Шаблоны LeoTheme для Joomla.
GavickPro Joomla шаблоны

ДУГОВАЯ СВАРКА

 

ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМУ ВАННЫ И РАЗМЕРЫ ШВОВ

   
К основным параметрам дуговой сварки относятся сила тока дуги Iдуги, напряжение дуги Uдуги и скорость сварки vсв. Полная  мощность  сварочной дуги Q определяется по формуле
:

Q = IдугиUдуги
 

   
    Тепловложение на единицу длины шва определяется погонной энергией (qoηи/Vсв) и условиями сварки оказывающими влияние  на ηи. Величина ηи в зависимости от условий сварки может меняться от 0,3 до 0,95.
   nbsp; Сила тока дуги в наибольшей степени определяет тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с уве­личением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура плазмы столба дуги, стабилизируется положение активных пятен на электроде и изделии. С увеличением силы тока дуги возрастает длина сва­рочной ванны, ее ширина и глубина проплавления. Особенно интенсивно растет глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточенности энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на ванну, которое пропорционально квадрату силы свароч­ного тока. В определенных пределах изменения силы тока глу­бина проплавления ванны приближенно может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

H = k·Iдуги


где  k- коэффициент,   зависящий   от   рода   тока,   полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.

    С увеличением напряжения дуги также возрастает тепловая мощность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Особенно интенсивно возрастают ширина и длина ванны. Ширина ванны связана с напряжением практически прямой зависимостью

E = k·Iдуги·Uдуги / vсв·s


где s - толщина свариваемого металла.

    При постоянной силе сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления ванны. По-видимому, это обусловлено некоторым снижением эффектив­ного к. п. д. дуги и большими возможностями для блуждания активного пятна по поверхности сварочной ванны.

Рис. 1. Схема сварки погруженной дугой.

     
    Путем   медленного   уменьшения длины дуги   и, соответственно,   напряжения    дуги    можно перейти к
сварке погруженной дугой (Рис.1).
    При постоянной погонной энер­гии повышение скорости сварки вызывает увеличение термичес­кого к. п. д. процесса, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию глубины проплавления и уменьшению ширины шва. Изменение скорос­ти сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно ска­зывается на размерах сварочной ванны и шва. Это можно видеть из уравнений для определения ширины е и длины Lсварочной ванны:

L = k (UдугиIдуги)2 / (vсвs2).

   
    При постоянной силе сварочного тока диаметр элек­трода определяет плотность энергии в пятне нагрева и по­движность дуги. В связи с этим при увеличении диаметра элек­трода уменьшается давление дуги на расплав, снижается глубина проплавления ванны и возрастает ее ширина.

    Дополнительные параметры связаны с условиями ведения процесса сварки и особенностями горения дуги. Так, при одной и той же погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать колебания электрода и др. Эти особенности процесса также сказываются на формировании ванны и конечных размерах швов.
    В зависимости от рода тока и полярности на изделии выделяется различное количество теплоты. Если теплоту, выде­ляющуюся на аноде Waи катоде Wкприближенно оценивать по эффективному   падению   напряжений,   то   получим   зависимости

Wа = Uа + (φ + 2kT),

Wк = Uк - (φ + 2kТ),


где U3 и UK- анодное и катодное падение напряжений;   φ, kT - потенциальная   и кинетическая энергия электронов.

Рис. 2   Характер горения дуги и фор­ма сварочной ванны:
а - на прямой полярности;
б - на обратной полярности

    На катоде не вся энергия (UK) переходит в теплоту. Часть ее (φ + 2kT) уносится в плазму столба дуги. На аноде выделяется энергия Uаи прибавляется потенциальная и термическая энергия электронов. Количество теплоты, выделенное на катоде, зависит от потенциала ионизации дугового газа. Поэтому разница в тепло­выделении на катоде и аноде определяется способом дуговой сварки. В реальных условиях при сварке на прямой полярности (анод на изделии)  глубина  проплавления   оказывается меньше,  чем при сварке на обратной по­лярности {катод на изделии).Это легко объясняется формой стол­ба дуги (рис.2) Анодное пятно занимает большую площадь по сравнению с катодным. Поэтому ширина ванны и шва при сварке на прямой полярности возрас­тает.   
    При выборе рода тока необ­ходимо учитывать влияние маг­нитного поля дуги на ее откло­нение (магнитное дутье). На­личие вблизи дуги ферромаг­нитных масс или посторонних магнитных полей усиливает это явление. Формирование свароч­ной ванны и шва при действии магнитного поля меняется. Наблюдается вытеснение расплавленного металла из сварочной ванны, снижение глубины проплавления и т. п.
   
    Меры борьбы с отклонением дуги собственным магнитным полем заключаются в правильном токоподводе, устранении ферро­магнитных масс вблизи дуги, ориентировании угла наклона электрода по направлению отклонения столба дуги. Полное устра­нение магнитного дутья достигается при питании дуги перемен­ным током.
    Изменяя угол наклона электрода в плоскости продоль­ной оси шва, можно существенно влиять на размеры сварочной ванны и шва (рис. 3). При а < 90° сварку выполняют углом вперед. Давление дуги вытесняет расплавленный металл в голов­ную часть ванны. При этом глубина проплавления основного металла снижается. При а > 90° сварку выполняют углом назад. Давление дуги способствует интенсивному вытеснению распла­вленного металла из головной части ванны в хвостовую. Глубина проплавления возрастает.

Рис. З. Влияние угла наклона электрода α на формирование сварочной ванны и шва при сварке:
а - вертикальным электродом; б - углом вперед; в - углом назад.


    Аналогичные результаты могут быть получены отклонением столба дуги магнитным полем при вертикальном расположении электрода (рис. 4.).

Рис. 4. Отклонение дуги магнитным полем при сварке:
а - углом   вперед;   б - углом   назад;  
И - направление     магнитного потока;  α - угол наклона   дуги


    При поперечных колебаниях электрода возрастает ширина шва и снижается глубина проплавления. Изменяются условия кристаллизации и тепловой цикл в зоне термического влияния. Колебания электрода в процессе сварки обычно осу­ществляются с частотой 10-60 Гц и амплитудой 2-4 мм. Для этих целей используют различные по конструкции и принципу действия устройства.

    На практике часто используют сварку двумя одновременно горящими дугами с общим и раздельным плавильным про­странством; расщепленным электродом (двумя или более) и, особенно, сварку трехфазной дугой (рис. 5.). Изменяя характер воздействия дуги, можно при той же мощности добиваться суще­ственного изменения глубины проплавления и ширины сварочной ванны. Так, например, сварка расщепленным электродом обеспе­чивает меньшую глубину проплавления при значительном уве­личении ширины шва по сравнению с одноэлектродной сваркой.

Рис. 5. Многодуговая сварка:
а - двумя дугами;  б - расщепленным электродом; в - трехфазной дугой



СВАРКА ПЛАВЯЩИМСЯ И НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ

    Скорость плавления электрода жестко связана со сварочным током. При сварке различных видов сварных соединений и типов швов требуется неодинаковая скорость плавле­ния электрода. В одних случаях она должна быть минимальной, в других, наоборот, максимальной.
    При сварке стыковых соединений без разделки кромок и без зазора расплавленный металл электрода образует выпуклость шва. По мере увеличения толщины свариваемых элементов для полного их проплавления необходимо увеличение силы тока дуги. Одновременно с этим увеличивается и количество расплавляюще­гося электрода металла. В результате образуются швы с чрез­мерно большой выпуклостью. Для получения швов с нормальной выпуклостью следует искать пути снижения скорости плавления электрода или прибегать к разделке кромок, сварке с увеличенным фиксированным зазором и другим приемам.

    При выполнении стыковых соединений с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов желательно увеличивать ско­рость плавления электрода, поскольку в этих случаях производи­тельность процесса в, значительной мере определяется количе­ством электродного металла, расплавляющегося в единицу вре­мени, необходимого для заполнения разделки или формирования угловых швов с заданным катетом.

    На практике в качестве характеристики используют среднюю скорость плавления электрода, определяющуюся количеством расплавленного металла:


Gp = αрIд

где:  αр - коэффициент расплавления  электрода,   г/(А. ч);   Iд - сила тока дуги, А.


    Количество наплавленного металла или средняя скорость наплавки


Gp = αнIд

где:  αн - коэффициент  наплавки,   г/(А. ч).


    Коэффициенты расплавления электрода и наплавки зависят от способа сварки и плотности тока на электроде. Для небольших плотностей тока при ручной дуговой сварке сталей их значение не превышает 7-10 г/(А. ч). С увеличением плотности тока значе­ние коэффициентов возрастает до 17 г/(А. ч) и более. Разница коэффициентов αр и αн определяется потерями электродного металла на разбрызгивание, испарение и т. п.:


Ψ= (αр-αн) 100/αр %,

где:  Ψ - коэффициент потерь, %


    Для различных способов дуговой сварки потери составляют 1-15 %. С увеличением сварочного тока потери на разбрызгива­ние во многих случаях возрастают.

    На формирование сварочной ванны и шва влияет характер переноса электродного металла при его плавлении. Перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну осуще­ствляется под действием электродинамических сил и газовых потоков, образующихся в столбе дуги.

    При сварке неплавящимся электродом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой про­межуток. Это в значительной мере облегчает условия горения дуги и обусловливает более высокую ее стабильность. Присадоч­ный металл по мере необходимости подается в головную часть сварочной ванны. В отличие от сварки плавящимся электродом скорость плавления присадочного металла не связана жесткой зависимостью со сварочным током. Количество присадочного металла, подаваемого в ванну, выбирают из условия обеспечения требуемой доли участия присадочного металла в образовании шва. При сварке стыковых соединений без разделки кромок присадочный металл необходим в основном для создания выпук­лости шва.

    Переход присадочного металла в сварочную ванну, минуя дуговой промежуток, исключает его разбрызгивание. Сокра­щаются потери на испарение и ограничивается взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой столба дуги.

    При сварке неплавящимся электродом создаются благоприят­ные условия для защиты ванны и формирования шва. Стойкость вольфрамового электрода в первую очередь определяется плот­ностью тока. Большое влияние оказывают род тока и полярность при постоянном его значении. На рис. 6а приведены зависимости стойкости вольфрамового электрода от условий горения дуги. Особенно мала стойкость вольфрамового электрода при сварке на постоянном токе обратной полярности. Это связано с двумя причинами. Во-первых, на аноде выделяется большее количество теплоты, чем на катоде. Во-вторых, боковой нагрев электрода затрудняет отвод теплоты с его торца. В связи с этим сварку вольфрамовым электродом обычно ведут или на переменном токе, или на постоянном токе прямой полярности.
Рис. 6. Допустимые значения постоянного (прямой и обратной полярности) и переменного тока в зависимости от диаметра вольфрамового (ВЧ) электрода (а) и марки  вольфрамового  электрода  (б);
ВЧ - вольфрам чистый


    Для повышения стойкости электродов в вольфрамовые стержни при их производстве вводят добавку оксидов тория, лантана и иттрия в количестве 1-3 % (рис. 6, б), например, электроды ЭВТ-15 (торированные), ЭВЛ-10 (лантанированные) и ЭВИ-30 (иттриевые).

    При введении оксидов снижается работа выхода электронов. Это позволяет эмитировать большие потоки электронов при меньшем разогреве катода.


СПОСОБЫ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

  В последние годы предложены способы дуговой сварки в вакууме. В процессе сварки осуществляется непрерывная откачка камеры, и дуга горит в атмосфере паров, образующихся при расплавлении металла. При сварке в разреженном пространстве существенно меняются условия плавления основного и присадочного металлов и улучшается дегазация ванны. Получает широкое распространение способ сварки в вакууме сжатой дугой сплошным и полым вольфрамовым элек­тродами.

    При дуговой сварке применяют два способа газовой защиты: струйную местную и общую в камерах.

    Струйная защита относится к наиболее распространенному способу местной защиты при сварке. Качество струйной защиты зависит от конструкции и размеров сопла, расхода защитного газа и расстояния от среза сопла до поверхности свариваемого материала. Характер истечения защитного газа из сопла горелки показан на рис. 7. Только в потенциальном ядре скорость исте­чения защитного газа и его состав остаются постоянными и рав­ными их значениям на срезе сопла:

W = W0 и С = С0

где W0и С0 - скорость и состав защитного газа на срезе сопла.

 

Рис. 7. Схема истечения защит­ного газа из сопла горелки:
1 - сопло горелки; 2 - потенциаль­ное ядро струи;
3 - пограничный слой; 4 - периферийный  участок струи

 

Рис. 8. Конструктивные схемы сопл:
а - конические; 
6 - цилиндрические;
в - профилированные


    Защитные свойства струи могут быть оценены длиной началь­ного участка Н. Чем больше этот участок, тем легче осуществлять защиту металла при сварке. Максимальная длина начального участка наблюдается при ламинарном истечении газа. К этому и следует стремиться при выборе конфигурации сопла, его размеров
и расхода защитного газа.   
    Наиболее полно оценить за­щитные свойства струи можно по диаметру защитного пятна d3на поверхности свариваемых элемен­тов. Размеры пятна зависят не только от характера истечения струи. Большое влияние оказы­вает диаметр сопла dcи расстояние от среза сопла hдо свариваемой поверхности.
    На практике применяют три вида сопл: конические, цилиндри­ческие и профилированные (рис. 8). Лучшая защита обеспечи­вается при применении профили­рованных сопел.

   Расход защитного газа выби­рают оптимальным для обеспече­ния истечения струи, близкого к ламинарному. Для улучшения струйной защиты на входе в сопло устанавливают мелкие металли­ческие сетки, пористые материалы и т. п. Перспективно примене­ние сопла, обеспечивающего кольцевую защиту (разработанного в МАТИ).

Рис. 9. Схема аргонодуговой сварки с местной камерой:
1 - струя основного защитного газа;
2 - сопло сварочной горелки;
3 - корпус мест­ной камеры;
4 - сетка;
5 - струя дополнительного защитного газа

    При сварке со струйной защитой возможен подсос воздуха в ре­акционную зону. Поэтому с точки зрения защиты ванны ее нельзя признать совершенной. Для улучшения защиты в ряде случаев, особенно при сварке активных металлов, применяют местные ка­меры (рис. 9).
    Общая защита в герметичных камерах обеспечивает наиболее высокую степень защиты металла в процессе сварки. Это необ­ходимо при сварке особо активных металлов и сплавов (например, титана, циркония, молибдена, тантала, ниобия и сплавов на их основе).
    Сварку в камерах чаще всего выполняют неплавящимся элект­родом вручную или автоматически, реже автоматически  плавящимся электродом. Для заполнения камер в большинстве случаев используют аргон и гелий высокой частоты. В камере поддержива­ется  небольшое  (0,005-0,01 МПа)   избыточное  давление  газов.

    В настоящее время ведутся работы по сварке в камерах при повышенном давлении. Применение высокого давления позволяет сжимать дугу и увеличи­вать концентрацию энергии в пятне нагрева. Сокращается выделение газов из расплавленного металла. Это предупреждает возникновение пористости при сварке металлов, содержащих повышенное количество растворенных газов.

    Сварка вольфрамовым электродом. Высокая стойкость электрода наблюдается только при использовании защитных газов, не взаи­модействующих с вольфрамом. Основной защитный газ при этом способе - аргон. Горение дуги в гелии происходит при более высоком напряжении (в 1,4-1,7 раза выше, чем в аргоне). Это требует применения для питания дуги специализированных ис­точников с повышенным напряжением холостого хода. Гелий ис­пользуют как добавку к аргону. Применение аргоногелиевых смесей целесообразно в тех случаях, когда требуется повысить проплавляющую способность дуги без увеличения сварочного тока. Наряду с инертными газами для сварки вольфрамовым элект­родом используют и некоторые активные газы, например, водород и азот или их смеси с аргоном.

    Способы сварки свободногорящей дугой в непрерыв­ном режиме в настоящее время имеют наибольшее применение. Процесс ведут с местной и общей защитой вручную или автомати­чески,  одной  дугой  или  трехфазной.

    Ручную дуговую сварку вольфрамовым электродом при непре­рывном режиме горения дуги применяют главным образом для соединения металла относительно небольшой толщины (1-5 мм) при небольшой протяженности швов, расположенных в трудно­доступных местах. Иногда этот процесс используют при много­слойной сварке изделий с большим сечением.

    Конструкции, имеющие протяженные швы при толщине соеди­няемых элементов 1-5 мм, изготовляют автоматической сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом с автоматической пода­чей   присадочного  металла  в  зону  дуги.

 

  Сварку вольфрамовым электродом необходимо выполнять при определенном ориентировании электрода и присадочной проволоки относительно стыка. Наиболее предпочтительно расположение электрода углом вперед = 754-85°). Сварочная проволока по­дается в головную часть ванны под небольшим углом к поверх­ности свариваемых кромок (5-12°). Необходимо предусматривать скольжение торца  проволоки  по кромкам свариваемого стыка. Угол между присадочной проволокой и вольфрамовым электродом должен быть близким к прямому (рис. 10.).
Рис. 10. Схема сварки вольфрамовым электродом:
1 - Сопло горелки;  2 - вольфрамовый электрод; 
3 - дуга;  4 - присадочный металл
    Формирование шва зависит от диаметра присадочной проволоки и скорости ее подачи. При выборе режима сварки следует учиты­вать, что увеличение диаметра присадочной проволоки снижает глубину проплавления ванны. Ориентировочно диаметр присадоч­ной проволоки выбирают в зависимости от мощности дуги или диаметра вольфрамого электрода du = (0,5-f-0,7) d3.
     Основной недостаток способов сварки свободногорящей дугой - их невысокая производительность. Применение высокоамперных дуг (иттриевый вольфрамовый электрод) в значительной мере устра­няет этот недостаток. Наибольшая производительность процесса на­блюдается с применением трехфазной дуги. Параметры режима и тип источника питания выбирают в соответствии со способами сварки.
    
Состав и расход,плазмообразующего газа выбирают исходя из свойств электрода, марки свариваемого металла и требований к устойчивости дуги.
    Для сварки тонколистового металла широкое применение нахо­дит автоматическая сварка вольфрамовым электродом свободно-горящей и сжатой дугой в импульсном режиме. При этом способе сварки между электродом и свариваемым изделием воз­буждается маломощная дежурная дуга, поддерживающая дуговой промежуток в ионизированном состоянии. Импульсное введение теплоты позволяет точно регулировать тепловложение и сваривать металл толщиной от десятых долей миллиметра. При соответству­ющем выборе длительности импульса и паузы, а также перекры­тия точек можно влиять на кристаллическую структуру металла швов и их свойства.
    При импульсной сварке проявляется нестационарность тепло­вого режима, обусловленного наличием паузы. Вследствие этого проплавляющая способность дуги зависит от толщины сваривае­мых кромок. При сварке небольших толщин (s = 0,2ч-1,5 мм для сталей) проплавляющая способность импульсной дуги выше, чем непрерывной дуги. С увеличением толщины свариваемых элемен­тов это свойство дуги проявляется в меньшей степени (s=2 мм). При дальнейшем увеличении толщины свариваемых кромок про­плавляющая способность импульсной дуги становится меньше, чем у непрерывной.
    При достигнутом уровне развития оборудования и технологии импульсная сварка целесообразна только для соединения тонко­стенных элементов конструкций. Предельная толщина зависит от свойств свариваемого металла. Основное преимущество импульс­ной сварки - более широкие возможности регулирования про­плавляющей способности дуги. Это достигается за счет не только новых дополнительных параметров процесса, но также изменения формы импульса тока.
Сварка плавящимся электродом. Механизированную и авто­матическую сварку выполняют в основном при непрерывном го­рении дуги. При импульсном горении появляется дополнительная возможность управления процессом плавления и переноса элект­родного металла. В этом случае используют тот же принцип пи­тания дуги, что и при сварке вольфрамовым электродом. От источника небольшой мощности питается дежурная дуга, форми­рующая каплю на электроде, которая сбрасывается в момент по­дачи импульса тока большой величины.
    При сварке плавяшимся электродом используют инерт­ные и активные газы: в основном аргон, углекислый газ и их смеси.
    Способ сварки с защитой инертными газами получил широкое применение для сварки сталей, алюминия, титана, их сплавов и других металлов. При сварке сталей в основном исполь­зуют аргон с добавками углекислого газа или кислорода (1-5 %). Введение активных газов стабилизирует горение дуги, снижает разбрызгивание. Наряду с этим окислительная среда повы­шает стойкость швов к водородной пористости.
    При сварке в атмосфере угекислого газа происхо­дит окисление металла и потеря легирующих элементов. Для компенсации этих потерь сварку ведут специальной проволокой. Защитное действие углекислого газа сводится к изоляции реакци­онной зоны дуги от взаимодействия с воздухом и в конечном счете рассчитано на защиту металла ванны от проникания азота. Степень защиты и раскисления металла при сварке в углекислом газе мо­жет быть повышена применением порошковой проволоки и маг­нитного флюса.
    Широкое распространение получили способы механизирован­ной и автоматической дуговой сварки в углекислом газе плавя­щимся электродом (диаметром 0,8-2 мм) углеродистых и низко­легированных сталей толщиной более 3 мм. Некоторое приме­нение сварка в углекислом газе имеет при изготовлении конструк­ций из высоколегированных сталей.
    Основные преимущества сварки в углекислом газе - его эко­номичность, недефицитность защитного газа и достаточно высокое качество металла швов. Механизированная сварка в углекислом газе как более производительный способ успешно конкурирует с ручной дуговой сваркой покрытыми электродами.
    При сварке в углекислом газе даже на высоких плотностях тока трудно добиться струйного переноса металла. Аномальный характер переноса, по-видимому, связан с сильным сжатием дуги и снижением размера пятна нагрева. Это следует учитывать при выборе режима сварки и источников питания дуги.
    Наряду с С02 возможно использование смесей газов С02 + + Аг; С02 + 02 и др.

Защитные газы, применяемые при сварке различных металлов и сплавов.

Основными защитными газами, применяемыми для дуговой  сварки, являются:

аргон;
двуокись углерода;
гелий;
аргон-гелий (Ar-He);
двуокись углерода-гелий-аргон (CO2+He+Ar);
аргон-кислород (Ar+O2);
аргон-двуокись углерода (Ar+CO2);
двуокись углерода-кислород-аргон (CO2+O2+Ar);
двуокись углерода-азот-аргон (CO2+N2+Ar).

Аргон применяется для сварки нержавеющих сталей, цветных металлов (алюминий, медь), химически активных металлов (цирконий,  титан).  Он обеспечивает прекрасную свариваемость и глубину проплавления этих металлов.
Для сварки черных металлов аргон обычно используются в смеси с другими газами - кислородом, гелием, двуокисью углерода. Низкий потенциал ионизации аргона помогает получить превосходный профиль сварочного шва и стабильные показатели сварки.