической дуге, питающейся постоянным током и горящей между двумя электродами, различают три основных участка - катодную область, столб дуги и анодную область (рис.2.1.в). Дуга окружена ореолом пламени, представляющим собой раскаленную газообразную смесь паров металлов и продуктов их реакции с окружающей средой. Наличие ярко светящегося катодного пятна объясняется многими причинами, одной из главных является бомбардировка ионами. Благодаря свечению катод долгое время сохраняет эмиссию, которая прекратится в противном случае. На катодном пятне весьма велика плотность тока (при I = 300-400 A). На аноде существует анодное пятно, не играющее существенной роли. При бомбардировке его электронами и отрицательными ионами энергия их движения превращается в тепловую.
а) | б) | в) |
Рис. 2.1. Схема процесса зажигания дуги и ее строение: | ||
а – короткое замыкание; б – ионизация воздуха; в - установившаяся сварочная дуга; |
("9") В процессе сварки на основном металле (аноде) образуется углубление, называемое кратером. Расстояние между концом электрода и дном кратера называют длиной дуги lд. Причины образования кратера не очень ясны и на этот счет существует три гипотезы.
Согласно первой гипотезы кратер образуется под действием магнитного поля дуги. Другая гипотеза объясняет кратер давлением газов и паров, образованных при большой температуре. Третья гипотеза – каждая капля испаряется, разлетаясь подобно ракете в разные стороны.
Расстояние от поверхности металла до дна кратера – глубина проплавления – h.
При горении дуги электропроводность столба дуги увеличивается за счет паров металла, нагретого газа, автоэлектронной эмиссии (высокая напряженность электрического поля) и других процессов. Изменение электропроводности столба дуги оказывает решающее влияние на величину тока и напряжение электрической дуги. Напряжение на дуге равно сумме падений напряжений в трех основных областях (рис.2.2).
| Рис.2.2. Напряжение дуги: |
Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. В общем виде статическая характеристика имеет вид (рис. 2.3). При малых значениях Icв в электроде (обл. I) статическая хар-ка дуги падающая (отрицательная).
| Рис. 2.3. Статическая вольт-амперная |
При средних значениях силы тока (ручная и автоматическая сварка под флюсом) напряжение в дуге не зависит практически от силы тока (обл. II, так называемая жесткая характеристика). В этом случае достаточно точно статическая вольт-амперная характеристика может быть выражена аналитически:
,
где lд – длина дуги, мм;
А (вольты) и В (В/мм) – постоянные коэффициенты, зависящие от материала электродов, давления и свойств газовой среды.
Из этого уравнения следует, что при прочих равных условиях, напряжение на дуге будет зависеть от длины дуги (рис.2.3). Из рис. 2.4 видно, что с возрастанием тока – Iсв до (30-50)А – напряжение падает резко, а далее остается почти постоянным. В момент зажигания дуги для ионизации газа требуется напряжение (30-60)В, а при установившемся режиме дуги требуется в 1,5-2 раза меньшее. Напряжение горения дуги при токах более (50-60) А не зависит от силы тока, а только от длины дуги, изменяясь пропорционально ей.
|
Рис. 2.4. Зависимость статической вольт-амперной характеристики от длины дуги
Возрастающая (положительная) вольт-амперная характеристика дуги (обл. Ш) (рис.2.3) получается при большой силе тока (при автоматической сварке под флюсом или при сварке в среде защитных газов).
|
Электрический режим дуги переменного тока обладает рядом особенностей. Характер изменения I и U в электрической дуге переменного тока выражается кривыми (рис.2.5). Если кривая I почти не искажается, то кривая U искажена резко.
Рис. 2.5 Электрический режим дуги, питающейся переменным током
t – время восстановления дуги, с
Здесь t – время восстановления дуги, т. е. время необходимое для восстановления напряжения от 0 до U зажигания дуги. Чем меньше t, тем спокойнее и устойчивее горит дуга. С повышением напряжения уменьшается время восстановления дуги (рис.2.6,а) (U1>U2; t1<t2), но напряжение не должно превышать безопасных значений для промышленной частоты (70-80 B). Условия зажигания дуги (рис. 2.6,б) переменного тока очень зависят от сдвига фаз между U и I. Угол сдвига фаз должен быть таким, чтобы в момент перехода тока через нулевое значение напряжение трансформатора U достигало напряжения зажигания дуги Uд.
("10") Отклонения дуги. На дугу, являющуюся гибким проводником тока, действуют различные факторы, отклоняя ее от прямолинейного направления. Это отклонение, особенно заметное при сварке на постоянном токе большой силы, получило название магнитного дутья. Особенно большой силы оно достигает при токах 300-400 А. На появление магнитного дутья влияют: сила сварочного тока, взаимодействие магнитных полей вокруг электрода и изделия, неуравновешенные ферромагнитные массы, расположение токоподвода к изделию, зазоры между свариваемыми деталями, угол наклона электрода к изделию, воздушные потоки и др. факторы.
а) | б) |
|
|
Рис. 2.6 | |
а – зависимость времени зажигания дуги t от напряжения дуги; |
Собственное магнитное поле возникает от прохождения тока по элементам, составляющим сварочную цепь. При симметричном магнитном поле дуга горит нормально, в противном случае отклоняется (рис. 2.7).
|
|
|
Рис. 2.7. Отклонение дуги под действием собственного магнитного поля |
Соответствующим подбором угла наклона электрода также изменяют интенсивность магнитного дутья. Близко расположенные ферромагнитные массы, имея большую магнитную проницаемость, стремятся на себя замкнуть магнитные силовые линии (рис. 2.8). Аналогичные процессы протекают при сварке угловым швом деталей большого размера (рис.2.9) и при сварке стыковых швов.
|
|
|
|
Рис. 2.8 | Рис. 2.9 |
Наиболее распространенные способы уменьшения влияния магнитного дутья: наклон электрода в сторону отдувания дуги; подключение токоподвода к изделию в определенном месте; уравновешивание магнитных масс; замена постоянного тока переменным.
Тепловые свойства дуги. Электрическая дуга является мощным и концентрированным источником тепла. Распределение температуры в зоне дуги подчиняется сложным законам и весьма неравномерно вдоль и поперек оси дуги. При угольном катоде температура у катода ° по оси, у анода °. В середине дуги температура достигает ° (рис.2.10). Неравномерно и выделение тепла, у анода его больше (42-43%), анод горячее, чем пользуются сварщики, используя прямую или обратную полярность. В большинстве случаев свариваемые детали массивны и чаще применяют прямую полярность. Обратную применяют: I) при сварке тонких элементов во избежание прожога; 2) при использовании электродов некоторых типов (в паспорте указывают ток и полярность). При дуге переменного тока температура и количество выделяемого тепла на обоих электродах выравниваются.
|
Рис. 2.10 |
а – свариваемое изделие; б – угольный электрод |
Тепловая мощность горящей дуги – q0 – полное количество тепла, выделяемое ею в единицу времени (тепловой эквивалент электрической мощности):
q0=0,24(I(Uд, кал/сек.
Часть тепла бесполезно идет на нагрев атмосферы, оборудования и т. п., другая часть эффективно расходуется на нагрев свариваемых деталей. Количество тепла, сообщаемое сварочной дугой свариваемой детали в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги:
q0=0,24(I(Uд(
, кал/сек.
– эффективный КПД нагрева металла дугой, зависящей от способа сварки, материала электродов, состава покрытия и др.
– при сварке тонкопокрытыми электродами и в среде защитных газов (аргон);
– при сварке толстопокрытыми электродами;
("11") 
– при сварке под флюсом.
Погонной энергией дуги называют количество тепла, вводимого в 1см длины однопроходного шва или валика; она определяется отношением эффективной тепловой мощности дуги к скорости перемещения дуги v в см/сек:
Погонная энергия является основным показателем для выбора режима сварки.
При дуговой сварке плавящимся электродом и постоянном сечении однопроходного шва или валика многопроходного шва погонная энергия пропорциональна поперечному сечению однопроходного шва или валика и в этих случаях погонная энергия может быть выражена:
где 
– удельный вес металла шва;
– коэффициент наплавки;
F – поперечное сечение шва, см2.
Подставив в последнюю формулу численные значения для ручной сварки электродами с толстым покрытием и для автоматической сварки получим значения погонной энергии:
обычно принимают: 
где F – площадь поперечного сечения шва, см2.
Пользуясь этой формулой можно определить величину погонной энергии по заданному сечению шва.
Сварка в плазме (плазмотроны). Применяют для сварки и резки металлов высокотемпературную дуговую плазму, получаемую при пропускании столба дуги в атмосфере сжатого газа или в кольцевом магнитном поле. В первом случае независимая дуга горит между вольфрамовым электродом (катодом) и соплом горелки (анодом). Во втором случае между вольфрамовым электродом и свариваемым металлом. Газ, проходя через плазму дуги, сильно ионизируется. Нагрев происходит за счет непосредственной бомбардировки металла частицами струи, температуры соответственно 15000 и 30000(С.
Дуговой плазменной струёй сваривают тугоплавкие металлы, металлы с неметаллами, паяют, производят разделительную резку различных материалов.
2.2. Процессы плавления и переноса металла при дуговой сварке
Перенос электродного металла на изделие - сложный процесс. В начале горения дуги на торце электрода образуется слой расплавленного металла (I), который под действием сил тяжести и поверхностного натяжения собирается в каплю(II). Достигая определенных размеров капля перекрывает дугу, кратковременно замыкая сварочную цепь (III). Мостик из жидкого металла разрывается, дуга вновь возникает, и процесс образования капель повторяется. Величина и кол-во капель в единицу времени зависят от многих факторов (полярности и силы тока, химсостава и физического состояния электродного металла, состава покрытия и т. д.). Перенос металла бывает трех видов: крупнокапельный, мелкокапельный и струйный.
|
Рис. 2.11. Механизм переноса электродного металла в ванну |
Перенос капель жидкого электродного металла на свариваемый металл происходит под действием многих факторов - сил тяжести и поверхностного натяжения, газового дутья и внутреннего давления, электродинамических сил.
("12") Сила тяжести может содействовать или препятствовать переносу капель через дугу, в зависимости от пространственного положения шва при сварке.
Сила поверхностного натяжения стремится придать капле форму с наименьшей поверхностью, в которой она находится до слияния с общей ванной.
Газовое дутье создается за счет частичного превращения электродного металла в пары под действием высокой температуры дуги и за счет давления газов при сгорании покрытия электродов. Газовое дутье направлено по оси электрода и способствует слиянию капли с общей ванной.
Внутреннее газовое давление в каплях металла создается за счет собственных выделенных и поглощенных металлом газов в зоне дуги. С повышением температуры внутреннее давление газов увеличивается, способствуя переносу капли при любом положении шва в пространстве, увеличивается разбрызгивание.
Электродинамические силы имеют наибольшее значение в переносе капель с электрода на изделие. При напряженности электрического поля электрода большей, чем основного металла возникает продольная сила, действующая от электрода к изделию. Сжимая жидкий металл у торца электрода, она способствует отделению и переносу капель в сварочную ванну.
Струйный перенос имеет преимущество перед капельным – меньше выгорают легирующие добавки, повышается чистота металла капель и шва, увеличивается скорость расплавления сварочной проволоки.
Производительность наплавки или производительность переноса электродного металла в шов определяется по формуле:
где 
– коэффициент наплавки, в г/А(ч;
I – сила сварочного тока, А.
3. Металлургические процессы при дуговой сварке
3.1 Условия плавления металла и существования его в жидком виде
Сварка плавлением представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих в следующих характерных условиях:
1) при высокой температуре; 2) в небольшом объеме расплавленного металла; 3) в течение короткого времени; 4) при быстром отводе тепла ввиду наличия близлежащего холодного металла; 5) при участии двух разных металлов; б) при интенсивном воздействии окружающих газов и шлака.
В результате сосредоточенного воздействия тепла сварочной дуги плавится основной и электродный металл вместе с покрытием или флюсом. Расплавленный металл электрода переходит в виде капель различной величины к расплавленному участку основного металла, смешивается с ним, образуя сварочную ванну.
Сварочные ванны различают двух типов:
1) сварочная ванна, образующаяся при естественном охлаждении и формировании шва;
2) сварочная ванна, образующаяся при использовании искусственного охлаждения и принудительного формирования шва.
Сварочная ванна первого типа для ручной и автоматической сварки под флюсом представляет собой следующее (рис.3.1).
При сварке под флюсом расплавленный шлак образует полость-пузырь, охватывающий зону сварки.
("13") Стенки ванны образованы оплавленным основным металлом. Расплавленный металл в ванне в начальный период ее существования частично оттеснен к ее задней стенке, вследствие чего образуется кратер. По мере удаления источника тепла кратер заполняется жидким металлом.
В процессе сварки сварочная ванна перемещается в направлении сварки с определенной скоростью – Vсв, м/с.
Время, в течение которого сварочная ванна переместится вдоль шва на расстояние А, т. е. на длину ванны, называют временем существования ванны.
Это время при автоматической сварке стали толщиной t =5-30 мм колеблется в пределах 5-40 сек, при ручной сварке оно меньше.
| ||||
Рис. 3.1. Сварочная ванна первого типа: |
Ванна расплавленного металла занимает малый объем. Длина ванны А при ручной сварке 20-30 мм, при автоматической – 80-120мм, ширина В, соответственно, 8-12 мм и 20-30 мм; глубина Н – 2-3 и 5-20 мм.
Температура расплавленного жидкого металла в сварочной ванне не везде одинакова: на периферийных участках она близка к температуре плавления, а на участках, находящихся под непосредственным воздействием дуги, значительно выше.
При автоматической сварке малоуглеродистой стали средняя температура ванны около 1800°С, максимальная температура переднего участка 2300°, заднего участка 1530°С.
Сварочная ванна второго типа образуется при электрошлаковой сварке и при вертикальной дуговой сварке под флюсом с принудительным формированием шва (рис.3.2).
Такая ванна заключена между свариваемыми кромками основного металла и охлаждающими стенками формирующих внешних ползунов. Здесь верхняя часть ванны все время находится в жидком состоянии в процессе перемещения, что создает наиболее благоприятные условия для удаления из металла шлаковых включений и газов. Параметры ванны – глубина Н и ширина В.
Металл сварного шва претерпевает значительные температурные воздействия: нагрев, плавление, затвердевание и остывание. Нагреву и остыванию подвергается также и околошовная зона основного металла.
а) | б) |
| |
Рис. 3.2. Сварочная ванна второго типа: |
Изменение температуры во время сварки в данной точке сварного шва или околошовной зоны называется термическим циклом.
Термический цикл зависит от принятого способа сварки и режима сварки. Путем регулировки времени нагрева и остывания и при правильном подборе режима сварки можно повлиять на формирование структуры шва и околошовной зоны, получая требуемое качество сварки.
Основные параметры режима, регулирующего термический цикл сварки, является величина погонной энергии дуги 
и начальная температура металла. С увеличением первой или второй величины уменьшается скорость охлаждения, что благоприятно сказывается на структуре шва и околошовной зоны.
В результате соприкосновения металла ванны с твердым основным металлом происходит быстрый отвод тепла, металл шва кристаллизуется и застывает. В задней части ванны def происходит процесс кристаллизации. На характер кристаллизации расплавленного металла и структуру околошовной зоны влияет быстрота приложения и отвода тепла.
("14") В сварочной ванне происходят следующие процессы на различных этапах ее существования:
а) перемешивание шлака с расплавленным основным и электродным металлом;
б) газовая и шлаковая защита ванны;
в) окисление, раскисление и легирование металла ванны;
г) растворение газов в металле ванны;
д) образование пор и шлаковых включений;
е) кристаллизация металла и формирование шва.
Металл шва представляет собой сплав основного и электродного металла, иногда сильно различающихся по химсоставу. На химический состав металла влияет это, а также реакции в процессе сварки. На ход и интенсивность последних влияют окружающая среда, степень защиты ванны от воздуха, состав окружающих газов и шлака, режим сварки.
3.2. Физико-химические процессы при сварке плавлением
3.2.1. Особенности металлургических процессов при сварке
При высокой температуре в дуге происходят химические реакции, не имеющие места при обычном металлургическом процессе, например диссоциация (разложение сложных молекул) газов:
О2 О + О ± Q1;
N2 N + N ± Q2;
H2 H + H ± Q3;
Q1, Q2, Q3 – количество тепла, поглощаемое или выделяемое реакцией.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
