Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

ду вершинами микронеровностей электрода и заготовки протекает ток корот-

кого замыкания. Этот ток разогревает их до расплавления, с образование лег-

ко ионизирующихся паров металла и компонентов покрытия электрода. По-

сле отвода электрода от заготовки с поверхности электрода (катода) проис-

ходит отрыв электронов обладающих кинетической энергией, достаточной для перехода границы «твердое тело - газ» (термоэлектронная эмиссия).

Электроны устремляются к заготовке (аноду) со скоростью до 2 км/с. Этой скорости достаточно, чтобы при столкновении с нейтральными атомами про-

извести их ионизацию. Процесс ионизации приобретает, лавинообразны ха-

рактер, поток заряженных частиц ориентируется электрическим полем, что обеспечивает возбуждение и стабильное горение дуги.

На поверхности торца электрода – катода 5 (рис. 5.3), имеющего отри-

цательную полярность, имеется локализованное наиболее нагретое активное катодное пятно 4, которое проводит весь ток дуги.

Рис. 5.3. Участки электрической дуги:

1 – анод; 2- анодное пятно; 3 – ду-

га; 4 – катодное пятно; 5 – катод; Iс

- сварочный ток; Lд – длина дуги; Lа

- анодная область; Lс – столб дуги;

Lк – катодная область; Uд – падение напряжения в дуге; Uа, Uк, Uс - па-

дение напряжения в анодной, ка-

тодной областях и в столбе дуги.

На длине дуги Lд можно выделить три характерных участка. Катодную область Lк, протяженностью 1 мкм; анодную область Lа, протяженностью

1…10 мкм и среднюю часть дуги Lс, называемую столбом дуги. Вследствие того, что (Lк и Lа) Lс можно допустить, что Lк Lа. напряженность элек-

трического поля по длине дуги неравномерна. Напряжение дуги складывается из трех составляющих: Uд = Uк+Uа)+Uс = (Uк+Uа)+EсLд = α+βLд, где: Uк, Uа,

142

рактеристикой источника тока понимается зависимость напряжения на его внешних клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики источника тока могут быть следующих видов: возрастающая (сварка в среде защитных газов на постоянном токе), жесткая, – полого падающая (применя-

ется для автоматической сварки под слоем флюса с автоматическим регули-

рованием напряжения дуги), круто падающая (применяется для ручной дуго-

вой сварки и автоматической сварки под слоем флюса, сварки в защитных га-

зах с неплавящимся электродом).

Источник сварочного тока необходимо подбирать по соответствию его характеристики принятому способу сварки. Для питания дуги на участке 2

(рис. 5.4), применяют источники с круто падающей характеристикой. Рас-

смотрим работу источника тока с круто и пологопадающей характеристика-

ми 5 и 4 (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Внешние вольт – амперные характеристики источника тока (ИТ):

1, 2 – внутренние вольт – ам-

перные характеристики дуги

1(длина дуги L1) и дуги 2 (длина дуги L1); 3 – жесткая характеристика ИТ; 4 - поло-

го падающая характеристика ИТ; 5 – идеальная характери-

стика ИТ; 6 – круто падаю-

щая характеристика ИТ; 7 – возрастающая характеристика ИТ; U – напряже-

ние; I – ток; Uхх – напряжение холостого хода; A, B1, B2, C1, C2 – точки зажи-

гания дуги 1 или 2; D1, D2, C1, C2 – точки начала устойчивого горения дуги 1

или 2; Uзд4, Uзд6, Uзд8 – напряжение зажигания дуги для характеристик 4, 6, 8,

соответственно; Uд1, Uд2- напряжение дуги 1 и 2; Iсв4, Iсв6 – сварочный ток для характеристик 4 и 6 соответственно; Iк – ток короткого замыкания.

144

Устойчивое горение дуги при сварке возможно при условии пересече-

ния статических характеристик 1или 2 дуги с внешней характеристикой ис-

точника тока в рабочей точке (точки D или E). Во время горения дуги и пере-

носа электродного металла на заготовки длина дуги Lд изменяется. Вольт – амперная характеристика так же изменяет свое положение дуги (кривая 1 или

2). Вследствие этого изменяются значения напряжения дуги (Uд) и сварочно-

го тока (Jсв). Устойчивое горение дуги будет тогда, когда при случайных от-

клонениях длины дуги режим сварки быстро восстановится, и колебания сва-

рочного тока будут относительно малыми. Поэтому, чем более круто падает внешняя характеристика источника тока, тем стабильнее горит дуга и выше качество сварки. Режим холостого хода (Uхх) – период времени, когда сва-

рочная цепь разомкнута. Для облегчения зажигания дуги, режим холостого хода должен характеризоваться повышенным напряжением (в 2…3 раза вы-

ше напряжения дуги).

Одновременно, это напряжение должно быть безопасным для сварщика

(не более 80 в для источников переменного тока и не боле 90 в – для посто-

янного). Источник сварочного тока должен иметь характеристику, ограничи-

вающую ток короткого замыкания (Iкз), чтобы не допускать перегрева токо-

проводящих проводов. Отношение тока короткого зажигания к сварочному току должно находиться в интервале 1,1…1,5. Напряжение зажигания дуги

(Uзд) должно быть как можно меньше, что обеспечит безопасное и быстрое зажигание. Наилучшим образом этому условию отвечает источник тока с идеальной характеристикой 5 (рис. 5.5).

Для питания дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Сварочные генераторы применяются при отсутствии внешних источников переменного тока или при необходимости применения постоян-

ного тока. Сварочные трансформаторы более распространены, так как они проще в эксплуатации, долговечнее; имеют высокий к.п.д. Однако для рабо-

ты трансформатора необходима линия электропередачи.

145

стержнем 8 электрода и металлом заготовок 9. Температура дуги 6 000 … 7000ºС.

Рис. 5.7. Схема процесса ручной дуговой сварки:

1 – сварной шов; 2 - шлаковая корка; 3 -

шлаковая ванна; 4 – защитная газовая атмо-

сфера; 5 - электроны; 6 - дуга; 7 – покрытие электрода (обмазка); 8 – электродная прово-

лока (стержень); 9 – заготовки; 10 - капли расплавленного металла электрода; 11- ван-

на жидкого металла.

В соответствии с полярностью, показано прямое включение, т.е. на-

правление движения электронов 5 совпадает с направлением стекания капель металла 10. Температура катода (электрода) и анода составляет соответст-

венно 2 400оС и 2 600оС. Вместе со стержнем плавится и покрытие 7 элек-

трода, образуя, защитную газовую атмосферу 4 вокруг дуги и жидкую шла-

ковую ванну 3 на поверхности жидкого металла 11. Шлаковая ванна и ванна жидкого металла образуют сварочную ванну. По мере продвижения дуги,

сварочная ванна затвердевает, образуя, сварной шов 1 и твердую шлаковую корку 2.

Для сварки сталей применяют холоднотянутую, гладкую стальную проволоку диаметром 1,6…6,0 мм с уменьшенным содержанием серы и фос-

фора. В обозначении марки стали добавляют «Св» - сварочная (содержание серы или фосфора не более 0,04%).

Электродное покрытие (обмазка) включает в себя ряд компонентов и обеспечивает:

Стабильное горение дуги за счет присутствия соединений щелочных и щелочноземельных металлов с низким потенциалом ионизации (калий, на-

трий, кальций). Электроды для сварки постоянным током этого компонента не имеют, поэтому они не применимы для сварки переменным током.

147

электродов диаметром до трех мм: Iсв=kdэ; для электродов диаметром 3…6

мм: Iсв=(20+6dэ) dэ, где: k – эмпирический коэффициент, в А/мм (для сварки низкоуглеродистых сталей k = 35…60); dэ – диаметр электрода в мм. Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемых заготовок.

Напряжение дуги изменяется в пределах 16…30 В.

Дуговая сварка под флюсом (ДСФ) – дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса. ДСФ характеризуется применением не покры-

тых электродов (сварочной проволоки) 10 (рис. 5.8, а), а место горения Рис. 5.8 – Дуговая сварка

под слоем флюса:

а – схема сварки; б – сва-

рочный автомат (трак-

тор); 1 – сварной шов; 2 –

ванна расплавленного металла; 3 – дуга; 4 - воз-

душная газовая полость;

5 – заготовки; 6 – рас-

плавленный шлак; 7 –

бункер; 8 – токопровод (контактный мундштук); 9 - роликовый механизм по-

дачи; 10 – сварочная проволока (электрод); 11 – кассета; 12 - слой флюса; 13 -

шлаковая корка; 14 – источник питания; 15 – пульт управления; 16 – привод-

ное колесо.

дуги закрыто порошкообразным флюсом 12 (толщиной 30…50 мм). Флюс расплавляется теплом дуги и образует, шлаковую корку 13. Сварочная про-

волока подается в зону сварки роликовым механизмом подачи 9. При горе-

нии дуги 12 между заготовками 5 и электродом 10, образуется ванна рас-

плавленного металла 2 закрытая сверху расплавленным шлаком 6 и слоем нерасплавленного флюса 12. Пары и газы, получаемые в зоне сварки, обра-

зуют воздушную газовую полость 4, и оттесняют жидкий металл, в сторону,

149

противоположную направлению сварки. У основания дуги остается тонкий слой жидкого металла, обеспечивающий глубокий провар основного металла.

Основные преимущества ДСФ по сравнению РДС состоят в: повыше-

нии производительности процесса сварки в 5…20 раз; повышении качества

(и стабильности качества) шва; уменьшении себестоимости производства од-

ного погонного метра шва. Повышение производительности происходит за счет использования больших сварочных токов (до 2 000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение не покрытого электрода позволяет приблизить токопровод (контактный мундштук) на расстояние 30…50 мм от дуги, что устраняет опасный разогрев электрода на больших токах. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавлен-

ного металла (не более 2…5%), и позволяет более полно использовать тепло-

вую мощность дуги (КПД составляет 0,9…0,95%, коэффициент наплавки со-

ставляет 18…20 г/А час). Увеличение тока позволяет сваривать металл тол-

щиной до 20 мм за один проход без разделки кромок. Так как температура плавления шлака несколько ниже, чем основного металла, то шов застывает медленно, что обеспечивает выход на поверхность неметаллических и газо-

вых включений и высокое качество сварного шва. Повышение качества свар-

ного шва обеспечивается так же получением более высоких механических свойств наплавленного металла вследствие: надежной защиты зоны сварки и сварного шва слоем флюса; интенсивного раскисления и легирования вслед-

ствие большого объема жидкого шлака; сравнительно медленной кристалли-

зации расплавленного метала в сварочной ванне, что обеспечивает выход на поверхность сварного шва не металлических включений и газов; сравнитель-

но медленного охлаждения сварного шва под флюсом и твердой шлаковой коркой; улучшение формы и поверхности сварного шва и постоянства его размера по всей длине.

К недостаткам ДСФ можно отнести: ограниченную маневренность сва-

рочных автоматов; возможность сварки труднодоступных мест или криволи-

150