Физические основы процесса сварки

Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В.В. Петрова два электрода, соединенные с источником тока, сближают до соприкосновения и сразу же разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними вспыхивает дуга.

Рис. Схема дуги постоянного тока пририсовать фигур. скобки к иону+электрону, нарисовать вспышку и подписать фотон, а также катодное и анодное пятна

Электродом 1 (катод) и изделием 3 (анод). В межэлектродном (дуговом промежутке) находится электропроводный канал 2, называемый столбом дуги.

Дуга может питаться как постоянным, так и переменным током, одно- или многофазным, низкой или высокой частоты. Очевидно, что при питании дуги переменным током полярность электрода будет постоянно меняться с периодом, равным частоте переменного тока.

При постоянном токе имеет значение полярность электрода. Чаще к электроду присоединяют отрицательный полюс источника тока, а к изделию — положительный (прямая или нормальная полярность).

Разновидности дуговой сварки

1. В зависимости от материала электродов:

1.1 Сварка неплавящимся электродом (графитовым (угольным) или вольфрамовым)

Происходит расплавление только основного и, иногда, присадочного металла.

1.2.Сварка плавящимся электродом (металлическим)

Происходит одновременные расплавление основного металла и электрода.

2. В зависимости от наличия покрытия на электроде:

2.1. Сварка непокрытым (голым) электродом

непокрытого, голого (или покрытого тонким слоем мела для стабилизации дугового разряда) прутка-электрода

Не обеспечивает получения сварных швов высокого качества из-за насыщения металла кислородом и азотом из атмосферы воздуха.

2.2. Сварка покрытым электродом

Толщина покрытия современных качественных электродов составляет 1—3 мм.

Покрытие - тонкоизмельченную смесь частиц сложного состава (различных минералов, рудных продуктов, горных пород, ферросплавов, органических и других веществ), скрепленных между собой и электродом (металлическим прутком) водным раствором жидкого стекла. В зависимости от того, для сварки каких металлов предназначаются электроды, прутки, на которые наносится покрытие, могут быть из различных металлов или сплавов.

В электродах общего назначения, широко применяемых для сварки разнообразных стальных конструкций, прутки изготавливаются из стальной малоуглеродистой, почти бескремнистой, холоднотянутой проволоки, для которой характерна повышенная чистота металла, ограничение содержания вредных примесей — серы и фосфора.

Функции покрытия:

- защит от воздействия воздуха (кислорода и азота) на жидкий металл,

- облегчение зажигания дуги и устойчивости ее горения;

- раскисление (освобождение в той или иной мере от кислорода) расплавленного металла;

- рафинирование - очищение металла от вредных примесей — серы и фосфора;

- измельчение размеров кристаллов в процессе затвердевания металла.

3. По способу защиты дуги и расплавленного металла от воздуха (окисления)

3.1. Сварка под флюсом

Флюс — это сыпучий, зернистый (гранулированный), с величиной зерен (гранул) 1-2 мм.

3.2 Сварка в защитных газах

Струя газа защищает электрод, зону дуги и сварочную ванну от контакта с воздухом вместо флюса. Защитный газ подавается в зону сварки под небольшим избыточным давлением. Выбор защитного газа определяется особенностями свариваемого металла, требованиями к свойствам сварных соединений, эффективностью процесса и другими соображениями.

Применяют три группы газов:

- активные (углекислый газ, водород, азот и др.)

Происходит окисление ряда элементов, входящих в состав стали и определяющих ее свойства (железо, углерод, кремний, марганец, легирующие элементы).

При нагреве: 2 СО₂= 2СО + О₂ – Q (пузыри + окислитель)

1. 2Mn + О₂ (обеднение металла элементом, снижение прочности шва)=2MnO ( пленка шлака на поверхности металла) (хорощо это или плохо?

Si + О₂=SiO₂ (аналогично)

2. После связывания основных раскислителей

2С + О₂ (снижение прочности шва)= 2СО (пористость шва)

- инертные (аргон, гелий),

-смеси газов (, , , и др.).

4. По степени механизации сварки.

4.1. ручная

4.2. автоматическая.

Ручная дуговая сварка.

В настоящее время является основным способом сварки, что объясняется простотой и универсальностью этого способа сварки.

Используется только покрытый электрод.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом дуга 8 горит между стержнем 7 электрода и основным металлом 1.

Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак образует твердую шлаковую корку 2.

Рис. Схема ручной дуговой сварки плавящимся металлическим электродом с покрытием

Достоинства:

1. универсальность и большая маневренность (главное);

Может осуществляться не только в любом пространственном положении, но и в любом, недоступном для других способов сварки, месте изделия, при любой толщине свариваемого металла, обеспечивая выполнение швов самой различной протяженности.

2. Возможность высококачественной сварки любых сталей и сплавов, чугунов, цветных металлов (за счет варьирования типа и марки покрытых электродов)

3. Простота процесса, применение несложного в устройстве и работе оборудования для питания дуги.

Позволяет использование в любых условиях (вплоть до сельских мастерских).

Недостатки:

1. использование ручного труда рабочих высокой квалификации,

2. низкая производительность процесса

Используются небольшие величины сварочного тока (чтобы не перегревался пруток электрода), процесс прерывается из-за необходимости замены электродов по мере того, как они расплавляются.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Создан в 1939—1940 гг. под руководством академика Е.О. Патона способа «скоростной автоматической сварки голым электродом под слоем флюса». Этот способ и сегодня остается самым экономичным и высокопроизводительным процессом, обеспечивающим получение сварных швов высокого качества.

Рис. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

При сварке под флюсом вместо штучных электродов применяется электродная проволока 1 большой длины, свернутая в виде кассеты. Ее подача в зону дуги по мере плавления, а также перемещение самой дуги вдоль свариваемых кромок механизированы и осуществляются сварочным автоматом, имеющим устройство 2 для внесения в зону сварки флюса и отсоса нерасплавившейся его части со шва для возврата в бункер.

Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Возбуждению дуги предшествует засыпка флюса вдоль свариваемых кромок в виде валика толщиной 50-60 мм. Дуга 3 возникает при включении автомата между торцом электродной проволоки 1 и свариваемым изделием 4. Дуга и металлическая ванна жидкого металла оказываются изолированными слоем флюса толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 5,. Дуга горит в закрытой полости, в своеобразном газовом пузыре 6. Возникающее статическое давление слоя флюса на жидкий металл сварочной ванны 7 предотвращают разбрызгивание жидкого металла и нарушения в формировании шва.

Расплавленный флюс-шлак, обладая небольшой плотностью, всплывает на поверхность жидкого металла сварочной ванны. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 9, покрытого легко удаляемой шлаковой коркой 8. образуя в процессе затвердевания шлаковую корку 8, со шва 9. Нерасплавленная же часть флюса 10 отсасывается пневмоустройством 11 автомата в бункер 2 для повторного использования.

Преимущества способа:

1. высокая производительность процесса, обусловленная возможностью применять значительный по величине ток (в сравнении с открытой дугой больше в 5…20 раз);

2. Следствие Глубокое проплавление свариваемого металла (за счет использования закрытой и мощной дуги). Позволяет уменьшать разделку кромок (или вообще ее не делать).

3. Следствие Существенное сокращение расхода электродного металла и электроэнергии.

4. Уменьшение потерь металла на угар, разбрызгивание, огарки (неизбежные при ручной сварке);

5. стабильное, хорошее качество сварных швов;

6. высокий уровень механизации и возможность комплексной автоматизации сварочного процесса;

7. улучшение условий труда (нет необходимости в защите глаз и лица сварщика от вредного действия дуги)

Недостатки:

1. возможность сварки только в нижнем положении при наклоне изделия не более, чем на 10-15° от горизонтали (для предупреждения стекания расплавленного металла и флюса, нарушающего правильное формирование шва);

2. невозможность (или нецелесообразность) сварки тонколистового металла толщиной менее 3 мм, швов малого калибра;

3. сложность и громоздкость сварочного оборудования, уменьшающих маневренность способа;

4. необходимость более тщательной (в сравнении с ручной сваркой) подготовки кромок и более точной сборки деталей под сварку.

Дуговая сварка в защитных газах.

Ряд перечисленных недостатков и ограничительных факторов, присущих сварке под флюсом, могут быть полностью или частично устранены при использовании такого важного вида дуговой сварки, как сварка в защитных газах. В настоящее время дуговая сварка в защитных газах занимает одно из ведущих мест в сварочном производстве и продолжает развиваться и совершенствоваться.

Сварка в защитных газах плавящимся электродом намного опережает по объему применения сварку неплавящимся электродом (примерно 90 % объема — сварка плавящимся электродом).

1. Сварка в инертных газах.

Можно выполнять электродами:

- неплавящимся (пруток вольфрама);

- плавящимся (проволока из основного или близкого по химсоставу металла).

Область применения: для высоколегированных и специальных сталей, цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов; ответственных изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, сосудов и аппаратов для химической промышленности, различных вакуумных камер, соединения трубопроводов для агрессивных жидкостей.

Из активных защитных газов наиболее широко применяют для сварки плавящимся электродом углекислый газ.

2. Сварка в углекислом газе

Выполняется только плавящимся электродом. Применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием раскислителей (кремния и марганца), они, будучи сильными раскислителями, затормаживают взаимодействие углерода с кислородом. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Область применения: для углеродистых и низколегированных сталей (строительные конструкции, трубопроводы и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимущества:

- низкая стоимость углекислого газа;

- высокая производительность.

Основной недостаток – разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).

Преимущества сварки в защитных газах:

1. возможность выполнять швы в любом пространственном положении, «на весу», т.е. без каких-либо предварительных подварок или применения подкладок (почему?);

2. открытость зоны сварки, можно контролировать образование шва,

3. Отсутствие шлаковой корки на шве, а значит и затраты времени на ее удаление.

Недостатки процесса:

1. При выполнении больших по размерам швов производительность меньше, чем при сварке под флюсом (≈ в 2 раза).

2. Затруднена сварка на открытом воздухе при ветре - из-за сдувания защитного газа;

3. Разбрызгивание металла, требующее по окончании сварки удаления брызг с поверхности металла;

4. Необходимость применения защитных средств против светового и теплового излучения дуги.

Область применения: для изготовления изделий из металла небольшой толщины (до 10 мм), когда применение сварки под флюсом оказывается невыгодным или невозможным.

Низкоуглеродистые стали (до 0,25 % С) обладают хорошей свариваемостью. Снижения прочности шва при сварке (при уменьшении содержания С) избегают дополнительным легированием кремнием и марганцем

Среднеуглеродистые стали (до 0,45 % С) свариваются хуже. Углерод усиливает дендритную ликвацию, при этом сера концентрируется по границам кристаллов в виде легкоплавких сульфидов, вызывает трещины. Также образуются малопластичные хрупкие структуры (мартенсит) в зоне шва. Следует снижать С % в зоне шва применением соответствующих сварочных материалов, замедлять охлаждение для предотвращения трещин (подогрев заготовки), назначать термообработку после сварки.

По способу производства для сварки лучше стали спокойные мартеновские.

Дата добавления: 2014-01-20