Тема 5.3. Физические основы процесса. Электродуговая сварка

Важнейшим промышленным видом сварки металлов в настоя­щее время является электродуговая сварка. Она используется для получения неразъемных соединений черных и цветных ме­таллов. При этом способе сварки кромки деталей и конец элек­трода разогреваются до плавления электрической дугой.

Электрическая дуга — это длительный мощный электриче­ский разряд в газовой среде между двумя электродами. Дуга заго­рается при кратковременном соприкосновении электрода и.основ­ного металла и последующем их разъединении. При соприкосно­вении электрода с изделием устанавливается режим короткого замыкания, а после отвода электрода от изделия на 3...4 мм зажигается дуга (рис. 66). При установившемся режиме дуга

Технологическими параметрами режима сварки являются сила сварочного тока, напряжение и скорость процесса. Сила сварочного тока согласуется с толщиной свариваемых деталей и выбирается в зависимости от типа и толщины электрода. Обыч­но она не превышает 250 А. Рабочее напряжение при установив­шейся дуге не превышает 25 В, хотя для зажигания дуги требу­ется напряжение 45...50 В. Следствием неправильно выбранного режима могут быть различные дефекты сварных швов — непро- вары, трещины, шлаковые включения, поры, пережог и др. Силу сварочного тока регулируют изменением воздушного зазора S в магнитопроводе дросселя (см. рис. 67). При максимальном S магнитное сопротивление будет наибольшим, магнитный поток — наименьшим. Так как э.д.с. самоиндукции определяется исклю­чительно магнитным потоком, то она в данном случае будет мини­мальной. Следовательно, приложенное напряжение будет гасить­ся в меньшей степени, что обусловит й цепи максимальный ток.

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой металлические стержни диаметром от 1 до 12 мм и длиной до 450 мм. Их изготавливают из специальной сварочной проволоки марок Св08, Св08Г, Св10Г2 и др. Содержание углерода в прово­локе, как правило, ограничивается, что улучшает пластичность наплавленного металла. Электроды диаметром 1...2 мм приме­няют для сварки металла толщиной до 2 мм. С увеличением тол­щины свариваемого металла диаметр электродов увеличивают, например при сварке металлов толщиной 5... 10 мм используются электроды диаметром 4...5 мм.

Стальные электроды для ручной дуговой сварки покрывают специальными обмазками для обеспечения более устойчивого горения дуги и повышения качества сварного шва. Применяют электродные обмазки двух видов — тонкие и толстые. Тонкие обмазки (обычно мел и жидкое стекло) используют только для обеспечения устойчивости горения дуги. Их применяют для свар­ки малоответственных изделий из углеродистой стали. Для сварки ответственных изделий применяют электроды с толстой обмаз­кой (покрытием). В их состав входят шлакообразующие, легирую­щие, раскисляющие, ионизирующие и связующие компоненты.

Для сварки высоколегированных сталей применяют электро­ды из электродной проволоки, имеющей примерно такой же со­став, как и свариваемая сталь.

Сварочный пост организовывается, как правило, в отдельной кабине и огораживается от остальной части цеха плотной шир­мой. Он должен иметь рабочий стол, сборочно-сварочные приспособ­ления, контрольно-измерительные инструменты и приборы, элек- трододержатель, гибкий кабель для подвода тока, электроды и др. Сварщики обеспечиваются спецодеждой и спецобувью, а также предохранительными щитками или шлемами со специальными светофильтрами для защиты глаз и лица от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, излучаемых электрической дугой.

Ручная дуговая сварка достаточно трудоемка, для ее проведения требуются высококвалифицированные сварщики, поскольку ка­чество сварных швов во многом зависит от их навыков и способ­ностей. Скорость ручной дуговой сварки не превышает 1,6 м/ч.

При автоматической сварке обеспечивается автоматическое зажигание дуги, автоматически поддерживается стабильный режим ее горения в процессе сварки. Кроме того, механизиру­ются подача электродной проволоки в сварочную ванну по мере расходования электрода и передвижение дуги вдоль шва. Если механизировано только одно движение, а второе — выполняет сварщик, то имеет место полуавтоматическая сварка.

Наиболее часто применяется автоматическая сварка под слоем флюса (рис. 68). Дуга при этом горит в газовом пузыре, образо­ванном парами металла и компонентами флюса. Флюс поступает в зону сварки из бункера. Часть флюса, окружающего дугу, рас­плавляется, образуя на поверхности расплавленного металла ванну жидкого шлака.

Образовавшаяся после затвердевания расплава шлаковая корка легко удаляется. Благодаря такой за­щите снижаются потери тепла на излучение, уменьшаются угар и разбрызгивание металла, снижаются термические напряжения. Кроме того, флюс защищает дугу и сварочную ванну от влияния окружающей атмосферы и обеспечивает хорошее формирование шва. При автоматической сварке под слоем флюса производи­тельность повышается в 5... 10 раз по сравнению с ручной дуго­вой сваркой.

Сварку под слоем флюса проводят автоматическими свароч­ными аппаратами (рис. 69), перемещающимися непосредствен­но по изделию. Сварочная головка 5 подает с катушки 3 в зону горения дуги 1 электродную проволоку 4. Сварочная дуга обра­зуется между основным металлом и электродной проволокой. По мере образования сварного шва сварочная головка автомати­чески перемещается вдоль стыка свариваемых изделий. Гранули­рованный флюс из бункера 2 непрерывно засыпается в разделку шва перед дугой. При горении дуги основной металл и электрод­ная проволока расплавляются под слоем флюса. Часть флюса от соприкосновения с дугой расплавляется и при остывании об­разует твердую корку, покрывающую шов. Флюс, оставшийся поверх корки, отсасывается обратно в бункер через трубку 6.

Автоматическую сварку под слоем флюса применяют пре­имущественно для сварки прямолинейных и кольцевых швов. При этом толщина свариваемых металлов составляет 2...100 мм. Сваривать можно углеродистые и легированные стали, медные и алюминиевые сплавы, титан.

Электродную проволоку выбирают в зависимости от марки и состава свариваемого материала. Скорость сварки 30...50 м/ч. Напряжение на дуге 22...55 В.

Флюс для автоматической сварки должен обеспечить устой­чивое горение дуги, хорошее формирование и достаточные ме­ханические свойства сварного шва. При плавлении флюса не должны выделяться в большом количестве вредные газы и дым. Для сварки, например, низкоуглеродистых сталей применяют флюсы, содержащие марганцевую руду, плавиковый шпат, квар­цевый песок и ферросилиций. Иногда в состав флюсов для улуч­шения их технологических свойств вводят фторид кальция CaF₂.

                                                        1 — зона горения дуги; 2 — бункер для гранулированного флюса; 3 — ка­тушка с электродной проволокой; 4 — электродная проволока; 5 — свароч­ная головка; 6 — трубка для отсоса флюса; 7 — шлаковая корка

Для защиты свариваемого металла от воздействия кислорода и азота воздуха часто применяют дуговую сварку в защитных газах. В качестве защитных газов используют аргон, гелий, уг­лекислый газ. Эти способы обеспечивают лучшее качество свар­ных швов, чем при сварке на открытом воздухе.

Аргон и гелий — инертные газы, которые химически не взаи­модействуют с расплавами металлов и не растворяются в них. Их используют для сварки химически активных металлов (магния, титана, алюминия и др.), а также высоколегированных сталей.

Сварку в углекислом газе применяют для соединения загото­вок из конструкционных углеродистых сталей. В отдельных слу­чаях используют смеси газов, которые обеспечивают лучшие технологические свойства сварных швов.

Защитные газы поставляют в баллонах емкостью 40 л под давлением 15 МПа (аргон, гелий) и 6...7 МПа (углекислый газ).

Наибольшее промышленное применение имеет аргонодуговая сварка. Обычно она выполняется неплавящимся вольфрамовым электродом 3 (рис. 70), установленным в мундштуке 4 специ­альной горелки. Через горелку пропускают аргон (или гелий), который создает вокруг зоны сварки защитную газовую оболочку. Возбуждение электрической дуги 6 происходит между электро­дом и свариваемой деталью 1. Для заполнения жидким металлом ванны в зону сварки вводят присадочный пруток 2, химический состав которого близок к составу свариваемой стали. Аргон по­дается в горелку под давлением 0,3...0,5 МПа.

Большинство металлов сваривают на постоянном токе пря­мой полярности. Такое включение («плюс» на изделии) обеспечи­вает более высокую стойкость вольфрамового электрода. Поэтому, например, при диаметре электрода 3 мм при прямой полярно­сти допускается сила тока 140...280 А, а при обратной — только 20...40 А. При обратной полярности резко повышается нагрев электродов и их расход. Это объясняется тем, что в электриче­ской дуге наибольшее количество теплоты выделяется на аноде. Поэтому для сварки многих цветных металлов используют пе­ременный ток.

Сварка вольфрамовым электродом может выполняться в руч­ном режиме или же с помощью специальных полуавтоматиче­ских и автоматических установок. Напряжение на дуге 12...16 В, сварочный ток 120...160 А, расход аргона 6...7 л/мин. Автома­тическую сварку вольфрамовым электродом применяют для со­единения заготовок сравнительно небольшой толщины — до 4 мм, без разделки кромок.