Термическая сварка

Введение

Одним из способов получения неразъемного соединения, а часто и единственно возможным, является сварка.

Сварка позволяет получить заготовки максимально приближенные к формам и размерам готовых конструкций, создать принципиально новые конструкции машин.

Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы любой толщины, в любых пространственных положениях на земле, в воде, в космосе. Прочность же сварного соединения в большинстве случаев не уступает прочности целого металла.

Более половины валового внутреннего продукта промышленно развитых стран создается с применением сварки и родственных технологий. До 70% мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений.

Соединения, получаемые сваркой, характеризуются высокими механическими свойствами, небольшим расходом металла, низкой трудоемкостью и невысокой себестоимостью.

Неразъемное соединение при сварке получается за счет возникновения атомо-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых элементов при получении энергии извне (при нагреве и (или) пластической деформации).

Препятствиями против самопроизвольного образования неразъемных соединений между металлическими заготовками являются:

оксидные пленки;

адгезионные пленки (образуются за счет оседания на поверхности металла водяных, масляных и пылевых частиц);

неровности на поверхности заготовок.

Для получения сварного соединения используют энергию активации (энергию извне), поэтому все существующие разновидности сварки можно отнести к трем основным группам:

сварка давлением (сварка в твердом состоянии);

сварка плавлением (сварка в жидком состоянии) сварка и плавлением и давлением (сварка в жидко-твердом состоянии).

Основным признаком сварки давлением является пластическая деформация металла в зоне контакта соединяемых деталей, необходимая для принудительного образования межатомных связей.

Сущность сварки плавлением металла состоит в том, что от нагрева посторонним источником тепла происходит расплавление кромок деталей и образование общего объема жидкого металла, который называется сварочной ванной. Процесс образования сварочной ванны сопровождается разрушением окисной пленки на кромках деталей. По мере удаления источника нагрева в сварочной ванне начинается процесс кристаллизации металла, то есть образования сварочного шва.

Рис.1

В околошовной зоне нагрев до высоких температур плавления и охлаждение металла происходит кратковременно и неравномерно. Такая своеобразная термообработка при сварке вызывает различные структурные изменения металла, а значит и свойств металла в околошовной зоне, что влияет на качество сварного соединения.

Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается образованием зёрен (кристаллов) из расплава, а сам процесс называют кристаллизацией. Чем быстрее охлаждение сварочной ванны, тем тоньше кристаллический слой и меньше размер зёрен (кристаллов)

Ближе к центру металл шва имеет крупное столбчатое строение кристаллов.

В зоне сплавления более мелкие кристаллы.

В зоне термического влияния характерно увеличение кристаллов от мелкозернистой структуры до крупнозернистой и слияние с зернами основного металла.

Рис. 2.Схема изменения структур околошовной зоны

Размеры околошовной зоны зависят от вида сварки, режима, скорости проведения, химического состава свариваемого металла и его физических свойств.

1. Физико-химические процессы при сварке Процесс сварки плавлением — это комплекс нескольких одновременно протекающих процессов, основными из которых являются:

тепловое воздействие на металл в околошовной зоне;

плавление;

металлургические процессы;

кристаллизация металла шва и взаимная кристаллизация металлов в зоне сплавления.

При электродуговой сварке для нагрева и плавления металла используется теплота, выделяемая в сварочной дуге и на электродах.

Сварочной дугой называется мощный устойчивый электрический разряд, происходящий в ионизированном газовом промежутке между электродом и изделием.

Строение дуги:

катодная зона 5 (рис. 3в)(равна нескольким длинам свободного пробега нейтральных атомов ~ 0,001 мм, достигаемая температура в зоне 24 000С);

столб дуги 6 (рис. 3 в) (равен от 2 до 10 мм, достигаемая температура в столбе 60 000С);

анодная зона 7 (рис.3в) (равна длине свободного пробега электрона ~0,01 мм, достигаемая температура в зоне 30 000С).

Рис. 3. Схема процесса зажигания дуги

В обычных условиях атомы газов электрически нейтральны, в момент же короткого замыкания (рис. 3 а) по цепи протекает ток, который нагревает торец электрода 1 и металл изделия 2. Процесс сопровождается образованием легко ионизирующихся паров металла и компонентов покрытия электрода.

После отвода электрода от места контакта (рис 3 б), с поверхности разогретого катода 1 происходит отрыв электронов 3 (явление называется термоэлектронной эмиссией). Под действием электрического поля (разности потенциалов, создаваемой источником питания между электродом 1 и изделием 2) электроны устремляются к изделию. Далее в столбе дуги электроны сталкиваются с нейтральными частицами и ионизируют их 4 (рис 3 б). При этом получается три заряженные частицы, движущиеся в электрическом поле.

Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер (рис 4)

Рис 4. Процесс ионизации дугового промежутка Далее электроны продолжают движение по столбу дуги, который в целом нейтрален (в каждом его сечении одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположного знака). Столб дуги представляет собой смесь электронов, положительных ионов, отрицательных ионов, нейтральных частиц.

Проходя в анодную зону 7 (рис 3 в), где почти отсутствует ионизация, электроны резко увеличивают скорость своего движения (к примеру: зжелеза V=1680 км/сек, зкалия V=1254 км/сек, зазота V=2280 км/сек) и, попадая на анодное пятно, тормозятся. При этом выделяется вся приобретенная ими кинетическая энергия, и температура анода становится близкой к температуре плавления металла.

Если перевести эти физико-химические процессы на язык электропараметров, которые и используются в практической работе, то получится вольт-амперная характеристика дуги (график зависимости между напряжением и силой тока) Рис. 5. График статической вольт-амперной характеристики электрической дуги можно разделить на три участка: падающая статическая характеристика; IIжесткая; III — возрастающая При горении сварочной дуги 2 (рис 6) происходит образование капель на конце электрода 1, их отрыв от электрода и перенос в дуге на изделие 3 в сварочную ванну.

Рис. 6. Схема переноса капель через дугу Это вызвано следующими факторами:

электромагнитными силами, возникающими при протекании электротока по дуге. Оказывают сжимающее действие на каплю металла образующуюся на конце электрода, что способствует отрыву капли от электрода и переходу её на свариваемое изделие; силой тяжести.

Рис. 7. Сжимающее действие силовых магнитных линий на конец электрода Проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз (рис.6);

силой поверхностного натяжения жидкого металла. Обусловлена действием межмолекулярного притяжения, стремится придать капле форму шара, и способствует слиянию капли с жидким металлом сварочной ванны;

неравномерной напряженностью электрического поля. Создает продольную силу, которая направлена от высокой напряженности к низкой, т. е. от электрода к сварочной ванне и содействует переносу капли от электрода к изделию;

давлением образующихся газов внутри капли. Возникает в результате металлургических процессов в расплавленном металле капли, сопровождающихся образованием газообразной окиси углерода, объем которой во много раз превышает объем расплавленного металла, вследствие чего мгновенно выделяющийся газ способствует отрыву, дроблению и переходу капли в сварочную ванну.

Величина поверхности капель при электродуговой сварке оказывает существенное влияние на характер металлургических процессов, а значит и на качество сварного соединения, так как в процессе перехода капель через дуговой промежуток протекают химические реакции между металлом, расплавленным металлом электрода и электродного покрытия (шлака) и газами среды окружающей дугу. Установлено, что чем меньше размер капель, тем меньше время их нахождения на торце электрода, благодаря чему металл капли меньше нагревается, а скорость плавления электрода увеличивается. Мелкокапельный перенос металла улучшает стабильность горения дуги, поэтому часто применяют:

вибрации электрода с целью изменения капель;

повышение сварочного тока при том же диаметре сварочной проволоки.

2. Технология получения качественного сварного соединения Итак, при сварке происходят следующие процессы:

нагрев до высоких температур и охлаждение металла кратковременно и неравномерно;

структурные изменения основного металла;

образование различной структуры основного металла и металла шва;

получение химического состава металла шва отличающегося от основного металла.

Поэтому при составлении технологии получения качественного сварного соединения необходимо учитывать:

использование плавящихся электродов с необходимым набором химических элементов;

проведение тщательной обработки кромок изделий от ржавчины, окалины и прочих загрязнений, являющихся источником дополнительных химических элементов, которые могут вступить в химические реакции при сварке;

проведение предварительного и сопутствующего нагрева деталей с целью удаления лишних химических элементов;

учитывать род тока и полярность в режимах сварки;

использовать защитную среду для сварочной дуги.

Для выполнения сварочных работ необходимо организовать рабочее место сварщика (сварочный пост) (рис.8)

Рис. 8.

1 Сеть электропитания; 2. Рубильник; 3. Источник питания дуги (источник тока); 4. Сварочные провода; 5. Электродержатель или сварочная горелка; 6. Сборочно-сварочные приспособления; 7. Спецодежда для сварщика.

Для возбуждения и стабильного горения дуги используют различные источники тока:

сварочные трансформаторы — источники переменного тока;

сварочные генераторы и выпрямители — источники постоянного тока.

К источникам тока для ручной дуговой сварки предъявляются следующие требования:

Напряжение холостого хода должно быть в 2−3 раза выше напряжения дуги для облегчения зажигания дуги. В то же время оно должно быть безопасным для сварщика и не превышать 80 В для источников питания переменного тока и 90 В — постоянного тока.

Ограничение тока короткого замыкания. Отношение тока короткого замыкания к сварочному току находится в интервале 1,1? 1,5.

Сохранение постоянной проплавляющей способности дуги (т.е. колебания длины и напряжения дуги не должны приводить к значительным изменениям сварочного тока).

Время восстановления напряжения от короткого замыкания до зажигания дуги должно быть коротким (сотые доли секунды).

В связи с указанными требованиями в источниках тока для ручной дуговой сварки применяется крутопадающая характеристика.

Рис. 9. Пересечение крутопадающей характеристики источника с вольт-амперными характеристиками дуг длиной L1, L2 и L3

Устойчивое горение дуги при сварке возможно при условии пересечения статической характеристики дуги с внешней характеристикой источника тока в рабочей точке (например в точке А) (рис.8), с тем чтобы напряжение дуги равнялось напряжению источника питания. Во время горения дуги и переноса электродного металла на за готовку длина дуги L изменяется, вольт-амперная характеристика дуги меняет свое положение в интервале от В до С, вследствие чего происходит изменение значений напряжения и сварочного тока. Устойчивое горение дуги будет тогда, когда при случайном отклонении от рабочего режима (точки А) режим сварки быстро восстановится. Например, при уменьшении дуги до L3 (точка С) ток возрастает до I3, электрод быстро оплавится из-за увеличения тока и восстановится рабочая длина дуги L1.

При дуговой сварке чаще всего применяют сварочные трансформаторы, так как они проще в эксплуатации, долговечнее и обладают более высоким К.П. Д. На рис10а., приведена схема сварочного трансформатора СТЭ, состоящего из двух отдельных частей: понижающего сварочного трансформатора (1) и дросселя (2). Первичная обмотка (7) трансформатора включается в сеть; один конец его вторичной обмотки (8) подключается к сварочному столу (6) или к свариваемой детали, второй конец к обмотке (9) дросселя (2), а она, в свою очередь, подключается к электрододержателю (4). Трансформатор (1) снижает напряжение сети до 60 — 70 В, а дроссель (2) служит для получения падающей характеристики и регулирования величины сварочного тока. При прохождении переменного тока через обмотку дросселя в ней возникает ЭДС самоиндукции, направленная противоположно основному напряжению. В результате падения напряжения на дросселе сварочный трансформатор получает падающую внешнюю характеристику. Сердечник дросселя имеет подвижную часть, которая при вращении рукоятки (3) перемещается, изменяя величину регулируемого воздушного зазора? др. Увеличение зазора уменьшает индуктивное сопротивление дросселя, тем самым, увеличивая значение сварочного тока.

Рис. 10 а) схема сварочного трансформатора СТЭ Более совершенной является конструкция сварочного трансформатора ТД (рис. 10 б.). Первичная обмотка 7, состоящая из двух катушек, расположена на двух стержнях общего сердечника 1. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника. Вторичная обмотка 8, также состоящая из двух катушек, расположена на расстоянии от первичной. Вторичная обмотка — подвижная и может перемещаться по сердечнику с помощью винта 3, находящегося на крышке трансформатора. Сварочный ток регулирует изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками.

Рис. 10 б) схема сварочного трансформатора ТД При сближении вторичной и первичной обмоток магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление уменьшаются, сварочный ток возрастает. При удалении вторичной обмотки от первичной магнитный поток рассеяния растет (индуктивное сопротивление увеличивается) и сварочный ток уменьшается. Для того, чтобы обеспечить широкие пределы регулирования величин сварочного тока, в трансформаторах предусмотрена возможность переключения обмоток с параллельного (получаются максимальные токи) на последовательное соединение (минимальные токи), чем создаются две ступени (два диапазона) регулирования тока.

Но постоянный ток предпочтительнее в технологическом отношении: — при его применении повышается устойчивость дуги, улучшаются условия сварки, качество сварных соединений и т. д., поэтому используют другие конструкции источников тока, а именно — сварочные генераторы и выпрямители.

Рис. 11. Виды ручной дуговой сварки Схема сварки металлическим покрытым электродом Рис. 12. 1. сварочный шов, 2. шлаковая корка; 3. защитная газовая атмосфера; 4. электродное покрытие (обмазка); 5. электродный стержень; 6. электрическая дуга; 7. капли электродного металла; 8. сварочная ванна; 9. основной металл (заготовка).

сварка дуга трансформатор электрод

3. Электроды для ручной дуговой сварки Электродом для дуговой сварки называют стержень, предназначенный для подвода тока к сварочной дуге. Для ручной дуговой сварки применяют электроды, состоящие из металлического стержня и нанесенного на него специального покрытия рис 12.

Стержни сварочных электродов изготавливаются из стали, алюминиевых сплавов, меди и сплавов на основе меди, чугуна и используются для изготовления электродов для сварки соответствующих металлов и сплавов.

Стержень электрода для сварки стальных изделий изготавливают из сварочной проволоки из сталей с пониженным содержанием вредных примесей (фосфора, серы и др.).