Книга. Юрий Федорович ПодольскийСварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка
 Скачать 6.42 Mb.
|
|
Особенности физических процессов при дуговой сварке Дуговая сварка протекает при взаимодействии различных сил и внешних факторов. В отличие от горновой (кузнечной) и газовой сварки, здесь важное значение имеют элек- тромагнитные силы, которые следует знать и учитывать для того, чтобы соединение было выполнено качественно. Свойства сварочной дуги Для ручной дуговой сварки используют сварочную дугу прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием. Существуют также многоэлектродные дуги, которые применяют в промышленности и при высокотехнологических способах сварки. По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока переходят через нуль 100 раз в секунду, с той же частотой меняет свое положение и катодное пятно, являющееся источником свобод- ных электронов. Ионизация дугового промежутка в этом случае менее стабильна, а свароч- ная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока. Поэтому для этого вида дуги используют специальные электроды с соответствующим покрытием, которое стабили- зирует дугу при пропадании тока. 9 Во время применения постоянного тока различают сварку на прямой и обратной поляр- ности. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (он служит като- дом), а изделие – к положительному полюсу (оно служит анодом), т. е. ток идет от электрода 9 Напряжение холостого хода источника сварочного тока – напряжение на его зажимах при отсутствии дуги. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 21 к нагреваемому металлу. Во втором случае электрод (анод) подключают к положительному полюсу, а изделие (катод) – к отрицательному. Свободные электроны движутся от сваривае- мого металла через электрод, что ведет к сильному нагреву последнего. При одних и тех же параметрах источника сварочного тока температура на поверхности свариваемого металла при обратной полярности будет ниже, и этот эффект широко используют при сварке тонкой или высоколегированной стали. Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в при- электродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зави- сит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопро- тивление, а значит, тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300–2500 °C, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют элек- тростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металли- ческой капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т. д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, кото- рый может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис. 6). Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный – для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный – для сварки в среде аргона. Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давле- ние газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющейся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны, так называемым раз- брызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр. Рис. 6. Расплав и перенос электродного материала: а – метод короткого замыкания (I – короткое замыкание; II – образование прослойки из жидкого металла; III – образование шейки; IV – возникновение дуги и образование газового облака вокруг столба дуги); б – капельный метод; в – струйный метод Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 22 Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют и размеры свароч- ной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей. Магнитное дутье При прохождении электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создается магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги можно рассматривать как гибкий проводник электрического тока, подверженный воздействию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре. Нормальная дуга бывает при симметричном относительно нее подводе тока (рис. 7, а). В этом случае собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздей- ствие на столб дуги. При несимметричном относительно дуги подводе тока к изделию вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении. По внешним признакам это подобно смещению факела открытого пламени при силь- ных воздушных потоках. При этом затрудняется и сам процесс сварки, нарушается стабиль- ность горения дуги. Такое явление называют магнитным дутьем (рис. 7, б – в). Массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух. Поскольку магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по среде с меньшим сопротивлением, дуговой разряд, расположенный ближе к ферромаг- нитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 7, г). Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, размещением у места сварки компенсирующих ферромагнитных масс, заменой постоянного сварочного тока переменным или использова- нием инверторных источников питания. В качестве компенсирующих ферромагнитных масс на практике часто используют стальную плиту с присоединенным к ней токопроводом, которую укладывают на расстоянии 200–250 мм от места сварки. На столб сварочной дуги действует также несимметричное магнитное поле, которое образует ток, протекающий в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токоподводу. Отклонение дуги могут вызвать несимметричность обмазки электрода (рис. 7, д) и химическая неоднородность свариваемой стали (рис. 7, е). На величину отклонения дуги влияет также угол наклона электрода, поэтому для его уменьшения электрод наклоняют в сторону отклонения дуги, а также уменьшают длину дуги. Нередко при сварке наблюдается блуждание дуги – беспорядочное перемещение сва- рочной дуги по изделию, обусловливаемое влиянием загрязнения металла, потоков воздуха Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 23 и магнитных полей. Особенно часто это наблюдается при сварке угольным электродом. Блуждание дуги ухудшает процесс формирования шва, поэтому для его устранения иногда используют постоянное продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом, расположен- ным вокруг электрода. Рис. 7. Магнитное дутье: а – нормальное положение; б – отклонение влево; в – отклонение вправо; г – действие ферромагнитной массы (пунктиром показана компенсирующая масса); д – несимметрич- ность обмазки («козыряние» электрода); е – химическая неоднородность свариваемой стали Образование сварочной ванны Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла P m , давления сварочной дуги Р d и сил поверхностного натяжения Р n представлен на рис. 8. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 24 Рис. 8. Силы, действующие в сварочной ванне и формирование шва: а – нижнее положение; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное; V св – направление сварки; 1 – подрез; 2 – наплыв Распределение этих сил во многом зависит от расположения сварочного шва в про- странстве. При нижнем расположении шва и при сквозном проплавлении жидкий металл удерживается в ванне силами поверхностного натяжения, которые уравновешивают силу тяжести Р m и давление, оказываемое на ванну источником теплоты Р d , т. е.Р n = Р m +Р d . Если Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 25 это равновесие сил нарушается, то может произойти разрыв поверхностного слоя и металл вытечет из ванны, образуя прожог. В реальных условиях, когда сварочная ванна перемещается вдоль шва, могут возни- кать дополнительные силы гидродинамического характера, перемещающие расплавленный металл в хвостовую часть ванны. Для того чтобы уравновесить все эти силы, удерживающие жидкий металл в объеме ванны, приходится принимать дополнительные меры: сварку на подкладках или других удерживающих приспособлениях. Особенно велико значение таких мер при вертикальном и потолочном расположении шва. Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям – снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, т. е. сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения, а при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги. Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. При непра- вильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию (с образованием подрезов и наплывов), что в конечном итоге снижает прочность сварки. При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги. Источники питания сварочной дуги Источники тока для электросварки разделяются на две большие группы по виду полу- чаемого от них тока: источники переменного тока и источники постоянного тока. К первым относятся сварочные трансформаторы и резонансные источники сварочного тока. Ко вторым – сварочные выпрямители и сварочные генераторы. Важнейшие свойства как сварочной дуги, так и источников сварочного тока описывают их вольтамперные характеристики (далее – ВАХ), которые показывают зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги и могут быть падающими, жесткими и возрастающими (рис. 9, а). ВАХ имеет три области. Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда ее источник питания поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи. Первая область (I) характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с уве- личением тока сварки Iсв. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электро- проводности столба дуги. Во второй области (II) характеристики увеличения тока сварки не вызывают измене- ния напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Ее положе- ние на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катод- ного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 26 В третьей области (III) с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плот- ность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается. Рис. 9. Вольтамперные характеристики процесса дуговой сварки: а – статическая характеристика сварочной дуги (I – участок падающей характеристики; II – участок жесткой характеристики; III – участок возрастающей характеристики; 1, 2, 3 – участки характеристики при различных способах сварки); б – падающая; в – жесткая; г – возрастающая ВАХ источников питания сварочной дуги; д – совмещенные ВАХ источника питания и сварочной дуги (ВАХ ип – ВАХ источника питания; ВАХ д – ВАХ дуги; U xх – напря- жение холостого хода; І кз – ток короткого замыкания) Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольтамперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими. Для стабильного горения дуги необходимо равенство между напряжениями и токами дуги (U д I д ) и источника питания (U ип I ип ). Участки 1, 2, 3 характеристики на рис. 9, а соот- ветствуют статическим характеристикам источников питания (рис. 9, б – г), применяемых при различных способах сварки: – 1 (падающая) – ручная дуговая сварка штучными электродами; – 2 (жесткая) – автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, электрошла- ковая сварка толстой электродной проволокой диаметром более 2,5 мм на малых и средних плотностях тока; – 3 (возрастающая) – сварка под флюсом и в среде защитных газов тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока. Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической ВАХ сварочной дуги на статическую ВАХ источника питания (называемую также внешней харак- теристикой источника питания). При этом напряжение и ток источника питания и дуги сов- Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 27 падают в двух точках 1 и 2 (рис. 9, д). Устойчивому горению сварочной дуги соответствует только точка 1. При уменьшении тока дуги напряжение источника станет больше напряжения на дуге, так как на характеристике источника питания рабочая точка сместится влево, избыток напря- жения источника питания приведет к увеличению тока дуги, т. е. к возврату процесса в точку 1. Если ток дуги увеличится, то напряжение источника снизится согласно внешней харак- теристике источника питания и станет меньше напряжения дуги, ток дуги уменьшится, режим дуги восстановится. Точка 2 соответствует неустойчивому горению дуги, так как случайное изменение тока дуги происходит вплоть до обрыва дуги или до тех пор, пока ток не достигнет значения, соответствующего значению тока в точке 1 устойчивого горения дуги. Поэтому устойчивое горение дуги поддерживается только в той точке пересечения характеристик источника и дуги, где внешняя характеристика источника питания является более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги. Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эла- стичности при удлинении, т. е. не обрываться. Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жест- кой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней харак- теристики источника питания. При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для руч- ной электросварки применяют источники питания с падающими внешними характеристи- ками. Это дает сварщику возможность удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока. Высокую устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги обеспечивают также повышенное напряжение холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания. Ограничение этого тока очень важно, так как при переходе капли расплавленного металла электрода на изделие возможно короткое замыкание. При больших значениях тока короткого замыкания происхо- дят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгива- ние расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2–1,5 раза. Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток 10 , пределы регулирова- ния сварочного тока. В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависи- мости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги – характера пере- носа электродного металла в сварочную ванну. При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периоди- чески изменяя силу тока и длину дуги. Происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого 10 Номинальный сварочный ток – допустимый по условиям нагрева источника питания ток при номинальном напря- жении на дуге. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 28 замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется. Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге. Особенности физических процессов при газовой сварке Основным инструментом газосварщика является сварочное пламя. Оно образуется при сгорании горючего газа в кислороде. От соотношения объемов кислорода и горючего газа в их смеси зависят внешний вид, температура и характер влияния сварочного пламени на расплавленный металл. Рассмотрим строение пламени (рис. 10). Сварочное пламя имеет три четко различимые области: ядро, восстановительную зону и факел. Ядро пламени представляет собой ярко светящуюся зону, в наружном слое которой сгорают раскаленные частицы углерода, образующиеся при разложении ацетилена. Восстановительная зона, более темная, состоит из оксида углерода и водорода, кото- рые раскисляют расплавленный металл, отбирая кислород от его оксидов. Факел – периферийная часть пламени – представляет собой зону полного сгорания углеводородов в кислороде окружающей среды. В зависимости от соотношения объемов кислорода и ацетилена получают три основ- ных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее. Рис. 10. Строение и виды ацетиленового сварочного пламени, распределение темпера- туры по длине факела: а – нормальное; б – окислительное; в – науглероживающее; 1 – ядро; 2 – восстанови- тельная зона; 3 – факел |