Теоретические основы сварки. Электрическая сварочная дуга.

Классификация способов сварки

Физическая сущность сварки и пайки. Классификация основных способов сварки, применяемых в судостроении.

 

Сварка – технологический процесс получения неразъёмных соединений, характеризующихся междуатомной связью, путём раздельного или совместного приложения тепла и давления. Для всех твёрдых металлов и их сплавов характерна кристаллическая структура, в которой все атомы занимают строго определённые места, образуя, так называемый, базис кристаллической решётки. Базис решётки состоит из положительно заряженных ионов, между которыми находятся свободные электроны. Они то и образуют «электронный газ». Подвижность этих электронов обуславливает теплопроводность и электропроводность металлов.

Каждый ион, находясь в узле кристаллической решётки, имеет определённое положение равновесия, около которого он совершает колебания. С повышением температуры тела размах колебаний увеличивается. Ионы, как одноимённо (положительно) заряженные частицы, отталкиваются друг от друга, но благодаря свободным электронам на них действуют силы притяжения. Состояние энергетического равновесия требует, чтобы расстояние между положительно заряженными частицами было строго определенным. Оно характеризует параметр кристаллической решётки тела при определённой температуре.

Для осуществления междуатомной связи двух свариваемых металлических деталей необходимо сблизить их поверхности на расстояние равное 1 Ангстрему (3-5)х10-10 м. Для образования сварного соединения двух тел (деталей) используют нагрев или давление (иногда совместно), необходимых для нарушения равновесного положения элементов кристаллической решётки.

При нагреве металла с повышением температуры связь между атомами начинает ослабевать, возрастает его пластичность и при определённой температуре он переходит в жидкое состояние. Жидкий расплавленный металл свариваемых тел самопроизвольно перемешивается, при этом образуется их междуатомная связь. В дальнейшем при понижении температуры происходит совместная кристаллизация ванны металла и образование сварного соединения.

При сдавливании соединяемых деталей происходит пластическая деформация, что приводит к смятию «выступов», существующих после любого способа механической обработки, к разрушению поверхностных слоёв окислов и загрязнений. В результате сдавливания поверхности тел сближаются на расстояние, необходимое для возникновения междуатомных связей. Холодная сварка возможна не только при обычной температуре, но и при температуре кипения жидкого азота (-196°С). Удовлетворительные результаты при холодной сварке могут быть получены только для пластичных металлов (медь, алюминий).

Пайка - технологический процесс получения неразъёмных соединений, обладающих междуатомной связью, путём применения тепла. Соединение деталей производится с помощью сравнительно легкоплавкого металла, называемого припоем. Припой – металлический сплав (иногда чистый металл), который имеет температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых материалов. Расплавленный припой наносится на хорошо зачищенные кромки соединяемых деталей, смачивает их и после затвердевания образует соединение. От сварки пайка отличается отсутствием расплавления соединяемых деталей.

Сварка, как способ получения неразъёмного соединения материалов, является в настоящее время одним из наиболее быстро развивающихся технологических процессов. В последние годы сварка применяется для получения неразъёмных соединений не только металлов и их сплавов, но и металлов с керамикой, стеклом, графитом, для соединения пластмасс, при восстановлении и соединении костных тканей и кровеносных сосудов в медицине. Одним из первых технологических процессов, выполненных в космосе, была сварка, проведенная лётчиками-космонавтами Г.С.Шониным и В.Н.Кубасовым на космическом корабле «Союз-6» 16 октября 1969 года.

У истоков создания электро-дуговой сварки были выдающиеся русские учёные и изобретатели 19 века – академик Василий Владимирович Петров, изобретатель Николай Николаевич Бенардос и инженер Николай Гаврилович Славянов.

Ученик и последователь М.В.Ломоносова, первый русский электротехник В.В.Петров открыл и описал явление электрического дугового разряда и в 1802 г. высказал идею о возможности использования тепла дуги для расплавления металла. Но его идея не могла воплотиться в жизнь – не было необходимых источников сварочного тока. Только в 1882 году Н.Н.Бенардос впервые в мире разработал «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока», т.е. электрическую сварку и резку металлов угольной дугой. Позже Н.Н.Бенардосом были разработаны и предложены следующие методы сварки: в струе газа, автоматическая, сварка и резка металлов под водой, контактная сварка. В 1888 г. Н.Г.Славянов предложил способ дуговой электрической сварки, при котором в качестве электрода, вместо угольного электрода использовался сам металлический стержень. Но широкое промышленное применение сварка нашла только после Октябрьской революции в годы первых пятилеток. Необходимо отметить, что большая заслуга в разработке механизированной сварки под слоем флюса принадлежит коллективу института электросварки АН УССР под руководством академика Е.О.Патона. Большая роль в развитии сварки в судостроении и судоремонте принадлежит Виктору Петровичу Вологдину – в 1931 г. на Дальзаводе было построено первое сварное судно – морской буксир длиной 16 м.

По каким же признакам можно классифицировать процессы сварки? Таковыми являются

- наличие давления;

- форма вводимой энергии;

- вид инструмента – носителя энергии.

По физическим признакам такую классификацию можно представить в таблице 1.

При рассмотрении второго признака ( форма вводимой энергии) можно выделить следующие формы:

- термические;

- термомеханические;

- механические;

- особые ( при сварке пластмасс и пр. – мы их не будем рассматривать).

 

Табл.1

№ п/п Сварка плавлением Сварка с применением давления Сварка с применением давления
- Термический процесс (Т) Термомеханический процесс (ТМ) Механический процесс (М)
1. Газовая Контактная Холодная
2. Термитная Газопрессовая Трением
3. Дуговая Индукционная с давлением Ультразвуковая
4. ЭШС Дугопрессовая Взрывом
5. Индукционная Печная с давлением (горновая) Вакуумным схватыванием
6. Электронно-лучевая Термитная с давлением -
7. Лазерная Термокомпрессионная -
8. Микроплазменная Диффузионная -

 

В зависимости от рода первичной энергии сварку подразделяют на три основные группы:

- химическую ( использование тепла химических реакций);

- электрическую ( использование электрической энергии);

- механическую ( использование механической энергии).

Остановимся коротко на некоторых способах сварки, указанных в табл.1, которые пока что нашли ограниченное применение в судостроении. Способы сварки давлением без подогрева («М» - способы):

1. Холодная сварка. Этот способ был разработан академиком К.К.Хреновым в 1949г. При этом способе поверхностные атомы соединяемых деталей сближают до очень малых расстояний. При этом силы междуатомного взаимодействия создают монолитное соединение, равнопрочное основному материалу. Разрушение поверхностных плёнок, препятствующих образованию сварного соединения, достигается посредством значительной (доходящей до 80%) совместной пластической деформации металла соединяемых деталей. Холодная сварка , в основном, широко применяется в электротехнике – при сварке медных и алюминиевых кабелей и проводов и шин.

2. Сварка взрывом. Этот способ сварки впервые был открыт академиком М.А.Лаврентьевым в 1944 г. Энергия, заключённая во взрывчатом веществе, частично затрачивается на совместную деформацию и местный нагрев металла в стыке, что приводит к образованию сварного соединения. С помощью сварки взрывом можно получать соединения деталей, обладающих большими поверхностями – например, получение двухслойного металла из двух различных марок листов (биметалл). Процесс сварки характеризуется большой скоростью, надёжностью и высоким качеством соединений.

3. Ультразвуковая сварка. Этот способ разработан в 1935 г. в Германии. При ультразвуковой сварке соединяемые внахлёстку детали подвергаются сжатию и воздействию механических колебаний с ультразвуковой частотой ( свыше 20000 Гц). Под воздействием этих колебаний вблизи места сварки в металле возникают сдвиговые деформации, которые разрушают окисные поверхности плёнки, выделяется теплота и образуется сварное соединение. Металл не нагревается до плавления, и сварка происходит в твёрдом состоянии. УЗС применяют в приборостроении для соединения деталей толщиной менее 0,5 мм, а также для сварки полимерных плёнок.

4. Сварка трением. Этот способ предложен в 1956 г. токарем А.Н.Чудиковым. Одна из соединяемых деталей вращается с большой скоростью и в месте контакта с неподвижной деталью в результате трения выделяется теплота, которая разогревает металл в месте стыка до температуры сварки. При сдавливании деталей образуется сварное соединение. Для этого способа сварки разработано высокопроизводительное автоматизированное оборудование. Этот способ получил широкое применение в инструментальном производстве.

Способы сварки, основанные на использовании давления (термомеханические способы – «ТМ» - способы):

1. Горновая сварка. Это наиболее старый способ. Соединяемые стальные детали нагревают в печах или горнах до температуры 1100 - 1300°С. Нагретые детали сдавливают при осадке, производимой ударами молота, давлением пресса или прокаткой. В настоящее время разновидности горновой сварки находят применение при соединении листов при производстве биметалла, при производстве газовых труб небольшого диаметра (15-80 мм). Заготовка трубы нагревается в печи и протягивается через формирующую матрицу со скоростью 70 м/мин, при этом заваривается продольный шов.

2. Электрическая контактная сварка сопротивлением (Рис.1.1.).

Она изобретена в середине 19 века американцем Томпсоном. Соединяемые детали устанавливают в зажимах машины, несущих токопроводящие контакты. После включения тока детали в зоне соприкосновения быстро разогреваются до высокой температуры, а затем сдавливаются приводным двигателем машины. Этим способом сваривают инструмент, стержни вольфрамовых электродов, различные прутки и арматуру.

1. Электрическая сварка оплавлением. Этот способ был предложен в 1903 г. Сварку выполняют на машинах, подобных для сварки сопротивлением. Детали сближают, а затем пропускают ток. В месте контакта изделий металл расплавляется. Указанную операцию производят 3-4 раза до получения на контактных поверхностях слоя расплавленного металла. При сдавливании деталей жидкий металл вытесняется, а заодно и окислы - образуется сварное соединение. Сварку оплавлением применяют для соединения труб, железнодорожных рельсов, а также сварку стыков фундаментов двигателей внутреннего сгорания.

2. Контактная точечная сварка. Этот способ предложен ещё Н.Н.Бенардосом, который он выполнял с помощью угольных электродов. В настоящее время электроды изготавливают из бериллиевой бронзы, обладающей высокой прочностью и большой электропроводностью. Детали, соединяемые внахлёстку, зажимают между электродами, а затем через них пропускают ток большой силы (Рис. 1.2.).

 

3. В месте контакта деталей выделяется теплота, что приводит к расплавлению металла. После затвердевания металла под электродом образуется сварочная точка, которая соединяет обе детали. В судостроении контактная сварка применяется при изготовлении тонколистовых переборок и выгородок, воздухопроводов, судового инвентаря.

4. Шовная (роликовая) сварка. Этот способ отличается от точечной тем, что точки накладываются с перекрытием, а в качестве электродов применяются вращающиеся медные диски разных диаметров и толщин (Рис.1.3.).

 

5. Шовная (роликовая) сварка широко применяется в судостроении – сварка переборок и выгородок, приварка р.ж. к теплообменным трубам аппаратов.

6. Диффузионная сварка. Этот способ сварки был изобретён проф., д.т.н. Н.Ф. Казаковым. При этом способе сварки соединяемые поверхности тщательно обрабатывают для получения плотного прилегания, собирают и помещают в вакуумную камеру, в которой создаётся вакуум 1,33 х 10 Па. Детали сжимают постоянно действующим давлением (2-40 МПа) и нагревают до температуры, необходимой для развития диффузии. Под действием нагрева разлагаются и растворяются в металле окислы. Давление снимает неровности сопрягаемых поверхностей и обеспечивает плотное их прилегание, затем происходит интенсивная диффузия с переходом атомов через поверхность раздела и образованием прочного соединения. Этот способ позволяет соединять многие трудно свариваемые металлы и некоторые неметаллические материалы (стали всех классов, стали с цветными металлами, с графитом, металлокерамикой). Диффузионная сварка находит применение при изготовлении деталей газовых турбин, приборов, инструмента.

Способы сварки плавлением («Т» - термические процессы).

1. При сварке плавлением образование сварного соединения происходит путём нагрева металла в месте соединения до расплавленного состояния. Источник энергии и способ её преобразования в теплоту оказывает влияние на размеры и форму шва, на свойства сварных соединений. Учитывая высокую химическую активность расплавленного металла, при сварке плавлением производят защиту его от воздуха шлаком, газом или комбинированным способом.

2. Термитная сварка. Этот способ сварки основан на процессе металлотермии (восстановление металла из окисла с помощью другого металла), открытом русским химиком Н.Н.Бекетовым в 1865 г. Наиболее известен алюминиевый термит из порошка металлического алюминия и железной окалины Fe O . Если эту смесь поджечь, она сгорает, давая металлическое железо и окись алюминия. Реакция сопровождается большим выделением тепла, которое расплавляет восстановленное железо. Термитная сварка применяется для сварки рельс, при ремонтных работах.

3. Газовая сварка. Этот способ сварки основан на использовании тепла, выделяемого при сгорании горючих газов в специальных горелках. В качестве горючих газов используются ацетилен, водород, природный газ и пропан-бутан. С целью повышения температуры пламени в качестве окислителя применяют кислород. В судостроении и судоремонте газовая сварка находит применение при сварке стыков труб небольшого диаметра на монтаже, при изготовлении деталей из меди и её сплавов, а также ремонте деталей из чугуна, силумина.

4. Электрическая дуговая сварка. Электрическая дуга является самым универсальным и распространённым источником теплоты, используемым для сварки плавлением. Способы сварки плавлением, использующие электрическую дугу, многообразны:

5. Сварка неплавящимся угольным электродом. Сварка по методу Н.Н.Бенардоса в судостроении в настоящее время не используется. Этот способ применяется на небольших СРЗ при заварке дефектов чугунных изделий, латунных гребных винтов.

6. Сварка плавящимся электродом. Электрод представляет собой металлический стержень с нанесенным на него покрытием. Вещества, входящие в покрытие, обеспечивают газовую, и шлаковую защиту металла от воздуха и физико-химическую обработку металла шва. Электроды для сварки были изобретены в 1911 г. Шведским инженером Кельбергом. В судостроении сварка электродами применяется меньше, так вытесняется более производительными механизированными способами. В последнее время в судостроении находит широкое применение гравитационная и автоконтактная сварка с использованием длинномерных покрытых электродов (установки типа «Огонёк» и др.).

7. Сварка под слоем флюса. Этот способ основан на горении дуги под слоем порошкообразных расплавляющихся при сварке флюсов (Рис.1.4).

В судостроении применяются полуавтоматическая и автоматическая сварка под слоем флюса. Применение автоматической сварки под слоем флюса снизило трудоёмкость изготовления сварных конструкций в 5-7 раз, а также снизило затраты на сварочные материалы и электроэнергию. Этот способ позволяет сваривать стали, а также медные и титановые сплавы. В судостроении этот способ и его модификации используется очень широко.

Сварка в среде защитных газов. Идея защиты металла шва газом была высказана и осуществлена Н.Н.Бенардосом. Различают способ сварки неплавящимся электродом ( угольным или вольфрамовым) и плавящимся. Сварка неплавящимся электродом в струе аргона или гелия широко используется в судостроении для сварки цветных металлов и их сплавов, а также титановых сплавов и нержавеющей стали. Сварка стали плавящимся электродом (проволокой) стала возможной после изобретения в 1952 г. К.В.Любавским и Н.М.Новожиловым специальной легированной проволоки для сварки в среде углекислого газа. Сварку выполняют полуавтоматами и автоматами. Этот способ сварки ( полуавтоматический вариант) позволяет сваривать конструкции в любом пространственном положении. Этот способ нашёл широкое применение в судостроении.

Сварка струёй дуговой плазмы. Этот способ был разработан в пятидесятых годах прошлого века в СССР. Для сварки используется теплота плазмы дуги. Плазма образуется в плазмотронах, где в качестве рабочего газа используется аргон, азот, водород и их различные смеси, а также воздух и вода (Рис.1.5).

В настоящее время в судостроении находит широкое применение плазменная наплавка цветных и износостойких материалов, гибридная лазерно-дуговая сварка, а также плазменная резка.

Электрошлаковая сварка. Электрошлаковая сварка (ЭШС) разработана в 1949 г. в институте электросварки им. Е.О.Патона профессором, д.т.н. Г.З.Волошкевичем. Этот способ основан на использовании для нагрева свариваемых деталей тепла, образуемого при протекании тока через расплавленный флюс-шлак, которые являются проводниками электрического тока (Рис.1.6.).

 

 

 

Этот способ сварки нашёл широкое применение в судостроении при сварке крупногабаритных конструкций (форштевни, ахтерштевни, кронштейны гребных валов), а также судовых корпусных конструкций толщиной более 15 мм.

Остановимся на преимуществах сварных конструкций перед клёпаными (Рис.1.7.):

 

1.Упрощение конструкции и, соответственно, технологии постройки корпуса судна и применяемого оборудования.

2.Снижение веса конструкции на 15-25%.

3.Повышение герметичности сварных соединений, в особенности, при получении остаточных деформаций от ударов и взрывов, это важно, т.к. судовые конструкции работают в условиях вибрации и при знакопеременных нагрузках.

4.Уменьшение стоимости за счёт уменьшения их веса и трудоёмкости изготовления.

5.Возможность механизации и автоматизации процессов сварки.

6.Улучшение условий труда сборщиков и сварщиков (бесшумность процесса).

7.Повышение прочностных свойств соединений при упрощении конструкций.

8.Возможность применения разнородных металлов в одной и той же конструкции, сохранив при этом сплошность ( корпус стальной + алюминиевая надстройка, наплавка износоустойчивых и коррозионностойких материалов).

9.Возможность изготовления лито-сварных и ковано-сварных изделий судового машиностроения.

10.Возможность постройки крупных блоков в цехах с последующей доставкой их на стапель для сборки корпуса в целом, что резко сократило продолжительность постройки судна.

Контрольные вопросы,

1. Определение процесса сварки.

2. Что такое междуатомная связь?

3. Что представляет из себя процесс пайки? Отличие от процесса сварки.

4. Кто из выдающихся русских учёных стоял у истоков сварки?

5. Основные признаки процессов сварки?

6. Три основные группы сварки.

7. Перечислить основные способы сварки, применяемые в судостроении.

8. Преимущества сварных соединений перед клёпаными?


 

Под электрической дугой понимают устойчивый многоамперный разряд с низким катодным напряжением (10-20 В) в газе высокого давления (ок.100 кПа). У разрядов других видов (тлеющий, тёмный и пр.) катодное напряжение обычно составляет сотни вольт. Благодаря отмеченному свойству источники питания сварочных дуг имеют не6большое напряжение (до 80 В) [ 1, 2, 4].

Сварочная дуга характеризуется сосредоточенным выделением теплоты, обеспечивающим высокую эффективность нагрева и плавления металла. Мощность дуги варьируется в очень широких пределах от 50 Вт до 150 кВт и более.

Дуговую сварку можно выполнять на переменном или на постоянном токе. В последнем случае сварку производят на прямой полярности, когда электрод является катодом, а изделие – анодом или – на обратной полярности, когда изделие – катод, а электрод – анод.

Условие существования дуги. В обычном состоянии газы электрической проводимостью не обладают, так как практически полностью состоят из нейтральных частиц – атомов или молекул. Разряд возможен лишь при условии хотя бы частичной ионизации газов, заполняющих межэлектродный промежуток. В сварочной дуге ионизированное состояние газа поддерживается самопроизвольно и непрерывно.

Строение дуги постоянного тока.Ионизированный газ, т.е. газ представляющий смесь электронов, ионов и нейтральных частиц, называется плазмой. В дуге плазма образует цилиндрический или конусообразный проводник, называемый столбом дуги (Рис. 2.1.).

 

Столб дуги отделён от электродов переходными прикатодной и прианодной областями. На поверхности анода и катода наблюдаются яркосветящиеся пятна – это наиболее нагретые места на электродах.

 

Физические процессы в дуге.При горении дуги катодное пятно имитирует электроны. В пределах прикатодной области электроны е движутся к столбу дуги, не испытывая столкновений с атомами газа А. Предполагается, что при этом они разгоняются электрическим полем до энергии ионизации и при входе в столб ионизируют газ по схеме «ионизация электронным ударом»: А + е = А+ + 2е ( здесь А+ - положительно заряженный ион).

Поэтому в первом приближении протяжённость прикатодной области принимают равной длине свободного пробега электронов – 10-5 см ( для дуг, горящих при давлении ок. 100 кПа), а падение напряжения в прикатодной области – равным потенциалу ионизации наиболее легко ионизируемого газа.

Под действием катодного напряжения из столба дуги «отсасываются» положительно заряженные ионы. Бомбардируя катод, ионы нейтрализуются, т.е. отдают энергию ионизации и кинетическую энергию, приобретённые в результате разгона в прикатодной области. Этим процессом обусловлен нагрев и плавление катода. Эмиссия электронов приводит к охлаждению катода, так как она проходит с поглощением энергии (так называемой работы выхода).

Таким образом, в прикатодной области течёт смешанный электронноионный ток. В прианодной области течёт электронный ток, направленный от столба к аноду. Протяженность прианодной области оценивают величиной 10-3 см. Бомбардируя анод, электроны отдают энергию выходы и кинетическую энергию, приобретённую в прианодной области; нагревают и плавят анод.

В столбе дуги идут два взаимоуравновешенных процесса: образование заряженных частиц – ионизация; потеря частиц, вызванная, во-первых, их переходом в катод и анод, а во-вторых, рекомбинацией – образованием нейтральных частиц при столкновении разноимённо заряженных.

Источником энергии, затрачиваемой на ионизацию, служит электрическое поле. Энергия поля преимущественно воспринимается более лёгкими и подвижными частицами – электронами.

Будучи разогнанными до энергии ионизации, они осуществляют ионизацию электронным ударом. Электроны с меньшей энергией при столкновении с атомами и ионами либо переводят их в возбуждённое состояние, либо передают нейтральным частицам часть своей энергии упругим соударением, усиливая тепловое движение частиц. Благодаря последнему в плазме дуги развита термическая ионизация – результат соударения атомов, прежде всего возбуждённых.

Рекомбинация разноимённо заряженных частиц и возбуждённых атомов сопровождается выделением энергии, затраченной на ионизацию и возбуждение, в виде мощного потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения.

Плазма в целом электрически нейтральна: количество разноимённо заряженных частиц одинаково. Электропроводность плазмы обеспечивается направленным движением электронов под воздействие электрического поля столба дуги. При наличии в составе плазмы элементов с большим сродством к электрону (например, фтора, кислорода) электропроводность плазмы резко снижается вследствие захвата атомами подобных элементов электронов и усиления рекомбинации (неупругое столкновение ионов более вероятно, чем неупругое столкновение электрона с ионом).

Возбуждение сварочной дугипроизводится двумя способами. Первый способ состоит в замыкании электрода о деталь. При отрыве электрода, поверхность катода оказывается нагретой до температуры кипения металла, а межэлектродный промежуток – заполненным парами металла. В этих условиях уже при приложении напряжения в 60 В наступает пробой – мощная электронная эмиссия с катода и ионизация газа.

Второй способ предусматривает возбуждение дуги без касания электрода о деталь путём электрического пробоя воздушного промежутка, достигаемого приложением к электродам высокого напряжения в 2000-3000 В. Для этой цели служит специальный прибор – осциллятор, создающий переменное напряжение с частотой 50-150кГц. Повышенная частота необходима для того, чтобы высокое напряжение было неопасным для человека.

Температурные условия в дуге.У мощных (многоамперных дуг) сварочных дуг температура анодного и катодного пятен близка к температуре кипения металла ( если электроды плавящиеся) или к температуре плавления ( если электроды неплавящиеся).

Температура плазмы зависит от плотности тока и от содержания в ней элементов, повышающих или понижающих проводимость плазмы. Введение в плазму элементов с низким потенциалом ионизации, например, кальция натрия, калия ( их потенциалы ионизации соответственно равны 6,08; 5,12; 4,32 В) облегчает ионизацию и обеспечивает высокую проводимость плазмы при низких температурах. При неизменной плотности тока они снижают температуру плазмы. Введение элементов с большим сродством к электрону при том же токе сопровождается повышением температуры плазмы. Температура плазмы возрастает с увеличением плотности тока в столбе дуги, что обусловлено необходимостью усиления ионизации и повышения проводимости плазмы.

Экспериментальные данные показывают, что температура плазмы у дуг с плавящимися электродами находится в пределах 6000-8000°С. У дуг с неплавящимся вольфрамовым катодом температура достигает 10000 -15000°С. Температура плазмы может быть увеличена до 25-30 тысяч градусов при увеличении плотности тока в столбе, что достигается его обжатием холодными стенками сопла. Эта особенность дуги использована в плазмотронах для сварки и резки (Рис.1.5).

Электрические свойства дуги.Напряжение на дуге складывается из катодного Uк, анодного напряжения Uа и напряжения на столбе дуги Uст.. Величина последнего практически прямо пропорциональна длине дуги – расстоянию между электродами, т.е. Uст = E · lд , где E – напряженность электрического поля в столбе. Таким образом:

Uд = Uк + Uа + E·lд . 2.1.

На величину напряжения дуги влияют составы электродов, покрытий, флюсов и защитных газов ( от которых зависит состав плазмы), диаметр электрода, сила тока и длина дуги.

Зависимость напряжения дуги от силы (плотности) тока при неизменной длине дуги и прочих параметрах называется статической вольт-амперной характеристикой дуги (Рис.2.2.). С увеличением длины дуги статическая характеристика эквидистантно перемещается вверх (Рис. 2.2.).

Для сварочных дуг характерен следующий диапазон напряжений и плотностей токов:

- ручная дуговая сварка (РДС) – 12-25 В; 5-25 А/мм2;

- сварка под флюсом – 25-45 В, 40-125 А/мм2;

- сварка в защитных газах – 25-35 В, 100-350 А/ мм2.

Статическая характеристика дуг при РДС покрытыми электродами ограничивается ниспадающей ветвью, при сварке под флюсом – преимущественно горизонтальной ветвью (Рис.2.2.), при сварке в среде защитных газов, как правило, - возрастающей ветвью.

 

Дуга переменного тока отличается от дуги постоянного тока периодическими изменениями напряжения и тока по величине и напряжению. В каждый полупериод при снижении напряжения ниже напряжения горения дуги, определяемого статической характеристикой, дуга гаснет. Несмотря на кратковременность прекращения горения, плазма успевает остыть на несколько тысяч градусов, соответственно уменьшается и её проводимость. Поэтому в каждый последующий полупериод дуга возбуждается при напряжении более высоком ( так называемое напряжение зажигания дуги), чем напряжение горения.

Баланс теплоты в дуге.Электрическая энергия преобразуется в теплоту в трёх зонах: на поверхности катода, анода и в столбе дуги. Количество теплоты, выделяемой на катоде, зависит от соотношения ионного и электронного тока, от потенциала ионизации газа плазмы и катодного напряжения, т.е. в конечном счёте, от состава электродов, защитных газов, покрытий и флюсов. Теплота, выделяющаяся в единицу времени на электроде-катоде может составлять 210-15% мощности дуги.

Теплота, выделяющаяся в единицу времени на эдектроде-аноде, слабо зависит от перечисленных факторов и составляет 35% мощности дуги. Остальная энергия 15-55% выделяется в столбе дуги.

Теплота, выделяющаяся на катоде и аноде, практически полностью расходуется на нагрев и плавление металла. Теплота столба дуги частично расходуется на нагрев капель электродного металла и металла ванны, но в основном – на нагрев окружающих столб защитного газа и шлака.

При прочих одинаковых условиях количество теплоты, выделяющейся в единицу времени на электроде, пропорционально силе сварочного тока. Поэтому количество расплавляемого в единицу времени электродного металла связано с величиной сварочного тока зависимостью

Q = aр · I , 2.2.

Где aр – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом расплавления электрода.

Устойчивость дуги.Под устойчивостью дуги понимают способность дуги гореть без обрыва неограниченное время.

Сварочная дуга должна быть устойчивой в достаточно широком диапазоне длин и токов, из-за неизбежного случайного изменения этих параметров в процессе сварки. Устойчивость дуги обеспечивается с одной стороны источником питания, а с другой – процессами в самой дуге.

Важным свойством источника является его внешняя характеристика. Дуга горит устойчиво в тех точках пересечения внешней характеристики источника со статической характеристики дуги (Рис.2.2.), в которых при случайном укорочении дуги ток и скорость расплавления электрода возрастают, а при увеличении длины – уменьшаются. В результате дуга как бы сама восстанавливает первоначальную длину.

Влияние внутренних процессов на устойчивость дуги наиболее сильно сказывается у дуг переменного тока. Периодические снижения температуры плазмы в момент перехода тока через ноль могут быть, в силу случайных причин, столь значительными, что напряжения зажигания дуги окажется больше напряжения холостого хода источника питания и дуга погаснет (оборвётся). Для повышения устойчивости дуги переменного тока используют различные средства, уменьшающие продолжительность перерывов в горении дуги или снижающие напряжение зажигания дуги.

Перерывы в горении дуги уменьшаются при включении последовательно в сварочную цепь индуктивного сопротивления, из-за отставания тока от напряжения. Перерывы уменьшаются при увеличении напряжения холостого хода источника питания.

Эффективным средством уменьшения напряжения зажигания и повышения устойчивости дуги переменного тока является введение в покрытия электродов и во флюсы (следовательно, и в плазму дуги) элементов с низким потенциалом ионизации (K, Na, Ca) или наложение на дугу высокого напряжения с помощью упомянутого выше осциллятора. Отметим также, что дуга горит устойчиво не только на воздухе, под слоем флюса и в защитных газах, но и под водой. Последнее свойство дуги позволяет осуществлять подводную сварку. Дуга в этом случае горит в пузыре, заполненном парами покрытия и электрода, парами воды и защитного газа. На электроды, предварительно, наносят слой влагостойкой защиты, например, парафин.

 

Виды разрядов. При дуговой сварке возникает газовый разряд, который может быть:

- устойчивым ( тёмный, тлеющий, дуговой);

- неустойчивым.

Магнитогидродинамические свойства дуги.Поскольку всякое перемещение заряженных частиц связано с появлением магнитных полей, то существуют они и в сварочной дуге. На проводник длиной lс током I,находящийся в магнитном поле действует сила ЛоренцаF(по правилу левой руки):

F = B·I·l , 2.3.

Где B – магнитная индукция.

Поскольку в столбе дуги могут быть два тока – электронный и ионный, то сила F направлена по разному для каждой частицы при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов и ионов противоположны, и сила F направлена к центру дуги. Собственный магнитный поток столба дуги, силовые линии которого концентрически охватывают столб и могут быть определены по «правилу буравчика», стабилизирует дугу вследствие пинч-эффекта. Величину электромагнитного сжимающего давления, т.н. пинч-эффекта, можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (Рис.2.3.).

 

Виды переноса металла. В зависимости от условий сварки – силы, плотности и формы кривой тока, вида защиты, полярности дуги, динамических свойств источника тока и т.д. – можно назвать пять основных видов переноса электродного металла в дуге с плавящимся электродом:

- с короткими замыканиями крупнокапельный ( при РДС);

- с короткими замыканиями мелкокапельный ( п/автоматическая сварка в СО2);

- без коротких замыканий мелкокапельный ( сварка под флюсом);

- струйный ( сварка в инертных газах тонкой проволокой);

- парами металла ( при всех видах сварки плавящимися электродами).

Характер переноса металла оказывает значительное влияние на устойчивость процесса, разбрызгивание металла, формирование шва и интенсивность металлургических процессов в дуге и ванне. В большинстве случаев, особенно при автоматизированных процессах сварки, желателен струйный перенос, обеспечивающий лучшее формирование и качество шва.

Перенос наблюдают обычно с помощью скоростной киносъёмки или съёмки в рентгеновых лучах, синхронно с осциллографированием.

Силы в дуге.Главными силами, действующими на расплавленный металл в дуге, являются: силы тяжести; силы поверхностного натяжения; электродинамические силы в жидком проводнике; реактивные силы; электростатические силы; плазменные потоки и др. Поясним влияние некоторых из этих сил на перенос металла в дуге.

Силы тяжести способствуют переносу металла в нижнем положении и препятствуют в потолочном. Они оказывают наибольшее влияние при сварке на малых токах, когда электродинамические силы ещё сравнительно невелики.

Силы поверхностного натяжения придают каплям жидкости (при отсутствии тяготения) сферическую форму, удерживают капли «на потолке», всасывают капли металла в жидкую сварочную ванну. Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверхностное натяжение. Например, кислород снижает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инертных газах добавляют до 5% кислорода. Поверхностное натяжение снижается также при повышении температуры капель металла.

Электродинамические силы пинч-эффектасильно влияют на перенос металла, особенно при больших токах, когда ими могут вызываться также и плазменные потоки от мест сужения столба. Поэтому, например, в слаботочных дугах, где эти силы малы, преобладает крупнокапельный перенос, а в сильноточных – струйный. Струйный перенос особенно характерен для газоэлектрической сварки.

Виды сварочных дуг. Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшими из которых являются следующие два:

1. состав плазмы, размеры и условия стабилизации столба дуги;

2. материал, размеры и форма электродов (особенно катода).

Кроме того, большое влияние оказывает режим сварки: плотность тока, его величина, полярность, наличие импульсов (их амплитуда и частота), динамические характеристики источника питания и т.п. Все эти факторы взаимосвязаны, т.е. являются зависимыми параметрами. Однако, условно по типу катода сварочные дуги можно разделить на два основных вида [1,4]:

- в парах металлов – металлические (Ме-дуги);

- в газах – это главным образом вольфрамовые (W-дуги). Основные технологические применения Ме-дуг – сварка и резка плавящимся электродом, а W-дуг – сварка неплавящимся электродом, плазменная сварка, резка и напыление. Ме-дуги используются при сварке голыми/, покрытыми и порошковыми электродами и проволоками; при сварке под флюсом и в защитных газах (СО2, Н2О, Аr), а также при сварке в вакууме.

Ручная дуговая сварка.Ручная дуговая сварка (РДС) Ме-дугой ведётся обычно электродами диаметром 2-6 мм, на токах 100-300 а, при плотностях тока по сечению электрода 700-2000 а/см2 (< 20 а/мм2), на постоянном и переменных токах, в любых пространственных положениях. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему из расплавленного металла и шлаковых плёнок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. К.п.д. дуги составляет около 70%. На Рис.2.4,а показана схема процесса сварки толсто покрытым электродом.

Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30% общей мощности дуги. Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях.

Важным фактором при РДС является устойчивость дуги. На устойчивость дуги оказывают влияние внутренние условия в самой дуге (состав и свойства плазмы) и внешние условия – статические и динамические свойства источника питания и свойства электрической цепи, определяющие в большой мере переходные процессы в дуге.

 

Не рассматривая переходные процессы, остановимся коротко на влиянии ионизирующих элементов в сформировавшейся дуге. Наиболее известна оценка устойчивости дуги по её разрывной длине [1, 4]. Чем больше разрывная длина дуги, тем выше её устойчивость. Так введение в покрытие электрода мрамора способствует увеличению разрывной длины дуги до 15,7 мм., в тоже время без покрытия электрода, она составляет только 8,4 мм.

Сварка под флюсом.Дуга под флюсом (Рис.2.4,б.) отличается от свободной (открытой) сварочной дуги в первую очередь тем, что газовый разряд происходит в изолированном расплавленным шлаком пространстве. Наличие газового пузыря обусловливает повышенное давление в нём, например, около 300мм вод. ст. при токе порядка 500 а. Флюсовая защита по сравнению со сваркой открытой дугой позволяет значительно повысить токи Iсв (до 1000 а и более), мощность дуги и плотность тока на электродах iсв – до 200 а/мм2 (2·104 а/см2 ) и выше. На Рис. 2.4,б показана схема процесса сварки по слоем флюса.

Наличие высокой плотности тока, избыточного давления, некоторого шунтирования дуги флюсом и присутствие во флюсе ионизирующих компонентов обеспечивает высокую устойчивость процесса сварки. Практически отсутствует разбрызгивание металла, шов хорошо формируется. Высокая плотность тока обусловливает возрастающую вольтамперную характеристику дуги, что позволяет применять источники питания с жёсткой или пологой внешней характеристикой. Широко применяется постоянная скорость подачи электродной проволоки в дугу, обеспечивающая саморегулирование процесса.

Перенос металла в дуге под флюсом по сравнению с РДС обычно мелкокапельный без коротких замыканий и пиков тока I и напряжения U. Размер капель тем мельче, чем больше ток . Температура дуги 5000-7000°К. Необходимо заметить, что высокая устойчивость процесса позволяет в подавляющем большинстве случаев применять переменный ток, что связано с большей простотой и экономичностью оборудования. Процесс сварки под флюсом отличается высоким к.п.д. – до 85%, легко автоматизируется и поэтому широко применяется в судостроении.