Дуговая сварка

В электромонтажной практике сварка под слоем флюса  используется почти исключительно  для соединения медных шин.

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.

Дуговая сварка в среде защитных газов является одним из широко применяемых технологических процессов в машиностроении. Сущность процесса сварки в среде защитных газов неплавящимся и плавящимся электродами схематично показана на рис. 2

Рис. 2. Схема процесса сварки в среде защитных газов: а — неплавящимся электродом; б — плавящимся электродом

В первом случае электрическая дуга возбуждается между  вольфрамовым или угольным электродом 1 и основным металлом 2 и горит  в среде защитного газа 3. Для  заполнения разделки в дугу подается присадочная проволока 4.

 Еще одна разновидность дуговой сварки - 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 к 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 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 толщины.

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 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.

    Источником  теплоты при термитной сварке  являются порошкообразные 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.

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.

По роду тока различают:

• электрическая дуга, питаемые постоянным током прямой полярности (минус на электроде)
• электрическая дуга, питаемая постоянным током обратной (плюс на электроде) полярности
• электрическая дуга питамая переменным током

В зависимости  от способов сварки применяют ту или  иную полярность. Дуговая сварка под  флюсом и в среде защитных газов  обычно производится на обратной полярности.

По типу дуги различают

• дугу прямого действия (зависимую дугу)
• дугу косвенного действия (независимую дугу)

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. Основной металл не является частью сварочной цепи и расплавляется преимущественно за счёт теплоотдачи от газов столба дуги. В этом случае питание дуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительное применение из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезно используемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

Электроды для дуговой  сварки бывают

• плавящиеся сварочные электроды
• неплавящиеся электроды (угольный, графитовый и вольфрамовый)

Дуговая 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) - сварка в среде углекислого газа, аргонно-дуговая сварка.
• дуговая сварка с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс)

Электродные покрытия применяются для для создания защитной атмосферы во время плавления, введения легирующих добавок в сварной шов и т.п.

Стабилизирующие электродные покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.

Защитные электродные 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 электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.

Применяются также магнитные электродные покрытия, которые наносятся на проволоку в процессе сварки за счёт электромагнитных сил, возникающих между находящейся под током электродной проволокой и ферромагнитным порошком, находящемся в бункере, через который проходит электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке. Иногда это ещё сопровождается дополнительной подачей защитного газа.

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.

1.3 Физико-химические процессы.

При сварке происходит ряд достаточно сложных физико-химических процессов, определяющих качество сварного соединения. Источники сварочного нагрева  оказывают тепловое и химическое воздействие на основной и присадочный  металлы, от чего зависят состав и свойства металла шва и околошовной зоны. В процессе сварки металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварного шва. В зоне сварки происходит взаимодействие жидкого металла с окружающей средой (шлаком и газом). Названные процессы являются общими для всех способов сварки плавлением. 
 
 
Плавление и перенос электродного металла. От этого процесса зависят производительность сварки, потери металла, формирование шва, устойчивость горения дуги и другие факторы. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная скорость его расплавления в единицу времени, которая зависит от состава электрода, покрытия, режима сварки, плотности и полярности тока. 
 
В общем случае скорость плавления электрода возрастает с увеличением силы тока примерно по линейной зависимости и определяется условиями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной областях и зависит от полярности тока. При плавлении на торце электрода образуется капля жидкого металла. Большая удельная поверхность и высокие температуры капель способствуют интенсивному взаимодействию металла с окружающей средой. Поэтому характер переноса электродного металла оказывает значительное влияние на кинетику физико-химических процессов. 
 
Характер переноса электродного металла зависит от соотношения сил, действующих на каплю металла на торце электрода, основными из которых является сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, сила реактивного давления, паров, аэродинамическая сила и др. Значения отдельных сил и направление их равнодействующих зависят от режима сварки, полярности тока, состава электродного металла и газовой среды, состояния поверхности и диаметра электрода. 
 
Сила тяжести оказывает существенное влияние лишь при сварке на малых токах и ее роль проявляется в стремлении капли под действием собственного веса переместиться вниз. При сварке в нижнем положении сила тяжести играет положительную роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в вертикальном и особенно в потолочном положениях она затрудняет процесс переноса электродного металла. 
 
 
Изменение напряжения дуги в практически целесообразных диапазонах не оказывает существенного влияния на перенос металла у электродов с рутиловым и кислым покрытиями. 
 
Формирование и кристаллизация сварочной ванны. В сварочной ванне расплавленные основной и, если используют, дополнительный металлы перемешиваются. По мере перемещения источника теплоты вслед за ним перемещается и сварочная ванна. В результате потерь теплоты на излучение, теплоотвод в изделие в хвостовой части ванны происходит понижение температуры расплавленного металла, который, затвердевая, образует сварной шов. 
Образование и строение зоны термического влияния. Теплота, выделяемая при сварке, распространяется вследствие теплопроводности в основной металл. В каждой точке околошовной зоны температура вначале нарастает, достигая максимума, а затем снижается. Чем ближе точка расположения к границе сплавления, тем быстрее происходит нагрев металла в данном участке и тем выше максимальная температура, достигаемая в нем. Поэтому структура и свойства основного металла в различных участках сварного соединения различны. Зону основного металла, в которой под воздействием термического цикла при сварке произошли фазовые и структурные изменения, называют зоной термического влияния (ЗТВ). Характер этих превращений и протяженность зоны термического влияния зависят от состава и теплофизических свойств свариваемого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения .