Электродуговая сварка

Электродуговая сварка относится к термическому классу и является самым распространённым способом сварки. Плавление металла при электродуговой сварке происходит под действием тепла, выделяющегося при горении электрической дуги. Электрическая дуга – это ток через ионизированный газ, заключённый между твёрдыми или жидкими электродами. В обычных условиях газы являются диэлектриками, их атомы и молекулы нейтральны.

Для возбуждения (зажигания) дуги делают короткое замыкание электродов, пятна контакта сильно нагреваются, электроды разводятся на несколько мм, из атомов разогретых участков под действием электрического поля вылетают электроны, разгоняющиеся до скорости около 2 км/с. Столкновение приобретших большую кинетическую энергию электронов с нейтральными атомами приводит к их разбиению на электроны и положительно заряженные ионы, которые разгоняясь и сталкиваясь с другими атомами ионизируют их и т.д.

Схема процесса ионизации дугового промежутка показана на рис. 5.

Рис. 5. Процесс ионизации дугового промежутка.

Другой способ возбуждения дуги без короткого замыкания заключается в кратковременной подаче на электроды высокого переменного напряжения от специального источника тока – осциллятора.

Рис.6. Статическая характеристика дуги.

Ток в ионизированном газе не подчиняется закону Ома, а зависит от степени ионизации. Зависимость между напряжением и током дуги называют её статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) (рис. 6а). Характеристика имеет три участка: I–падающий, II–жёсткий, III–возрастающий. Наиболее часто используется режим горения дуги, соответствующий жёсткому участку. При изменении длины дуги (расстояния между электродами) характеристика меняет своё положение (рис. 6б).

Электрическая дуга является мощным источником тепла. В зависимости от технологических особенностей разных видов дуговой сварки от 60% до 90% выделяющегося тепла идёт на нагрев и плавление металла, остальное рассеивается в окружающую среду. Температура в столбе дуги достигает 7000°С, а на катодном и анодном пятнах электродов – соответственно 2400°С и 2600°С. Таких температур вполне достаточно для плавления большинства металлов.

Для питания электрической дуги при сварке необходимы специальные источники тока с определённым типом их вольт-амперной характеристики. Источники питания для механизированной под флюсом и ручной дуговой сварки имеют так называемую крутопадающую ВАХ (рис. 7). Такая характеристика обеспечивает напряжение достаточное для возбуждения дуги, малые изменения сварочного тока при изменении длины дуги по разным причинам, ограничение величины тока короткого замыкания.

Рис.7. Внешняя ВАХ источника питания и семейство ВАХ дуги.

Для питания дуги могут использоваться источники переменного или постоянного тока. Источники питания переменного тока по сравнению с источниками постоянного тока дешевле, проще конструктивно и в эксплуатации, долговечнее, имеют более высокий к.п.д. Источники питания постоянного тока обеспечивают более устойчивое горение дуги, лучший переход расплавленного электродного металла в сварочную ванну.

Источники питания переменного тока – это сварочные трансформаторы разных типов. Один из них показан на рис. 8. Источник состоит из собственно трансформатора 1 с первичной 6 и вторичной 5 обмотками и дросселя 2 с обмоткой 4. Трансформатор снижает напряжение до безопасного, но достаточного для возбуждения дуги уровня 60…80 В. Дроссель обеспечивает крутопадающую ВАХ. При протекании тока через обмотку дросселя в ней возбуждаются электродвижущие силы самоиндукции, направленные противоположно напряжению вторичной обмотки трансформатора.

Чем больше ток, тем сильнее самоиндукция, в результате и получается крутопадающая ВАХ. Дроссель является индуктивным сопротивлением, на величину которого можно влиять изменением зазора 3 в магнитопроводе дросселя. При увеличении зазора индуктивное сопротивление дросселя уменьшается, и ток возрастает. Так дроссель ещё участвует и в регулировании величины сварочного тока для обеспечения заданного режима сварки.

Рис.8. Сварочный трансформатор типа СТЭ.

а) схема трансформатора, б) ВАХ трансформатора и дуги.

Источники питания постоянного тока – это сварочные генераторы и полупроводниковые выпрямители (рис. 9).

Рис. 9. Трёхфазный сварочный выпрямитель.

1 – трансформатор, 2 – полупроводниковые выпрямители, 3 – дроссель.

Электродуговая сварка имеет несколько видов, отличающихся друг от друга разными признаками.

По виду участия электрода в образовании шва различают сварку неплавящимся электродом (рис. 10а) и плавящимся электродом (рис. 10б).

Рис. 10. Схемы электродуговой сварки.

1 – электрод, 2 – источник питания, 3 – дуга, свариваемые элементы, 5 – присадочный металл.

В качестве неплавящихся электродов используют угольные или вольфрамовые стержни. Формирование шва нужного сечения в этом случае обеспечивается плавлением присадочного металла в виде прутка или проволоки, конец которого вводится в столб дуги. Плавящийся электрод – пруток или проволока. Плавящийся электрод и присадочный металл имеют химический состав аналогичный составу свариваемых элементов.

По виду дуги различают сварку прямой (зависимой) дугой (рис. 11а), косвенной (независимой) дугой (рис. 11б), трёхфазной дугой (рис. 11в).

Рис.11. Схемы сварки с разными видами дуги.

1 – электроды, 2 – прямая дуга, 3 – свариваемые детали, 4 – косвенная дуга, 5 – трёхфазная дуга.

Прямая или зависимая дуга горит между электродом и свариваемыми деталями. При питании от источника постоянного тока она может быть прямой и обратной полярности. Если плюс на деталях, а минус на электроде, то это прямая полярность. Та или иная полярность обуславливают лучшее качество сварки в разных технологических ситуациях. Косвенная или независимая дуга горит между электродами, в этом случае полярность не важна. И прямая и косвенная дуги могут питаться как постоянным, так и переменным током. При сварке трёхфазной дугой между электродами горит независимая дуга, и между каждым электродом и деталями зависимые дуги. Трёхфазная дуга очень мощный теплоисточник, используемый при производстве крупных конструкций.

По наличию защиты сварочной ванны от взаимодействия с атмосферой различают сварку открытую и защищённую. Открытая сварка не обеспечивает хорошее качество шва, поэтому практически не используется. Защищённая сварка проводится с изоляцией сварочной ванны от атмосферы флюсами, малоактивными или инертными газами.

По степени непосредственного участия человека в процессе сварка делится на ручную, механизированную, автоматическую.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка наиболее часто выполняется зависимой дугой, плавящимся покрытым электродом на переменном или постоянном токе. Вариант рабочего места сварщика ручной дуговой сварки представлен на рис. 12. Свариваемые детали устанавливаются на стол 1, электрод закрепляется в электрододержателе 2, выход сварочного трансформатора 3 кабелями соединяется со столом и электрододержателем. Устройство электрододержателя видно на рис. 12а. Для защиты сварщика от брызг и ультрафиолетового излучения служит щиток (рис. 12б) или маска со светофильтром. Защитным средством служит и брезентовый костюм сварщика.

Электродами для ручной сварки служат металлические стержни с нанесённым на них покрытием. Стержни нарезают из сварочной проволоки с диаметрами от 0,3 до 12 мм на длину 250…450 мм. Сварочные проволоки для сварки сталей делятся на три группы: углеродистую, легированную, высоколегированную, примеры марок: Св-10ГС, Св-18ХМА, Св-07Х25Н13 соответственно. «Св» означает «сварочная». Остальное соответствует обозначениям марок сталей.

Рис.12. Рабочее место сварщика.

Покрытие электрода наносят окунанием или опрессовкой. Оно имеет сложный состав и служит для обеспечения стабильного горения дуги за счёт наличия легкоионизируемых соединений K, Na, Ca, защиты металла сварочной ванны путём создания малоактивного газового окружения, образующегося из таких составляющих покрытия как целлюлоза, крахмал и т.п., и покрытием части сварочной ванны жидким шлаком, образующимся из таких составляющих как мрамор, кварц, марганцевая и железная руда, раскисления металла сварочной ванны за счёт наличия в покрытии элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, обычно Mn и Si, легирование (при необходимости) металла шва ферросплавами или чистыми элементами, снижение скорости охлаждения металла шва для исключения образования хрупких закалочных структур за счёт покрывающей шов шлаковой корки.

Связующим веществом всех составных частей покрытия обычно служит жидкое стекло.

На рис. 13 показана схема процесса ручной дуговой сварки покрытым электродом. Между свариваемыми элементами 1 и металлическим стержнем электрода 7 горит дуга 9. Металл электрода плавится и каплями 8 переходит в сварочную ванну 10. Плавится также и покрытие электрода 6. При плавлении покрытия образуются защитное газовое окружение 5 зоны сварки и жидкий шлак 4.

Между жидкими металлом и шлаком происходит взаимодействие, при котором кислород из металла переходит в шлак, и восполняется возможный угар легирующих элементов. Этим обеспечивается необходимое качество металла шва. Выполняя шов, сварщик перемещает закреплённый в электрододержателе электрод вдоль стыка свариваемых деталей, по мере оплавления электрода приближает электрододержатель к деталям для выдерживания постоянной длины дуги и, следовательно, постоянства сварочного тока и равномерного наплавления металла шва.

Кроме того, при больших сечениях шва концом электрода совершаются движения поперёк шва для распределения металла по ширине шва. По мере движения электрода и удаления дуги металл сварочной ванны охлаждается и кристаллизуется с образованием шва 3, при охлаждении шлака образуется шлаковая корка 2.

Рис.13. Схема сварки электродом с покрытием.

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода d и ток I. Диаметр электрода принимается в зависимости от толщины свариваемых элементов s.

s,мм1…23…54…1012…2430 и более
d,мм2…33…44…55…66…8

 

Ориентировочно сварочный ток I=kd, где k=30…60 в зависимости от свариваемых материалов, типа электрода, пространственного положения.

Достоинствами ручной дуговой сварки являются:

  • возможность выполнения сложных криволинейных швов,
  • возможность выполнения швов в разных пространственных положениях,
  • возможность выполнения швов в труднодоступныхместах.

Всё это обусловило весьма широкое применение ручной дуговой сварки. Однако можно отметить и некоторые недостатки:

  • невысокая производительность из-за ограниченной величины сварочного тока,
  • около 10% зажатой в электрододержателе части электрода не используется,
  • зависимость качества соединения от квалификации сварщика.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом

Схема автоматической дуговой сварки под флюсом приведена на рис. 14. Позициями с 1-ой по 6-ую обозначены основные составные части сварочного автомата, движущегося вдоль стыка деталей 8 по направляющей 7 при работе механизма передвижения 4. В качестве электрода используется непокрытая сварочная проволока, разматываемая из бухты 3. Подача напряжения от источника сварочного тока на проволочный электрод производится с помощью токоподвода 5.

Постоянство длины дуги и, следовательно, сварочного тока поддерживает механизм подачи 2 проволоки. Система управления механизмом подачи обеспечивает равенство скоростей подачи и оплавления проволоки. Дуга 14 горит под слоем гранулированного флюса 15, подающегося на стык свариваемых деталей 8 из бункера 1. Толщина слоя флюса 30…50 мм. От тепла дуги оплавляются кромки деталей, и плавится сварочная проволока, образуя ванну жидкого металла 13. Флюс, окружающий дугу, тоже частично плавится с образованием жидкого шлака 11.

Также при плавлении флюса образуется вокруг дуги защитный газовый пузырь 12. По мере движения автомата вдоль стыка жидкий металл кристаллизуется с образованием шва 9, а жидкий шлак превращается в шлаковую корку 10. Нерасплавившийся флюс отсосом 6 отправляется в бункер для дальнейшего использования. Для предотвращения вытекания сварочной ванны вниз используются прикрывающие стык снизу различные металлические и флюсовые подкладки или предварительная ручная подварка корня шва.

Флюсы для автоматической дуговой сварки имеют состав аналогичный составу покрытий электродов для ручной сварки и выполняют те же функции: стабилизацию дуги, защиту от атмосферы, раскисление, легирование, снижение скорости охлаждения. Естественно, состав флюсов для сварки различных материалов несколько различен.

Отметим важнейшие достоинства автоматической дуговой сварки.

Производительность в 15…20 раз выше, чем при ручной сварке. Это достигается значительно большей плотностью сварочного тока (до Амм200А/мм2), которая стала возможной при токоподводе к концу электрода. Высокая плотность тока позволяет проплавлять металл на большую толщину без разделки кромок.

Высокое качество шва обусловлено надёжной защитой от контакта с воздухом, замедленным остыванием сварочной ванны, при котором газы и неметаллические включения успевают из металла перейти в шлак. Стабильное горение дуги и отсутствие перерывов в процессе сварки обеспечивает постоянство размеров и формы шва.

Экономно расходуется электродный материал вследствие малого разбрызгивания и угара металла и отсутствия огарков электродов.

Лучше условия труда. Необходимые действия выполняются механизмами. Толстый слой флюса и шлаковая плёнка под ним существенно снижают выделение в окружающую среду газов и аэрозолей, светового и теплового излучений.

Применение автоматической дуговой сварки под флюсом ограничено нижним положением сварных швов. Отклонения от него возможны не более 15°. Исключен визуальный контроль за ходом сварки.

Автоматическую дуговую сварку под флюсом применяют для получения прямолинейных и кольцевых швов в производстве ёмкостей для жидкостей и газов, сварных труб, корпусов судов, строительных конструкций и других изделий. этим способом можно сваривать детали толщиной до 100 мм.

Существует и полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом. На рис. 15 показан держатель для такой сварки.

Рис.15. Держатель для полуавтоматической дуговой сварки под флюсом.

Держатель шлангом 5 соединяется со стационарными механизмом подачи сварочной проволоки и источником тока. В центре шланга имеется канал, по которому подаётся проволока. Ещё шланг содержит проводник сварочного тока и проводники для подачи команд управления механизмом подачи и источником тока.

В бункер 1 засыпается флюс, подачу которого в зону дуги можно регулировать заслонкой 2. Сварочная проволока выходит через мундштук 6. Для управления механизмом подачи и источником тока служит кнопка 3. При выполнении шва сварщик за рукоятку 4 перемещает держатель вдоль стыка свариваемых деталей, используя для направления по нему упор 7.

Полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом чаще всего применяется для выполнения прерывистых и криволинейных швов, для которых нерационально или невозможно применять автоматическую сварку.

Дуговая сварка в защитных газах

При сварке в защитных газах дуга и нагретый металл окружаются оболочкой защитного газа и так отделяются от кислорода воздуха. Для газовой защиты используют инертные газы – аргон и гелий, активные газы – углекислый газ, водород и др., а также смеси газов. Сварку в защитных газах иногда проводят в герметичных камерах, но чаще применяют локальную защиту, когда защитный газ вытекает из сопла сварочного инструмента только в зоне сварки. На рис. 16 показаны схемы различных вариантов сварки в защитных газах.

Рис.16. Дуговая сварка в защитных газах.
1 – присадочный металл, 2 – сопло, 3 – мундштук-токоподвод, 4 – корпус горелки, 5 – неплавящийся электрод, 6 – рукоятка, 7 – защитный газ, 8 – дуга, 9 – жидкий металл, 10 – катушка с проволокой, 11 – механизм подачи, 12 – плавящийся электрод.

На рис. 16а, б схемы ручной и автоматической сварки неплавящимся вольфрамовым электродом, а на рис. 16в, г схемы автоматической и полуавтоматической сварки плавящимся электродом. Состав оборудования поста для полуавтоматической сварки виден на рис. 17.

Аргон применяют при сварке лёгких и тугоплавких металлов и сплавов, легированных и высоколегированныхсталей. В более дешёвом углекислом газе сваривают углеродистые и низколегированные стали. Хорошее качество сварки и устойчивое горение дуги обеспечивают горелки с двумя концентрическими потоками газов, аргон внутри, углекислый газ снаружи.

Для дуговой сварки в защитных газах характерны такие достоинства.

Хорошая защита нагретого и расплавленного металла от воздействия воздуха, обеспечивающая высокое качество соединения.

Отсутствие на поверхности шва оксидов и шлаков.

Возможность ведения сварки во всех пространственных положениях.

Возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва.

Рис.17. Пост полуавтоматической сварки в защитных газах.
1 – свариваемые элементы, 2 – газоэлектрическая горелка, 3 – гибкий шланг с газовой магистралью, силовым кабелем и проводами управления, 4 – баллон с защитным газом, 5 – механизм подачи сварочной проволоки, 6 – катушка с проволокой, 7 – источник питания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *