Сварные швы металлических конструкций различаются по ряду признаков

По положению относительно действующего усилия Р швы мо­гут быть лобовыми, косыми и фланговыми. Эти определения от­носятся к угловым швам нахлесточных соединений (рис. 19.2). Лобовой шов расположен перпендикулярно усилию, фланговый — параллельно, а косой — под углом.

Ill 1 III	рt
чр
|| 1 1 1 1 1

. Р -р Т

т

Рис. 19.2. Расположение щвов относительно действующего усилия Р: а — лобового; б — флангового; в — косого; г — лобового и косых

По протяженности сварные швы бывают непрерывными и прерывистыми. В основном все швы выполняются непрерыв­ными, но в зависимости от требований к сварным конструкциям иногда применяют и прерывистые швы. Часто прерывистые швы, так называемые прихватки, выполняют для предварительного закрепления свариваемых элементов при сборке.

По внешней форме различают сварные швы выпуклые и вогну­тые. Как правило, все швы выполняют выпуклыми с небольшим усилением.

В зависимости от объема наплавленного металла стыковые и угловые сварные швы могут быть однослойными и многослой­ными.

По характеру требований, предъявляемых к сварным швам, они могут быть прочными, плотными и прочноплотными.

19.2.

Сварочная луга

Источником теплоты при дуговой сварке плавлением являет­ся сварочная электрическая дуга. Сварочная дуга представляет собой мощный длительный электрический разряд между про­водниками в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Она образуется между электродом и основным металлом (изде­лием) или между двумя электродами, имеющими разность по­тенциалов.

Сварочная дуга (рис. 19.3) состоит из катодного пятна 2, ко­торое образуется на электроде 1, столба дуги 3, анодного пят­на 4, образующегося на аноде (изделии 5). На рисунке показана сварочная дуга постоянного тока на прямой полярности (като­дом является электрод, а анодом — изделие). При изменении полярности, т.е. применении тока обратной полярности, катодом является изделие, а анодом — электрод. Дуга переменного тока характеризуется тем, что в соответствии с частотой тока проис­ходит постоянное многократное изменение направления тока и смена катода на анод, и наоборот.

5 4 Рис. 19.3. Схема сварочной дуги

 

Для возникновения и горения дуги необходима ионизация дугового промежутка между электродом и изделием, так как воздух в обычном состоянии не является проводником электри­чества. Ионизация дугового промежутка происходит во время
зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее го­рения.

Процесс зажигания, или возбуждения, дуги происходит в не­сколько этапов (рис. 19.4).

4 (+) Рис. 19.4. Схема возбуждения дуги: 1 — короткое замыкание электрода на изделие; 2 — разогрев торца элек­трода и изделия в месте контакта и образование жидкой прослойки металла; 3 — отвод электрода на расстояние 3...5 мм с образованием шейки жидкого металла; 4 — разрыв шейки и возникновение дуги

1

г

з

После отвода электрода с его разогретого торца под действием электрического поля начинается термоэлектрическая эмиссия электронов. Столкновение быстро движущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столба и повышения кинети­ческой энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Количество ионизированных частиц определяется степенью ионизации, которая характери­зует отношение количества образовавшихся заряженных частиц к общему количеству частиц в объеме газа в столбе дуги до иони­зации.

Предельное значение степени ионизации а равно 1, или 100 % (ионизированы все молекулы). В сварочных дугах'степень ио­низации составляет величину от нескольких процентов до не­скольких десятков процентов в зависимости от плотности тока в дуге. Степень ионизации зависит от температуры и потенциала ионизации газа. Потенциал ионизации характеризует энергию, которую необходимо затратить для ионизации, т.е. отрыва элек­трона от атома и превращения последнего в положительный ион.

В результате ионизации дуговой промежуток становится электропроводным и возникает устойчивый дуговой разряд.

В большинстве случаев сварочные дуги горят в смесях мно­гих газов и паров, включающих пары металлов, которые имеют различные потенциалы ионизации. Чем больше в этой смеси ве­ществ с низким потенциалом ионизации, тем более устойчиво горит сварочная дуга.

II

I

Рис, 19.5. Вольт-амперные характеристики сварочных дуг В зависимости от плотности тока вольт-амперная характери­стика дуги может быть падающей, жесткой (пологой) и возрас­тающей. В области малых токов I (до 100 А) в дуге с увеличением тока /д интенсивно возрастает число заряженных частиц, глав­ным образом вследствие разогрева катода и роста эмиссии элек­тронов с катодного пятна, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается, падает и нужное для поддержания разряда напряжениеUa— характеристика дуги является па­дающей. Дуга, имеющая падающую статическую характеристику, малоустойчива, так как незначительное изменение тока резко сказывается на напряжении дуги, что приводит к ее обрыву.

Электрические свойства дуги описываются статической волып-амперной характеристикой, которая представляет со­бой зависимость между напряжением дуги и сварочным током в состоянии устойчивого горения дуги (рис. 19.5).

В связи с этим такая дуга в чистом виде имеет ограниченное при­менение, она существует в момент зажигания, а дальше возни­кает дуга с более устойчивой характеристикой.

В области II при дальнейшем росте силы тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько-сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряже­ние дуги становится мало зависящим от тока, а характеристика — пологой (жесткой).

Дуга с жесткой статической характеристикой наиболее устой­чива и Широко используется для ручной и автоматической свар­ки. Изменение напряжения зависит только от ее длины (длины столба дуги) и не зависит от величины сварочного тока:

и_я = а + рг_д,

где 1_Д — длина дуги, мм; а и Р — коэффициенты, зависящие от рода металла и газа в дуговом промежутке.

Падающая и пологая характеристики типичны для дуги при дуговой ручной (ДР) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а также вообще для сварки при малых и обычных плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).

Сварка на высоких плотностях тока и плазменно-дуговые про­цессы соответствуют области III режимов дуги. Они характери­зуются сильным сжатием столба дуги, а вольт-амперная харак­теристика здесь — возрастающая, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.

Наиболее важной характеристикой сварки являются тепловые свойства дуги. Температура на катоде более низкая (3200 °С), чем на аноде (390Ф °С), а максимального значения (6000 °С) она достигает в столбе дуги.

В катодной области выделяется 36...38 % тепловой энергии, в анодной области — 42...43, в столбе дуги — 20...21 %. Полное количество тепла, выделяемое в Дуге в единицу времени, или полная тепловая мощность дуги Q (Вт), определяется из выра­жения

Q = /„ U_a,

где /_св — сварочный ток, A;, U_a — напряжение дуги, В.

Однако эта мощность используется на нагрев основного и при­садочного металла только частично: при сварке покрытыми электродами — (0,6...0,85)Q, при сварке в защитных газах — (0,5...0,6)Q, при сварке под флюсом — (0,80...0,85)Q. Остальная часть ее теряется в результате теплопередачи в окружающую среду. Мощность дуги, расходуемая на нагрев и расплавление металла, называется эффективной тепловой мощностью Qц,:

9* = л Q>

где Г) — коэффициент полезного действия дуги, который зави­сит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов.

Для оценки затрат тепловой энергии пользуются понятием погонной энергии сварки д_п (Дж/см), которая представляет со­бой количество теплоты, вводимой в металл в процессе сварки в единицу времени и приходящейся на единицу длины шва, и определяется по выражению

 

где и_св — скорость перемещения Дуги (скорость сварки).

Источники тока для питания сварочной дуги характеризуются внешней вольт-амперной характеристикой. Внешней характе­ристикой источника называется зависимость напряжения [/_ист на его выходных клеммах от тока /_св в электрической цепи. Внеш­няя характеристика может быть падающей, пологопадающей, возрастающей, жесткой (рис. 19.6).

Источник выбирают в зависимости от статической вольт-ам­перной характеристики дуги, соответствующей принятому спо­собу сварки.

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяются источники тока с падающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая сварка под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Взаимосвязь статической характеристики Дуги 1 и падающей характеристи­ки источника питания дуги 2 приведена на рис. 19.7.

Режим горения дуги определяется точками пересечения ха­рактеристик дуги и источника тока. Точка А называется точкой зажигания, а точка В — точкой устойчивого горения дуги.

		S1		-2
		ч			У
		>4
				V
		\
				\

Рис. 19.6.Внешние вольт-амперные характеристики источников питания дуги: 1 — падающая; 2 — пологопадающая; 3 — возрастающая; 4 — жесткая

 

 

Рис. 19.7. Взаимосвязь характеристик дуги и источника тока

 

Пересечение внешней характеристики с осью ординат 17 опре­деляет напряжение холостого хода источника U₀, а с осью абс­цисс J — силу тока короткого замыкания 1_К при замыкании элек­трода на изделие и замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание характеризуется малым напряже­нием, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током. Режим холостого хода, когда сварочная цепь разомкнута и дуга не горит, характеризуется повышенным напряжением (60...70 В). Рабочее напряжение дуги U_K поддерживается в пре­делах 16...30 В.