Электродуговая сварка

Сварка плавлением и резка металлов

Электродуговая сварка – это сварка плавлением. Источником теплоты, необходимой для расплавления кромок соединяемых изделий, является электрическая дуга, которая горит между двумя электродами (одним из которых является заготовка).

Электрическая дуга является мощным стабильным электрическим разрядом в ионизированной газовой среде. При низкой температуре газ не проводит электрический ток. Газ может проводить электрический ток лишь в том случае, если его молекулы разделяются на положительные и отрицательные частицы – ионы (ионизируются). Ионизация газа происходит при высокой температуре под действием электрического поля.

На рис. 3.3 схематически показан процесс зажигания дуги при сварке.

Он состоит из трех этапов:

• короткое замыкание электрода (катода) на заготовку (анод);

• отвод электрода на расстояние 3–6 мм;

• возникновение устойчивого дугового разряда.

 

Рис. 3.3. Зажигание электрической дуги: а – короткое замыкание; б, в – этапы формирования стабильной дуги.

Короткое замыкание (рис. 3.3, а) производится с целью разогрева электрода и основного металла в зоне их контакта. После отвода электрода (рис. 3.3, б) с его разогретого торца под действием электрического поля происходит эмиссия электронов.

Ионизация газа при соударениях его молекул с электронами, которые вырываются с поверхности катода, возрастает с увеличением силы тока (так как увеличивается кинетическая энергия электронов).

В результате ионизации электропроводность дугового промежутка соответствует электропроводности металлов и обеспечивает поддержание устойчивого разряда при прохождении тока. Процесс зажигания дуги заканчивается образованием стабильного электрического разряда (рис. 3.3, в).

Основаниями столба дуги служат резко ограниченные области на поверхности электродов – электродные пятна (катодное и анодное).

В дуге происходит взаимная бомбардировка катода положительными ионами и анода электронами, в результате чего кинетическая энергия частиц переходит в тепловую. Происходит нагрев, способствующий расплавлению электрода и основного металла. При сварке заготовку принято называть основным металлом.

Электрическая дуга является концентрированным источником тепла с очень высокой температурой. Температура столба дуги достигает 6000°С, а температура анодного и катодного пятна на металле находится в пределах 2000–3000 °С.

 

Рис. 3.4. Схема дуговой электросварки металлическим покрытым электродом:

1 – свариваемый металл; 2 – сварной шов (наплавленный металл); 3 – твердая шлаковая корка; 4 – жидкая шлаковая ванна; 5 – газовая защитная атмосфера; 6 – покрытие электрода; 7 – металлический стержень из сварочной проволоки; 8 – электрическая дуга; 9 – металлическая ванна.

Ток дуги, А

Рис. 3.5. Вольт-амперная характеристика сварочной дуги в зависимости от ее длины

При ручной электродуговой сварке электрод после зажигания дуги перемещают вдоль кромок свариваемых изделий вручную (рис. 3.4). Дуга горит между стержнем электрода 7 и металлом 1, расплавленный металл стержня электрода каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6. Состав покрытия подбирается так, чтобы вокруг дуги создавалась газовая среда 5 (защищает дугу от воздуха и стабилизирует ее горение за счет ионизации) и образовывался жидкий шлак 4 (защищает металл от окисления и насыщения азотом). По мере перемещения дуги вдоль заготовок сварочная ванна затвердевает и образует сварной шов 2.

Шлак замедляет охлаждение металла, способствует уплотнению шва. Застывший шлак образует твердую корку 3. Электрические свойства дуги описываются вольтамперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения (рис. 3.5). Характеристика состоит из трех участков: I – падающая; II – жесткая; III – возрастающая. Широко применяется дуга с жесткой и возрастающей характеристиками. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение.

Для дуги с жесткой характеристикой напряжение

Uд = α + β lд,

где α, β − опытные коэффициенты.

Из приведенной на рис. 3.5 зависимости следует, что для сохранения напряжения дуги постоянным длина дуги не должна изменяться.