Реферат на тему:
Электродуговая ручная сварка покрытым электродом
Электросварка — один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.
Температура электрической дуги превосходит температуры плавления всех существующих металлов.
(См. Электротехника)
1802 год — В. В. Петров открыл явление вольтовой электрической дуги и указал, что появляющийся «белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются, и от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может».
1803 год — В. В. Петров опубликовал книгу «Известия о гальвани-вольтовых опытах…», где описал способы изготовления вольтова столба, явление электрической дуги и возможность её применения для электроосвещения, электросварки и электропайки металлов.
1882 год — Н. Н. Бенардос изобрёл электрическую сварку с применением угольных электродов.
1888 год — Н. Г. Славянов впервые в мире применил на практике дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом под слоем флюса. В присутствии государственной комиссии он сварил коленчатый вал паровой машины.
1893 год — На Всемирной выставке в Чикаго Н. Г. Славянов получил золотую медаль за способ электросварки под слоем толчёного стекла.
1905 год — В. Ф. Миткевич впервые в мире предложил применять трёхфазную дугу для сварки металлов.
1932 год — К. К. Хреновым впервые в мире в Советском Союзе осуществлена дуговая сварка под водой.[1]
1939 год — Е. О. Патоном разработаны технология автоматической сварки под флюсом, сварочные флюсы и головки для автоматической сварки, электросварные башни танков, электросварной мост.
К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.
В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.
Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.
Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.
В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.
Классификация дуговой сварки производится в зависимости от степени механизации процесса, рода тока и полярности, типа сварочной дуги, свойств сварочного электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.
По степени механизации различают:
Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определённой длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.
При ручной дуговой сварке (ММА -Manual Metal Arc) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.
При полуавтоматической дуговой сварке (MIG/MAG -Metal Inert/Active Gas) плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.
При автоматической дуговой сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.
По роду тока различают:
По типу дуги различают
В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами.
По свойствам сварочного электрода различают
Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.
По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают:
При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе — шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.
По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают:
Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.
Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.
Наибольшее применение имеют средне — и толстопокрытые сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.
В последнее время получает распространение плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например — водяного пара. Известна также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.
wreferat.baza-referat.ru
Физические основы сварки материалов
Сварка – это процесс соединения различных твердых материалов при высокой температуре. Сущность его заключается в возникновении атомно-молекулярных связей между структурносоставляющими компонентами соединяющихся изделий. Он был разработан для объединения металлических поверхностей различных деталей. Поэтому его суть и механизм будут рассмотрены на металлических материалах.
Процесс можно проводить двумя способами: плавлением и давлением.
Первый заключается в том, что температуру в области соединения металлических поверхностей доводят до соответствующих точек плавления и каждая из них расплавляется. Затем оба жидких металла сливаются вместе, образуя общую сварочную ванну, которая при охлаждении кристаллизуется с формированием твердой прослойки, называемой сварным швом.
Во втором при большом давлении у металла возникает … повышенная пластическая деформация и он начинает течь, подобно жидкости. Далее все происходит как и в предыдущем случае.
Каждый из приведенных методов в свою очередь классифицируется по принципу его осуществления .
К сварке плавлением следует отнести и пайку, отличающуюся тем, что расплавляется лишь присадочный материал, а основной свариваемый металл остается нерасплавленным, в то время как при сварке частично расплавляется и основной металл.
Доминирующее положение в производстве металлических конструкций последние 70 лет занимает дуговая сварка. Ею проводится более 60 % всего объема сварочных работ. Пока нет другого метода, способного конкурировать с дуговой сваркой по своей простоте и универсальности.
В 1881 году Н. Н. Бенардос открыл дуговую сварку. В 1888 – 1890 гг. русский инженер Н. Г. Славянов разработал и запатентовал дуговую сварку металлическим электродом, являющимся одновременно и присадочным материалом. В 1907 г. — шведский инженер О. Къельберг применил металлические электроды с покрытием, которое позволило повысить качество сварных соединений.
Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.
По способу влияния на металл в процессе сварки дуга бывает косвенного (независимого) и прямого (зависимого) действия . В первом случае основной металл не включен в сварочную цепь и нагревается преимущественно за счет теплопередачи от газов дуги и ее излучения. Данный способ в настоящее время в промышленности не применяют.
Классификация способов сварки
При сварке дугой прямого действия металл относится к элементам сварочной цепи и выполняет роль одного из электродов. Он разогревается главным образом за счет бомбардировки его поверхности электрически заряженными частицами. Удельная мощность нагрева поверхности металла при этом в области электродного пятна весьма высока и составляет от 103 до 105 Вт/см2.
Сварку осуществляют плавящимися и неплавящимися электродами. Первый называется сваркой по способу Н. Г. Славянова, а второй — по методу Н. Н. Бенардоса.
Плавящиеся электроды делаются из стали, алюминия и некоторых других металлов. Они еще выполняют роль присадочного материала, из которого в значительной степени состоит сварной металлический шов. Угольные (графитовые) или вольфрамовые электроды являются неплавящимися и не принимают участия в образовании шва. В этом случае присадочный материал вводится дополнительно сбоку в виде проволоки или прутка.
Для питания дуги может быть применен постоянный или переменный, одно- или многофазный токи, низкой или высокой частоты; возможно использование усложненных комбинированных схем.
При сварке используется следующий режим: Uд = 10 — 50 В; = 1 – 3000 А; Рд = 0,01 – 150 кВт, где Iд – сила тока, Uд – напряжение и Рд – мощность дуги.
Зажигание дуги выполняют кратковременным коротким замыканием электрода на изделие. Ток короткого замыкания (КЗ) практически мгновенно расплавляет металл в точке контакта, в результате чего образуется жидкая перемычка. При отводе электрода она растягивается, металл перегревается и его температура достигает точки кипения; пары металла и газы под действием термо- и автоэлектронной эмиссии ионизируются — возбуждается дуга. При сварке неплавящимся электродом дугу возбуждают бесконтрольным способом, ионизируя высокочастотными импульсами.
Основаниями дуги являются резко очерченные, ярко светящиеся пятна на поверхности электродов. Через них проходит весь ток, плотность которого может достигать нескольких сот ампер на 1 мм2. В дуге постоянного тока различают катодное и анодное пятна. Электропроводный газовый канал между пятнами представляет собой плазму — смесь нейтральных атомов, электронов и ионов из атмосферы, окружающей дугу, и из веществ, входящих в состав электродов и флюсов. Он имеет форму усеченного конуса и подразделяется на 3 области: катодную протяженностью порядка 10-3 — 10-4 мм, анодную — толщиной 10-2 — 10-3 мм и столб дуги. Столб дуги — наиболее длинная и высокотемпературная зона. Температура у его оси достигает 6000 — 8000 К. Температура пятен значительно ниже — она обычно близка к точкам кипения материала электродов (для стали — 3013 К). Поэтому в обеих областях очень велик градиент температур (около 3×106 К/мм), который создает мощный тепловой поток от столба дуги к катодному и анодному пятнам.
В столбе дуги падение напряжения невелико; напряженность поля в нем составляет всего 1 — 5 В/мм и почти не зависит от длины. Значительная часть напряжения дуги падает в приэлектродных областях; 4 — 5 В в анодной области и от 2 до 20 В в катодной. Протяженность областей мала, поэтому напряженность поля в них достигает 2×105 и 103 В/мм, соответственно.
Мощность, выделяющаяся в столбе дуги, определяется напряженностью поля, силой тока дуги и длиной столба. Она частично расходуется на нагрев металла, в некоторой степени – рассеивается излучением в пространство. Чем больше заглубление дуги в свариваемый металл, тем меньше потери на излучение столба и выше коэффициент полезного действия дуги (КПД).
Напряжение дуги, т. е. разность потенциалов между электродами, зависит от длины дуги, силы тока, а также от материалов и размеров электродов и состава плазмы дуги.
Зависимость напряжения дуги от силы тока при постоянной длине дуги называют статической вольт-амперной или просто статической характеристикой дуги. Она нелинейна и состоит из трех участков — падающего I, жесткого II и восходящего III. Для дуги длиной 4 мм с плавящимся стальным электродом диаметром 4 мм граница падающего участка — примерно 40 — 50 А, жесткого — около 350 А.
Статическая характеристика сварочной дуги:
При малых токах (участок I на рис. 13.4,а) тепловые потоки из приэлектродных областей к электродным пятнам недостаточны для разогрева последних до точек кипения материала электродов. Поэтому перепад температур между столбом дуги и электродными пятнами очень большой, а значит, велико и падение напряжения в приэлектродных областях. При этом значительно и снижение U в столбе, так как он относительно «холодный» и степень ионизации газа мала. Поэтому для горения дуги на малых токах требуется высокое напряжение. С увеличением силы тока растут температуры разогрева электродных пятен и столба дуги, а значит, уменьшается падение U в приэлектродных областях и в столбе дуги. В результате напряжение дуги с ростом силы тока уменьшается и характеристика получается падающей.
Изменение силы тока в области средних значений сопровождается пропорциональным модифицированием сечения столба дуги и площадей обоих пятен (диаметр их меньше такового у электрода). Плотность тока в столбе не меняется, и напряжение дуги в целом остается постоянным.
В зоне больших токов катодное пятно перекрывает весь торец электрода, рост силы тока происходит не за счет повышения площади токопроводящего канала, а вследствие роста плотности. Поэтому для увеличения силы тока необходимо поднять напряжение, причем зависимость между ними почти линейная. Чем меньше диаметр электрода, тем ниже сила тока, при которой характеристика дуги становится возрастающей. При постоянной силе тока напряжение дуги практически линейно зависит от ее длины:
Uд = а + bl,
где а — сумма падений напряжения в катодной и анодной областях; l — длина дуги; b — напряженность (градиент напряжения) столба дуги. Для стальных электродов а = 8 — 25 В; b = 2,3 — 4,3 В/мм. Поэтому увеличение длины дуги при прочих равных условиях приводит к смещению ее статической характеристики вверх, уменьшение — вниз, так как падение напряжения в столбе дуги меняется пропорционально его длине (рис. 13.4,в).
Сварочная дуга может работать на постоянном и на переменном токе. Переменным током дугу питают от сварочного трансформатора, постоянным — от сварочных выпрямителей и генераторов. Генераторы в большинстве — коллекторные с приводом от трех фаз асинхронного двигателя или от двигателя внутреннего cгорания. Генератор в комплекте с приводом от асинхронного двигателя называют сварочным преобразователем, а от двигателя внутреннего сгорания – агрегатом. Последние используют, главным образом, для сварки в полевых условиях, где нет электросетей.
Большинство источников предназначено для питания током одного сварочного поста. Но в цехах с большим числом сварочных постов экономичнее использовать многопостовые источники, питающие несколько постов одновременно.
Постоянный ток имеет определенные технологические преимущества по сравнению с переменным. На нем дуга горит устойчивей. Меняя его полярность можно регулировать соотношение между интенсивностью нагрева электрода и изделия. Поэтому долгое время считалось, что высококачественные сварные соединения можно получать только на постоянном токе. Однако современные электроды позволяют на большинстве материалов получать качественные швы и на переменном токе. Использование переменного тока для питания дуги имеет ряд преимуществ. Главное из них — экономичность. КПД сварочного трансформатора составляет около 0,9; выпрямителя — примерно 0,7; а преобразователя с коллекторным генератором — приблизительно 0,45.
Таким образом, сварка переменным током энергетически вдвое выгоднее работы с преобразователем. Кроме того, сварочный трансформатор существенно надежнее, проще в эксплуатации и легче, чем источники питания постоянного тока. Поэтому большую часть объема дуговой сварки выполняют переменным током.
Внешней вольт-амперной или просто внешней характеристикой источника питания дуги называют зависимость между током и напряжением на его выходе при установившемся режиме. Она может быть круто- и пологопадающей, жесткой и восходящей. Для разных процессов сварки нужны источники питания с разнообразными внешними характеристиками.
Внешние характеристики источников питания:
1, 2 — круто- и пологопадающая; 3 — жесткая; 4 — возрастающая
Для ручной дуговой сварки как плавящимся, так и неплавящимся электродом необходимы источники питания только с крутопадающими характеристиками. Типичным для ручной сварки является колебание длины дуги. Поэтому, чтобы размеры сварочной ванны и сечение шва были постоянными, необходимо обеспечить неизменность тока при изменениях длины дуги. Это и достигается использованием источника питания с крутопадающей характеристикой.
Когда горит дуга, ток и напряжение на выходе источника питания равны аналогичным параметрам дуги. Режим горения дуги определяется точкой пересечения соответствующих внешней и статической характеристик. На рис. 13.6,а таких пунктов два, но дуга будет гореть устойчиво только на установившемся режиме, соответствующем точке Б. Объясняется это следующим. Если по какой-либо случайной причине ток дуги снизится, то напряжение источника станет больше Uд и вызовет нарастание I в цепи, т. е. возврат к пункту Б. Если же ток дуги возрастет, то ее напряжение окажется больше такового у источника питания, что опять приведет в точку Б.
Таким образом, соответствующее этому пункту равновесие в системе дуга — источник является самоустанавливающимся. Аналогичные рассуждения показывают, что малейшее отклонение режима дуги от точки А развиваются либо до обрыва дуги, либо до перехода в пункт Б.
Внешняя характеристика источника питания (а, с)
и статическая характеристика дуги при ручной дуговой сварке (b)
Таким образом, для устойчивого горения дуги необходимо, чтобы крутизна падения внешней характеристики источника была больше крутизны падения статической характеристики дуги в точке их пересечения Следовательно, когда работают на режимах, соответствующих падающему участку статической характеристики дуги, внешняя характеристика источника должна быть еще более крутопадающей. При работе на режимах, соответствующих почти горизонтальному участку статической характеристики дуги она будет устойчиво гореть и при крутопадающей, и при пологопадающей характеристике источника. Если режим дуги соответствует восходящему участку статической характеристики, то устойчивость горения дуги обеспечивается при любой характеристике — крутопадающей, пологопадаюшей, жесткой и восходящей. На практике, дополнительные ограничения на вид характеристики накладывает устройство механизма подачи электрода проволоки при механизированной сварке. В зависимости от него используют источники питания с жесткими или пологопадающими характеристиками.
При изменениях длины дуги, ее статическая характеристика смещается вверх или вниз и соответственно сдвигается и точка пересечения статической характеристики дуги с внешней характеристикой источника, т. е. режим по току. Но величина изменения тока дуги при ручной сварке не превосходит нескольких процентов, так как характеристика источника питания крутопадающая.
refac.ru
Реферат на тему:
Электродуговая ручная сварка покрытым электродом
Электросварка — один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.
Температура электрической дуги превосходит температуры плавления всех существующих металлов.
(См. Электротехника)
1802 год — В. В. Петров открыл явление вольтовой электрической дуги и указал, что появляющийся «белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются, и от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может».
1803 год — В. В. Петров опубликовал книгу «Известия о гальвани-вольтовых опытах…», где описал способы изготовления вольтова столба, явление электрической дуги и возможность её применения для электроосвещения, электросварки и электропайки металлов.
1882 год — Н. Н. Бенардос изобрёл электрическую сварку с применением угольных электродов.
1888 год — Н. Г. Славянов впервые в мире применил на практике дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом под слоем флюса. В присутствии государственной комиссии он сварил коленчатый вал паровой машины.
1893 год — На Всемирной выставке в Чикаго Н. Г. Славянов получил золотую медаль за способ электросварки под слоем толчёного стекла.
1905 год — В. Ф. Миткевич впервые в мире предложил применять трёхфазную дугу для сварки металлов.
1932 год — К. К. Хреновым впервые в мире в Советском Союзе осуществлена дуговая сварка под водой.[1]
1939 год — Е. О. Патоном разработаны технология автоматической сварки под флюсом, сварочные флюсы и головки для автоматической сварки, электросварные башни танков, электросварной мост.
К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.
В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.
Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.
Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.
В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.
Классификация дуговой сварки производится в зависимости от степени механизации процесса, рода тока и полярности, типа сварочной дуги, свойств сварочного электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.
По степени механизации различают:
Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определённой длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.
При ручной дуговой сварке (ММА -Manual Metal Arc) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.
При полуавтоматической дуговой сварке (MIG/MAG -Metal Inert/Active Gas) плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.
При автоматической дуговой сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.
По роду тока различают:
По типу дуги различают
В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами.
По свойствам сварочного электрода различают
Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.
По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают:
При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе — шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.
По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают:
Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.
Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.
Наибольшее применение имеют средне — и толстопокрытые сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.
В последнее время получает распространение плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например — водяного пара. Известна также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.
wreferat.baza-referat.ru
Количество просмотров публикации Электрическая дуговая сварка - 668
Физические основы сварки материалов
Сварка - ϶ᴛᴏ процесс соединения различных твердых материалов при высокой температуре. Сущность его состоит в возникновении атомно-молекулярных связей между структурносоставляющими компонентами соединяющихся изделий. Он был разработан для объединения металлических поверхностей различных деталей. По этой причине его суть и механизм будут рассмотрены на металлических материалах.
Процесс можно проводить двумя способами: плавлением и давлением.
Первый состоит по сути в том, что температуру в области соединения металлических поверхностей доводят до соответствующих точек плавления и каждая из них расплавляется. Далее оба жидких металла сливаются вместе, образуя общую сварочную ванну, которая при охлаждении кристаллизуется с формированием твердой прослойки, называемой сварным швом.
Во втором при большом давлении у металла возникает повышенная пластическая деформация и он начинает течь, подобно жидкости. Далее все происходит как и в предыдущем случае.
Каждый из приведенных методов в свою очередь классифицируется по принципу его осуществления .
К сварке плавлением следует отнести и пайку, отличающуюся тем, что расплавляется лишь присадочный материал, а основной свариваемый металл остается нерасплавленным, в то время как при сварке частично расплавляется и основной металл.
Доминирующее положение в производстве металлических конструкций последние 70 лет занимает дуговая сварка. Ею проводится более 60 % всего объёма сварочных работ. Пока нет другого метода, способного конкурировать с дуговой сваркой по своей простоте и универсальности.
В 1881 году Н. Н. Бенардос открыл дуговую сварку. В 1888 – 1890 гᴦ. русский инженер Н. Г. Славянов разработал и запатентовал дуговую сварку металлическим электродом, являющимся одновременно и присадочным материалом. В 1907 ᴦ. - шведский инженер О. Къельберг применил металлические электроды с покрытием, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ позволило повысить качество сварных соединений.
Сварочной дугой принято называть мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.
По способу влияния на металл в процессе сварки дуга бывает косвенного (независимого) и прямого (зависимого) действия . В первом случае основной металл не включен в сварочную цепь и нагревается преимущественно за счёт теплопередачи от газов дуги и ее излучения. Данный способ в настоящее время в промышленности не применяют.
Классификация способов сварки
При сварке дугой прямого действия металл относится к элементам сварочной цепи и выполняет роль одного из электродов. Он разогревается главным образом за счёт бомбардировки его поверхности электрически заряженными частицами. Удельная мощность нагрева поверхности металла при этом в области электродного пятна весьма высока и составляет от 103 до 105 Вт/см2.
Сварку осуществляют плавящимися и неплавящимися электродами. Первый принято называть сваркой по способу Н. Г. Славянова, а второй - по методу Н. Н. Бенардоса.
Плавящиеся электроды делаются из стали, алюминия и некоторых других металлов. Οʜᴎ еще выполняют роль присадочного материала, из которого в значительной степени состоит сварной металлический шов. Угольные (графитовые) или вольфрамовые электроды являются неплавящимися и не принимают участия в образовании шва. В этом случае присадочный материал вводится дополнительно сбоку в виде проволоки или прутка.
Для питания дуги должна быть применен постоянный или переменный, одно- или многофазный токи, низкой или высокой частоты; возможно использование усложненных комбинированных схем.
При сварке используется следующий режим: Uд = 10 - 50 В; = 1 – 3000 А; Рд = 0,01 – 150 кВт, где Iд – сила тока, Uд – напряжение и Рд – мощность дуги.
Зажигание дуги выполняют кратковременным коротким замыканием электрода на изделие. Ток короткого замыкания (КЗ) практически мгновенно расплавляет металл в точке контакта͵ благодаря чему образуется жидкая перемычка. При отводе электрода она растягивается, металл перегревается и его температура достигает точки кипения; пары металла и газы под действием термо- и автоэлектронной эмиссии ионизируются - возбуждается дуга. При сварке неплавящимся электродом дугу возбуждают бесконтрольным способом, ионизируя высокочастотными импульсами.
Основаниями дуги являются резко очерченные, ярко светящиеся пятна на поверхности электродов. Через них проходит весь ток, плотность которого может достигать нескольких сот ампер на 1 мм2. В дуге постоянного тока различают катодное и анодное пятна. Электропроводный газовый канал между пятнами представляет собой плазму - смесь нейтральных атомов, электронов и ионов из атмосферы, окружающей дугу, и из веществ, входящих в состав электродов и флюсов. Он имеет форму усеченного конуса и подразделяется на 3 области: катодную протяженностью порядка 10-3 - 10-4 мм, анодную - толщиной 10-2 - 10-3 мм и столб дуги. Столб дуги - наиболее длинная и высокотемпературная зона. Температура у его оси достигает 6000 - 8000 К. Температура пятен значительно ниже - она обычно близка к точкам кипения материала электродов (для стали - 3013 К). По этой причине в обеих областях очень велик градиент температур (около 3×106 К/мм), который создает мощный тепловой поток от столба дуги к катодному и анодному пятнам.
В столбе дуги падение напряжения невелико; напряженность поля в нем составляет всего 1 - 5 В/мм и почти не зависит от длины. Значительная часть напряжения дуги падает в приэлектродных областях; 4 - 5 В в анодной области и от 2 до 20 В в катодной. Протяженность областей мала, в связи с этим напряженность поля в них достигает 2×105 и 103 В/мм, соответственно.
Мощность, выделяющаяся в столбе дуги, определяется напряженностью поля, силой тока дуги и длиной столба. Она частично расходуется на нагрев металла, в некоторой степени – рассеивается излучением в пространство. Чем больше заглубление дуги в свариваемый металл, тем меньше потери на излучение столба и выше коэффициент полезного действия дуги (КПД).
Напряжение дуги, т. е. разность потенциалов между электродами, зависит от длины дуги, силы тока, а также от материалов и размеров электродов и состава плазмы дуги.
Зависимость напряжения дуги от силы тока при постоянной длине дуги называют статической вольт-амперной или просто статической характеристикой дуги. Она нелинейна и состоит из трех участков - падающего I, жесткого II и восходящего III. Для дуги длиной 4 мм с плавящимся стальным электродом диаметром 4 мм граница падающего участка - примерно 40 - 50 А, жесткого - около 350 А.
Статическая характеристика сварочной дуги:
При малых токах (участок I на рис. 13.4,а) тепловые потоки из приэлектродных областей к электродным пятнам недостаточны для разогрева последних до точек кипения материала электродов. По этой причине перепад температур между столбом дуги и электродными пятнами очень большой, а значит, велико и падение напряжения в приэлектродных областях. При этом значительно и снижение U в столбе, так как он относительно ʼʼхолодныйʼʼ и степень ионизации газа мала. По этой причине для горения дуги на малых токах требуется высокое напряжение. С увеличением силы тока растут температуры разогрева электродных пятен и столба дуги, а значит, уменьшается падение U в приэлектродных областях и в столбе дуги. В результате напряжение дуги с ростом силы тока уменьшается и характеристика получается падающей.
Изменение силы тока в области средних значений сопровождается пропорциональным модифицированием сечения столба дуги и площадей обоих пятен (диаметр их меньше такового у электрода). Плотность тока в столбе не меняется, и напряжение дуги в целом остается постоянным.
В зоне больших токов катодное пятно перекрывает весь торец электрода, рост силы тока происходит не за счёт повышения площади токопроводящего канала, а вследствие роста плотности. По этой причине для увеличения силы тока крайне важно поднять напряжение, причем зависимость между ними почти линейная. Чем меньше диаметр электрода, тем ниже сила тока, при которой характеристика дуги становится возрастающей. При постоянной силе тока напряжение дуги практически линейно зависит от ее длины:
Uд = а + bl,
где а - сумма падений напряжения в катодной и анодной областях; l - длина дуги; b - напряженность (градиент напряжения) столба дуги. Важно заметить, что для стальных электродов а = 8 - 25 В; b = 2,3 - 4,3 В/мм. По этой причине увеличение длины дуги при прочих равных условиях приводит к смещению ее статической характеристики вверх, уменьшение - вниз, так как падение напряжения в столбе дуги меняется пропорционально его длине (рис. 13.4,в).
Сварочная дуга может работать на постоянном и на переменном токе. Переменным током дугу питают от сварочного трансформатора, постоянным - от сварочных выпрямителей и генераторов. Генераторы в большинстве - коллекторные с приводом от трех фаз асинхронного двигателя или от двигателя внутреннего cгорания. Генератор в комплекте с приводом от асинхронного двигателя называют сварочным преобразователем, а от двигателя внутреннего сгорания – агрегатом. Последние используют, главным образом, для сварки в полевых условиях, где нет электросетей.
Большинство источников предназначено для питания током одного сварочного поста. Но в цехах с большим числом сварочных постов экономичнее использовать многопостовые источники, питающие несколько постов одновременно.
Постоянный ток имеет определенные технологические преимущества по сравнению с переменным. На нем дуга горит устойчивей. Меняя его полярность можно регулировать соотношение между интенсивностью нагрева электрода и изделия. По этой причине долгое время считалось, что высококачественные сварные соединения можно получать только на постоянном токе. При этом современные электроды позволяют на большинстве материалов получать качественные швы и на переменном токе. Использование переменного тока для питания дуги имеет ряд преимуществ. Главное из них - экономичность. КПД сварочного трансформатора составляет около 0,9; выпрямителя - примерно 0,7; а преобразователя с коллекторным генератором - приблизительно 0,45.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, сварка переменным током энергетически вдвое выгоднее работы с преобразователем. Вместе с тем, сварочный трансформатор существенно надежнее, проще в эксплуатации и легче, чем источники питания постоянного тока. По этой причине большую часть объёма дуговой сварки выполняют переменным током.
Внешней вольт-амперной или просто внешней характеристикой источника питания дуги называют зависимость между током и напряжением на его выходе при установившемся режиме. Она должна быть круто- и пологопадающей, жесткой и восходящей. Для разных процессов сварки нужны источники питания с разнообразными внешними характеристиками.
Внешние характеристики источников питания:
1, 2 - круто- и пологопадающая; 3 - жесткая; 4 - возрастающая
Для ручной дуговой сварки как плавящимся, так и неплавящимся электродом необходимы источники питания только с крутопадающими характеристиками. Типичным для ручной сварки является колебание длины дуги. По этой причине, чтобы размеры сварочной ванны и сечение шва были постоянными, крайне важно обеспечить неизменность тока при изменениях длины дуги. Это и достигается использованием источника питания с крутопадающей характеристикой.
Когда горит дуга, ток и напряжение на выходе источника питания равны аналогичным параметрам дуги. Режим горения дуги определяется точкой пересечения соответствующих внешней и статической характеристик. На рис. 13.6,а таких пунктов два, но дуга будет гореть устойчиво только на установившемся режиме, соответствующем точке Б. Объясняется это следующим. В случае если по какой-либо случайной причине ток дуги снизится, то напряжение источника станет больше Uд и вызовет нарастание I в цепи, т. е. возврат к пункту Б. В случае если же ток дуги возрастет, то ее напряжение окажется больше такового у источника питания, что опять приведет в точку Б.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, соответствующее этому пункту равновесие в системе дуга - источник является самоустанавливающимся. Аналогичные рассуждения показывают, что малейшее отклонение режима дуги от точки А развиваются либо до обрыва дуги, либо до перехода в пункт Б.
Внешняя характеристика источника питания (а, с)
и статическая характеристика дуги при ручной дуговой сварке (b)
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для устойчивого горения дуги крайне важно , чтобы крутизна падения внешней характеристики источника была больше крутизны падения статической характеристики дуги в точке их пересечения Следовательно, когда работают на режимах, соответствующих падающему участку статической характеристики дуги, внешняя характеристика источника должна быть еще более крутопадающей. При работе на режимах, соответствующих почти горизонтальному участку статической характеристики дуги она будет устойчиво гореть и при крутопадающей, и при пологопадающей характеристике источника. В случае если режим дуги соответствует восходящему участку статической характеристики, то устойчивость горения дуги обеспечивается при любой характеристике - крутопадающей, пологопадаюшей, жесткой и восходящей. На практике, дополнительные ограничения на вид характеристики накладывает устройство механизма подачи электрода проволоки при механизированной сварке. Учитывая зависимость отнего используют источники питания с жесткими или пологопадающими характеристиками.
При изменениях длины дуги, ее статическая характеристика смещается вверх или вниз и соответственно сдвигается и точка пересечения статической характеристики дуги с внешней характеристикой источника, т. е. режим по току. Но величина изменения тока дуги при ручной сварке не превосходит нескольких процентов, так как характеристика источника питания крутопадающая.
referatwork.ru
Реферат на тему:
Электродуговая ручная сварка покрытым электродом
Электросварка — один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.
Температура электрической дуги превосходит температуры плавления всех существующих металлов.
(См. Электротехника)
1802 год — В. В. Петров открыл явление вольтовой электрической дуги и указал, что появляющийся «белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются, и от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может».
1803 год — В. В. Петров опубликовал книгу «Известия о гальвани-вольтовых опытах…», где описал способы изготовления вольтова столба, явление электрической дуги и возможность её применения для электроосвещения, электросварки и электропайки металлов.
1882 год — Н. Н. Бенардос изобрёл электрическую сварку с применением угольных электродов.
1888 год — Н. Г. Славянов впервые в мире применил на практике дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом под слоем флюса. В присутствии государственной комиссии он сварил коленчатый вал паровой машины.
1893 год — На Всемирной выставке в Чикаго Н. Г. Славянов получил золотую медаль за способ электросварки под слоем толчёного стекла.
1905 год — В. Ф. Миткевич впервые в мире предложил применять трёхфазную дугу для сварки металлов.
1932 год — К. К. Хреновым впервые в мире в Советском Союзе осуществлена дуговая сварка под водой.[1]
1939 год — Е. О. Патоном разработаны технология автоматической сварки под флюсом, сварочные флюсы и головки для автоматической сварки, электросварные башни танков, электросварной мост.
К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.
В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.
Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.
Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.
В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.
Классификация дуговой сварки производится в зависимости от степени механизации процесса, рода тока и полярности, типа сварочной дуги, свойств сварочного электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.
По степени механизации различают:
Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определённой длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.
При ручной дуговой сварке (ММА -Manual Metal Arc) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.
При полуавтоматической дуговой сварке (MIG/MAG -Metal Inert/Active Gas) плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.
При автоматической дуговой сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.
По роду тока различают:
По типу дуги различают
В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами.
По свойствам сварочного электрода различают
Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.
По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают:
При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе — шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.
По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают:
Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.
Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.
Наибольшее применение имеют средне — и толстопокрытые сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.
В последнее время получает распространение плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например — водяного пара. Известна также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.
www.wreferat.baza-referat.ru
Дуговая сварка - процесс, при котором теплота, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом.
Электрическая сварочная дуга - устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, используемых при сварке, и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.
Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянного или переменного тока.
Классификация
Рис. 1. Классификация способов дуговой сварки
По степени механизации различают:
ручную дуговую сварку
полуавтоматическую дуговую сварку
автоматическую дуговую сварку
Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определённой длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.
При ручной дуговой сварке указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.
При полуавтоматической дуговой сварке (MIG/MAG) плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.
При автоматической дуговой сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.
^ По роду тока различают:
электрическая дуга, питаемая постоянным током прямой полярности (минус на электроде)
электрическая дуга, питаемая постоянным током обратной (плюс на электроде) полярности
электрическая дуга, питаемая переменным током
По типу дуги различают:
дугу прямого действия (зависимую дугу)
дугу косвенного действия (независимую дугу)
трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.
Виды сварочных дуг: а - прямого; б - косвенного; в -комбинированного действия (трёхфазная)
В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами.
^ По свойствам сварочного электрода различают:
сварку плавящимся электродом
сварку неплавящимся электродом (угольным, графитовым и вольфрамовым)
Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.
По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают:
открытую
закрытую
полуоткрытую дугу
При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе — шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.
^ По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают:
дуговая сварка без защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием)
дуговая сварка со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом)
дуговая сварка со шлакогазовой защитой (толстопокрытыми электродами)
дуговая сварка с газовой защитой (в среде защитных газов) (MIG-MAG)
дуговая сварка с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс)
Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.
Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.
Наибольшее применение имеют средне — и толстопокрытые сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.
В последнее время получает распространение плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например — водяного пара. Известна также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.
^ Дуговая сварка покрытыми электродами
При этом способе процесс выполняется вручную. Сварочные электроды могут быть плавящиеся - стальные, медные, алюминиевые и др. - и неплавящиеся - угольные, графитовые, вольфрамовые.
Рис.3. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами: 1 – деталь, 2 – стержень электрода, 3 – покрытие, 4 - дуга
Наиболее широко применяют сварку стальными электродами, имеющими на поверхности электродное покрытие. Покрытие электродов готовится из порошкообразной смеси различных компонентов и наносится на поверхность стального стержня в виде затвердевающей пасты. Его назначение - повысить устойчивость горения дуги, провести металлургическую обработку сварочной ванны, и улучшить качество сварки. Сварной шов образуют за счет расплавления металла свариваемых кромок и плавления стержня сварочного электрода. При этом сварщик вручную осуществляет два основных технологических движения: подачу покрытого электрода в зону сварки по мере его расплавления и перемещение дуги вдоль свариваемого шва.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами — один из наиболее распространенных способов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Она отличается простотой и универсальностью, возможностью выполнения соединений в различных пространственных положениях и труднодоступных местах. Существенный недостаток ее - малая производительность процесса и зависимость качества сварки от квалификации сварщика.
^ Дуговая сварка под флюсом
Электрическая дуга горит между плавящимся электродом и деталью под слоем сварочного флюса, полностью закрывающего дугу и сварочную ванну от взаимодействия с воздухом. Сварочный электрод выполнен в виде проволоки, свернутой в кассету и автоматически подаваемой в зону сварки. Перемещение дуги вдоль свариваемых кромок может выполняться или вручную, или с помощью специального привода. В первом случае процесс ведется с помощью сварочных полуавтоматов, во втором - сварочных автоматов. Дуговая сварка под флюсом отличается высокой производительностью и качеством получаемых соединений. К недостаткам процесса следует отнести трудность сварки деталей небольших толщин, коротких швов и выполнение швов в основных положениях, отличных от нижних.
Рис.4. Сварка под слоем флюса: 1 - деталь, 2 - слой флюса, 3 - дуга, 4 - электрод
^ Дуговая сварка в защитных газах
Электрическая дуга горит в среде специально подаваемых в зону сварки защитных газов. При этом можно использовать как неплавящийся, так и плавящийся электроды, а выполнять процесс ручным, механизированным или автоматическим способом. При сварке неплавящимся электродом применяют присадочную проволоку, при плавящемся электроде присадки не требуется. Сварка в защитных газах отличается широким разнообразием и применяется для широкого круга металлов и сплавов.
Рис. 5 Сварка в защитном газе: 1 - деталь, 2 - защитный газ, 3 - электрод, 4 - дуга
^ Электрошлаковая сварка
Процесс сварки является бездуговым. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используется теплота, выделяющаяся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводный шлак (флюс). После затвердевания расплава образуется сварной шов. Сварку выполняют чаще всего при вертикальном положении свариваемых деталей с зазором между ними. Для формирования шва по обе стороны зазора устанавливают медные ползуны-кристаллизаторы, охлаждаемые водой. Электрошлаковую сварку применяют для соединения деталей больших толщин (от 20 до 1000 мм и более).
Рис. 6. Электрошлаковая сварка:1 - электрод, 2 - деталь, 3 - шлаковая ванна, 4 - сварной шов, 5 - ползуны - кристаллизаторы
^ Описание процесса К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.
В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.
Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.
Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.
В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.
^ Строение сварочной дуги
Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц - электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ - ионизованным.
Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электронов - электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.
По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 8): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающую к ней.
Рис. 8. Строение электрической дуги и распределение напряжения в ней: 1 - катодная область, 2 - столб дуги, 3 - анодная область
Протяженность катодной области мала, но она характеризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процессами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 - 2700°С. На нем выделяется до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение напряжения в катодной области UK составляет порядка 12 - 17 В.
Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напряжения в ней Uк составляет порядка 2 - 11 В. Протяженность этой области также мала.
Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц здесь является ионизация газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При достаточной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание электронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию называют ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны - к аноду, ионы - к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, становятся нейтральными атомами. Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000 - 8000°С и более. Падение напряжения в нем Uc изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются щелочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее падение напряжения в дуге Uд = Uк + Uа + Uс. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uс = Еlс, где Е - напряженность по длине, lс - длина столба. Значения Uк, Uа, Е практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически lс = lд. Тогда получается выражение Uд = a + blд показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а = Uк + Uа; b = Е.
^ Особенности дуги на переменном токе
При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью.
При питании дуга переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через нуль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 9).
Рис. 9. Изменение полярности при горении дуги на переменном токе
Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышенном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги. Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легко-ионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуга переменного тока повышается.
С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током.
^ Требования к источникам питания.
Электрическая дуга по своему характеру отличается от других потребителей электрической энергии. Особенности сварочной дуги предъявляют специфические требования к питающим ее источникам электрического тока. Для обеспечения легкого зажигания дуги напряжение холостого хода должно быть в 2—3 раза выше напряжения дуги, и в то же время оно должно быть безопасным для сварщика при условии выполнения им необходимых правил. При замыкании сварочной цепи в момент касания электрода с изделием возникает короткое замыкание, вызывая резкое увеличение сварочного тока, что может привести к загоранию сварочных проводов. Поэтому источник питания должен ограничивать силу тока короткого замыкания. Изменения напряжения дуги, происходящие вследствие изменения ее длины, не должны вызывать существенного изменения силы сварочного тока, а следовательно, изменения теплового режима сварки. Время восстановления напряжения от нуля до рабочего после короткого замыкания не должно превышать 0,05 с, что обеспечивает устойчивость дуги. Источник питания должен иметь устройство для регулирования сварочного тока.
^ Источники питания
При выборе источника питания следует руководствоваться соображениями технологического, экономического и эксплуатационного порядка.
Области применения источников питания приведены в таблице
Род тока
Источник питания
Область применения
Переменный
Трансформаторы промышленной частоты
Ручная сварка, сварка в защитных газах алюминиевых сплавов неплавящимся электродом
Сварка под флюсом па токах более 300 А
Вращающиеся преобразователи и агрегаты с генераторами повышенной частоты (400-500 Гц)
Ручная сварка тонкого металла (применение ограничено)
Постоянный
Вращающиеся преобразователи, агрегаты с двигателями внутреннего сгорания, выпрямители
Ручная сварка, сварка под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом
Сварка под флюсом, сварка в защитных газах плавящимся электродом
Сварка в защитных газах плавящимся электродом (тонкой проволокой)
Сварочные трансформаторы наиболее экономичны и дешевы из всех источников питания. Однако они более, чем другие, чувствительны к колебаниям напряжения сети. Кроме того, переменный ток применим далеко не для всех способов сварки.
Наиболее перспективны сварочные выпрямители, отличающиеся высокими к. п. д. и коэффициентом мощности (cos φ), бесшумностью работы. Они экономичны, так как могут выключаться во время пауз в работе. Как правило, у выпрямителей мощность холостого хода меньше, чем у преобразователей. Однако в настоящее время выпрямители еще чувствительны к климатическим условиям и к колебаниям напряжения сети. Уже имеются выпрямители со стабилизированным напряжением сварки.
Генераторы постоянного тока очень эффективны и надежны для монтажных работ; они незаменимы для передвижных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания.^ Сварочные трансформаторы При ручной дуговой сварке штучными электродами, при механизированной сварке под флюсом и при аргонодуговой сварке легких сплавов.
Трансформатор разделяет сварочную цепь и силовую сеть, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения, самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами обеспечивает формирование требуемых статических внешних характеристик и регулирование сварочного тока. ^ Сварочный выпрямитель По мере совершенствования и увеличения мощности полупроводниковых вентилей все более увеличивается выпуск и применение в качестве источников питания сварочной дуги постоянного тока сварочных выпрямителей.
Перед преобразователями выпрямители имеют следующие преимущества:
более высокий к. п. д. и меньшие потери на холостом ходу
лучшие динамические свойства
меньшую массу
большую надежность и простоту обслуживания при эксплуатации
бесшумность при работе
большую экономичность при изготовлении
Основной недостаток сварочных выпрямителей - их большая чувствительность к колебаниям напряжения сети, чем у сварочных преобразователей. Сварочный выпрямитель состоит из двух основных узлов: понижающего трансформатора с регулирующим устройством и блока вентилей.
^ Импульсные источники питания Импульсные источники питания используются при сварке как плавящимся, так и неплавящимся электродом. Процесс сварки происходит при непрерывно горящей маломощной дуге и периодически зажигающейся импульсами мощной дуге. Импульсный источник питания представляет собой комплект из двух источников, которые работают одновременно и независимо друг от друга. Такие источники могут быть спроектированы специально (ИПИД-1, ИПИД-300, ИПИД-ЗООМ) или составлены из сварочного генератора или выпрямителя (например, ПСГ-500, ЫПП-ЗООП, ВС-500 и т. п.) и генератора кратковременных импульсов, амплитуда и длительность которых регулируются. Возбуждение дуги без соприкосновения электрода с изделием (аргонодуговая сварка, плазменная сварка и резка и т. п.), для этой цели используют пробой дугового промежутка дополнительным импульсом высокого напряжения.
^ Режимы работы Электро Сварочного Оборудования Продолжительный режим — режим работы электротехнического устройства (в том числе сварочного) при неизменной нагрузке, продолжающийся не менее чем это необходимо для достижения устройством установившейся температуры при неизменной температуре охлаждающей среды.
На продолжительный режим работы рассчитано, как правило, сварочное оборудование для автоматической сварки.
^ Повторно-кратковременный режим — режим работы электротехнического устройства (в том числе сварочного), при котором работа с неизменной нагрузкой, продолжающаяся менее чем это необходимо для достижения устройством установившейся температуры при неизменной температуре окружающей среды, чередуется с отключениями, во время которых оно не успевает охладиться до температуры охлаждающей среды.
При повторно-кратковременном режиме работы во время паузы электротехническое устройство отключается от питающей сети.
Повторно-кратковременный режим работы используется во всех сварочных полуавтоматах и частично в сварочных автоматах, преимущественно с ПВ = 60 %. Т.к. установлено, что производительность сварщика (ручная, полуавтоматическая сварка) в среднем, при нормальной его загрузке сварочными работами, равна 60% от общего его времени работы.
^ Влияние на качество ЭЭ
Отклонения ПКЭ от нормируемых значений ухудшают условия эксплуатации электрооборудования энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии, могут привести к значительным убыткам как в промышленности, так и в бытовом секторе, обуславливают, как уже отмечалось, технологический и электромагнитный ущербы.
От электрических сетей систем электроснабжения общего назначения питаются ЭП различного назначения, рассмотрим промышленные и бытовые ЭП.
Электросварочные установки переменного тока дуговой и контактной сварки представляют собой однофазную неравномерную и несинусоидальную нагрузку с низким коэффициентом мощности: 0,3 для дуговой сварки и 0,7 для контактной. Сварочные трансформаторы и аппараты малой мощности подключаются к сети 380/220 В, более мощные – к сети 6 – 10 кВ .
Электросварочные установки могут являться причиной нарушения нормальных условий работы для других ЭП. В частности, сварочные агрегаты, мощность которых в настоящее время достигает 1500 кВт в единице, вызывают значительно большие колебания напряжения в электрических сетях, чем, например, пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Кроме того, эти колебания напряжения происходят длительно и с широким диапазоном частот, в том числе и в самом неприятном для установок электрического освещения диапазоне (порядка 10 Гц).
Отклонения напряжения отрицательно влияют на работу электросварочных машин: например, для машин точечной сварки при изменении напряжения на 15% получается 100 % - ный брак продукции.
ЭП с нелинейными вольт-амперными характеристиками потребляют из сети несинусоидальные токи при подведении к их зажимам синусоидального напряжения. Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, создают падения напряжения в сопротивлениях этих элементов и, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажениям формы кривой напряжения в узлах электрической сети. В связи с этим ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой часто называют источниками высших гармоник.
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения установок дуговой и контактной сварки определяется в основном 5, 7, 11, 13-й гармониками.
^ Описание сварочного оборудования
Машина МТП-75-6 состоит из корпуса, внутри которого помещены сварочный трансформатор и переключатель ступеней. Машина имеет электромагнитный или игнитронный контактор. На передней стенке укреплен нижний кронштейн, поддерживающий хобот, в котором закреплена свеча с электродом. На верхнем кронштейне, изолированном от корпуса, укреплен пневматический цилиндр, в который помещены два поршня: один для регулирования хода электродов, другой — для опускания и поднятия верхнего электрода.
Рабочий ход электродов регулируется изменением положения верхнего поршня, который закрепляется гайками. Редуктор давления сжатого воздуха регулирует усилие сжатия электродов. Управление подачей воздуха в пневматический цилиндр производится электропневматическим клапаном.
Дополнительный ход электрода осуществляется ручным краном. Регулирующий (дросселирующий) клапан смягчает удар верхнего электрода при его опускании на арматурные стержни, помещенные между электродами. Усилие сжатия электродов контролируют по манометру.
Сварочный трансформатор и электроды имеют систему водяного охлаждения. Игнитронные контакторы также охлаждаются водой. Вода из водопровода подается в машину через кран.
Аппараты для точечной электросварки должны устанавливаться в закрытом помещении, отапливаемом в зимнее время.
Кроме указанных, промышленностью выпускаются следующие аппараты и машины для точечной сварки: АТП-5 для сварки тонкого листа и проволоки сечением 2 — 3 мм2; АТП-10 для сварки стальных листов суммарной толщиной до 4 мм; МТМ-50 для сварки листов суммарной толщиной до 4 мм и ряд других более мощных машин для сварки деталей суммарной толщиной до 18 мм.
^ Сварочный трансформатор ТСД-500
Для автоматической и полуавтоматической сварки применяют сварочные трансформаторы типа ТСД. Они имеют повышенное напряжение холостого хода (78 - 85 В), необходимое для стабильного возбуждения и горения сварочной дуги при автоматической сварке под флюсом. Падающая внешняя характеристика создается реактивной обмоткой. Он имеет специальный электропривод для дистанционного регулирования сварочного тока. Для включения приводного синхронного трехфазного электродвигателя ДП с понижающим червячным редуктором служат два магнитных пускателя ПМБ и ПММ, управляемые кнопками. Перемещение подвижной части пакета магнитопровода ограничивается конечными выключателями В КБ и ВКМ. Данные установки снабжены фильтрами для подавления радиопомех.
Таблица. 35. Технические характеристики сварочных трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием и реактивной обмоткой
Характеристика
Тип трансформатора
СТЭ-34у
СТЭ-24у
СТН-700
СТН-500
СТН-350
ТСД-500
ТСД-1000-4
ТСД-2000-2
Напряжение холостого хода, В
60
60
60
60
70
80
71
79
Номинальный сварочный ток, А
500
350
700
500
350
500
1000
2000
Номинальная мощность, кВ.А
30
23
43,5
32
25
42
78
162
Пределы регулирования сварочного тока, А
150-700
100-500
200-900
150-700
80-450
200-600
400-1200
800-2200
Коэффициент мощности (cos с)
0,53
0,5
0,66
0,52
0,5
0,6
0,6
0,64
Габаритные размеры, мм:
длина
690
www.ronl.ru
План :
1.Отрытие дуговой сварки.
2. Что такое дуга.
3. Распространение дуговой сварки.
4.Зависимости от способа дуговой сварки.
5.Разновидности сварки.
6.Высказывание К.К.Хренова.
Открытие дуговой сварки.
Замечательный русский изобретатель Н.Г.Славянов был по образованию инженером, металлургом.
Последняя четверть прошлого века явилась периодом становления электротехники-науки о процессах, связанных с практическим применением электрических явлений. 30-летний руководитель орудийных и механических производств на одном из крупнейших в России пушечных заводов в Перми, Н.Г.Славянов увидел в электротехнике будущее металлургии, обработки металлов. Он глубоко изучил эту область науки.
Через шесть лет после открытия Н.Н.Бенардосом дуговой сварки, в 1888 году Н.Г.Славянов творчески развил эту идею, разработав и применив сварку металлическим электродом. Впервые в мире этот способ был внедрен Славяновым на Пермском заводе.
Он сконструировал и опробовал автоматическое приспособление для регулировки длины дуги. Это был прообраз современных сварочных аппаратов. Изобретение обессмертило его имя и имеет огромное значение и по сей день.
Так Славяновым была написана одна из страниц истории важнейшей области техники – дуговой сварки металлов, находящей самое широкое применение в современной промышленности и строительстве.
Что такое дуга.
Дуга представляет собой электрический разряд в газе между электродами, к которым подведено напряжение источника тока. Ток в дуге обусловлен так называемыми свободными электронами и положительными и отрицательными заряженными частицами вещества – ионами. Процесс образования этих частиц называется ионизацией. В средней части дуги расположен столб дуги, ярко светящейся и имеющей температуру около 6000 градусов по Цельсию. Столб заканчивается на электродах катодным и анодным пятнами, через которые проходит весь ток дуги. Плотность тока на пятнах весьма велика, благодаря чему в этих зонах происходит интенсивное нагревание до температуры испарения материала электродов. Столб дуги окружает пламя – раскалённые пары и газы, температура которых резко падает по мере удаления от столба. Дугу перемещают при сварке в ручную или механически вдоль кромок соединяемых деталей, благодаря чему достигается непрерывное плавление их и образование соединения – сварного шва. Глубиной проплавления называется наибольшая глубина расплавления основного металла в сечении шва.
Распространение дуговой сварки.
Особенно широкое распространение получила дуговая сварка Н.Г.Славянова. Сущность этого способа заключается в том, что электрическая дуга возбуждается между свариваемой деталью и металлическим электродом, который плавится в процессе горения дуги и заполняет тем самым сварной шов. Одновременно плавятся корки свариваемых деталей. Такой процесс называется сваркой металлическим электродом.
Зависимости от способа дуговой сварки.
В зависимости от способа дуговой сварки, т.е. от материала применяемого электрода, свойства электрической дуги меняются. Так, при горении дуги между свариваемым металлическим изделием и угольным электродом дуги имеет большую длину и несколько иную форму чем дуга, горящая между изделием и металлическим электродом. В последнем случае явления, происходящие в дуге, значительно сложнее, так как в дуговом промежутке помимо паров, образуемых при сгорании электрода, присутствуют капли расплавленного и пары сгорающего в дуге электродного покрытия. Если дуговая сварка по способу Бенардоса производится голым угольным электродом, то при сварке по способу Славянова на плавящийся металлический электрод обычно наносится покрытие, в зависимости от состава и толщины наносимого слоя может быть ионизирующим либо так называемым качественным, т.е. обеспечивающим получение повышенного качества наплавленного металла.
Ионизирующие покрытия наносятся на электрод слоем, не прерывающим по толщине 0,3-0,5 мм; в состав этих покрытий входят обычно вещества, ионизирующие дуговой промежуток, т.е. способствующие устойчивому горению дуги даже при питании её от источника переменного тока. Ионизирующее покрытие никакой защиты металла от воздуха не осуществляется.
Качественные покрытия наносятся на электрод слоем, достигающим по толщине 1,5 – 3 мм; в состав этих покрытий входит шлакообразующие и газообразующие вещества, защищающие жидкую ванну и капли электродного металла от окружающего воздуха; вещества, способствующие ионизации дуги, а также некоторые легирующие элементы, улучшающие механические свойства наплавленного металла. За счет правильного подбора электродных покрытий сварной шов во многих случаях получает механические свойства более высокие, чем основной свариваемый металл.
Сварка угольным электродом стали, а также чугуна и цветных металлов производится с применением флюса, наносимого на присадочные стержни и на кромки свариваемых деталей.
Различают сварку током примой и обратной полярности. Прямая полярность – это когда положительный вывод источника сварочного тока присоединён к свариваемым изделиям, а отрицательный – к электрододержателю. При этом в дуговом разрядном промежутке изделие являются анодом, а электрод – катодом.
В дуге действует механические силы, направленные вдоль столба дуги (дутье). Под действием этих сил в жидком металле сварочной ванны образуется лунка, так называемый кратер. В конце швов при затвердевании металла в результате его усадки также образуется углубление, которое называется конечным кратером. Конечный кратер при необходимости либо заваривают, повторно расплавляя металл в этом месте, либо шов выходят на планку, которая удаляется после сварки. При сварке шин с этой же цели швы выводятся в лунке угольных брусков, формующих стыки шин с торцов.
Разновидности сварки.
Сварка под слоем флюса.
Стремление повысить производительность электродуговой сварки, улучшить качество швов и одновременно облегчить труд сварщиков привело к созданию автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса.
Сущность процесса автоматической сварки заключается в следующим: голая электродная проволока с катушки подаётся в зону дуги автоматической головкой, двигающейся вдоль шва; впереди головки из бункера по трубе на свариваемые кромке подаётся флюс, покрывающий поверхность металла в зоне шва слоем толщиной 50 –60 мм. Электрическая дуга горит под слоем флюса в создаваемом ею газом пузыре, окруженном средой расплавленного флюса.
Благодаря некоторому давлению флюса на поверхность жидкой ванны в процессе сварки устраняется разбрызгивание металла и получается хорошее формирование шва, даже при очень больших токах, достигающих 1000 – 200 А. Расплавляемая в процессе сварки и затем затвердевающая часть флюса образует на поверхности шва шлаковую корку. Неиспользованная же, т.е. нерасплавленная, часть флюса отсасывается обратно в бункер и затем повторно используется при сварке.
Большая концентрация теплоты при горении мощной дуги под флюсом позволяет производить сварку с небольшими скосами кромок; угол скоса кромок для стали обычно не превышает 30 градусов. Последнее обстоятельство приводит к меньшей затрате электродного материала и к лучшему использованию дуги. Благодаря большой силе тока, применяемого при автоматической сварке под слоем флюса, производительность возрастает в десятки раз по сравнению с ручной дугой дуговой сваркой.
Хорошая защита расплавленного металла от окружающего воздуха, а также легирование металла шва (в случае сварки стали) содержащимися во флюсе компонентами обеспечивают весьма высокие механические свойства сварных швов, выполненных автоматической сваркой.
Широкое распространение получило полуавтоматическая, так называемая шланговая сварка. Тонкая (1,6 – 2 мм) электродная проволока подается при помощи роликового механизма через шланг в электрододержатель. Шланг используется также для подачи сжатым воздухом в зоне сварки флюса, а также для подведения сварочного тока к электродержателю. Необходимая аппаратура сосредоточена в аппаратном ящике.
Применение флюса позволяет использовать тонкую электродную проволоку большой силе тока, что обеспечивает глубокое поправление металла (до 12 мм) и высокую производительность.
При помощи шланговых полуавтоматов весьма удобно производить сварку прямолинейных, криволинейных швов, угловых и других соединений.
В электромонтажной практике сварка под слоем флюса используется почти исключительно для соединения медных шин.
Сварка в среде защитных газов.
Разновидностью дуговой сварки является электросварка в среде защитных газов (аргон, углекислый газ), называемое иногда газоэлектрической сваркой, что не совсем правильно отражает сущность процесса.
Дуговая сварка в среде защитных газов заключается в том, что сварочная ванна, конец электрода и присадочного путка, определенные участки шва и околошовной зоны основного металла предохраняются от окисления в процессе сварки при помощи газа. Этот газ подается в зону сварки через сопло специального электродержателя – горелки.
В качестве защитного газа при сварки алюминия и меди применяют нейтральный газ аргон, не взаимодействующий с металлом, а при сварки стали – углекислый газ, который не является нейтральным и в кокой – то мере вступает во взаимодействие с металлом.
Аргонодуговую сварку выполняют в плавящемся электродом, которой подается непрерывно в зону сварки специальным толкающим или тянущим устройством (полуавтоматическая сварка), а также неплавящимся (вольфрамовым) электродом. В последнем случае присадочный материал вводится в шов из прутка, погружаемого периодически сварочную ванну. Для сварки вольфрамовым электрод закрепляют в специальном держателе внутри сопла, через которое к месту сварки подается аргон.
Плазменная сварка.
Плазменную сварку иногда называют сваркой сжатой дугой. Если обычный электродуговой разряд пропустить через узкое сопло, “вдувая” и сжимая его потоком инертного газа – аргона, то возникает так называемая плазменная струя, имеющая температуру, доходящую до 20000 градусов по Цельсию.
Плазменная струя представляет собой ионизированный газ, состоящий из смеси электронов, положительных ионов и нейтральных частиц. Плазма электропроводна, но по отношению ко внешней среде электрически нейтральна. Устройство для получения плазменной струи называется плазменной горелкой или плазмотроном.
К преимуществам плазменной сварки относятся повышения производительности, возможность выполнять соединения без разделки кромок, экономия присадочного материала инертного газа, а также возможность отказа в ряде случаев (например, при сварке меди ) от дополнительного разогрева.
Электрошлаковая сварка.
Электрошлаковая сварка является неэлектродуговым процессом. Выделение теплоты, необходимой для расплавления свариваемых кромок и присадочного материала, происходит при прохождении тока через расплавленный шлак, в зазоре между кромками.
Электрошлаковая сварка является высокопроизводительным, автоматизированным процессом значительно облегчающем труд сварщиков. Она допускает выполнение соединений алюминиевых шин любой толщены.
Контактная сварка.
Контактной называется сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.
Различает три способа электрической контактной сварки: точечную, шовную и стыковую. Стыковая сварка может выполнятся двумя способами – сопротивлением и оплавлением.
Газовая сварка.
Газовая сварка распространена в технике значительно меньше чем электрическая. Она применяется для изготовления тонкостенных стальных конструкций, при сварке чугуна, и цветных металлов и при наплавке твердых сплавов. Газовую сварку целесообразно применять для случаев, когда требуется постепенный нагрев и медленное охлаждение.
При газовой сварке нагрев и расплавление металла достигаются пламенем газосварочных горелок в результате сжигания в них горючих газов в среде кислорода.
Термитная сварка.
Источником теплоты при термитной сварке являются порошковообразные смеси металлов с окислами других металлов. При
Сгорании таких порошкообразных смесей происходит обменная реакция по кислороду с выделением значительного кол-ва теплоты. При этом металл, входящий в смесь, окисляется, а из окисла восстанавливается в чистом виде другой металл.
Таким образом, источником кислорода в термите является окисел,
а источником теплоты – горючим – металл, входящий в смесь в чистом виде.
Холодная сварка.
Холодной сваркой называются соединение металлов, достигаемое совместным пластическим деформированием соединяемых элементов. Практически это осуществляется приложением давления.
В простейшем случае холодная сварка осуществляется двумя встречными цилиндрическими пуансонами, вдавливаемыми в материал соединяемых пластин, сложенных вместе. Степень деформации при этом условно измеряется глубиной вдавливания пуансонов в процентах от толщины деформируемой пластины.
Высказывание К.К. Хренова.
К.К. Хренов отмечает, что “при аргонодуговой сварке плавящимся электродом при плотностях тока более 100 А/мм^2 меняется характер переноса металла с электрода в шов. При плотностях тока, меньших указанного значения, перенос металла происходит редкими крупными каплями; при больших же плотностях металл стекает с электрода частыми мелкими каплями, образующими как бы непрерывную струю. При этом наблюдаются более глубокое проплавление металла и более плотные швы, объясняетсяэто усилием электродинамического действия дуги на сварочную ванну (давлением), которая растет приблизительно пропорционально току.
Значительное увеличение плотности тока при аргонодуговой сварке плавящимся электродом по ряду причин невозможно. Задачи использования преимуществ, связанных с увеличением плотности тока, успешно решается импульсивно – дуговой сваркой, … благодаря ей появляется возможность управлять процессом сбрасывания капель металла, регулируя величину импульса, увеличивается производительность сварки, возрастает устойчивость дуги и, что особенно важно для монтажной практики, упрощается сварка в потолочном и вертикальном положениях и улучшается формирование шва.
www.ronl.ru
