СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ВИДЫ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

Электрическая дуговая аварка в настоящее время является важ­нейшим промышленным видом сварки металлов и занимает первое место среди других способов сварки по числу действующих устано­вок, занятых рабочих, объёму и стоимости выпускаемой продукции.

Дуговая электросварка создана почти полностью трудами рус­ских и советских учёных и техников, которые сделали в этой об­ласти больше, чем учёные и техники любой другой страны. Само явление дугового разряда впервые открыл и исследовал в 1802 г. академик В. В. Петров (1761—1834), давший описание дугового разряда в классическом труде «Известие о гальвани-вольтовских опытах», изданном в 1803 г. Среди других явлений, в этой книге описано и плавление металлов дуговым разрядом.

Использование дугового разряда для сварки металлов впервые осуществил в 1882 г. русский инженер Н. Н. Бенардос (1842— 1905). Значительные усовершенствования в процесс дуговой элек­тросварки внёс инженер Н. Г. Славянов (1854—1897). В 1888 г. он закончил разработку способа дуговой сварки металлическим электродом, важнейшего способа современной промышленности. Электрическая дуговая сварка всегда выполняется как сварка пла­влением, источником тепла служит электрический дуговой разряд. Дуговая электросварка разделяется на многочисленные виды и раз­новидности, но лишь немногие из них имеют серьёзное промышлен­ное значение.

Классификацию способов дуговой сварки можно провести по различным признакам, наиболее существенным из которых является способ воздействия дуги на металл. Действие дуги может быть прямым (фиг. 3, а) или косвенным (фиг. 3,6). В первом случае ме­талл включён в сварочную цепь и является одним из электродов дугового разряда. Металл нагревается главным образом за счёт бомбардировки его поверхности электрически заряженными части­цами. Удельная мощность на нагреваемой поверхности в области электродного пятна весьма высока, нагрев чрезвычайно интенсивен. В этом случае наиболее ярко выявляются характерные особенности процесса дуговой электросварки.

При дуге косвенного действия основной металл не включён в сварочную цепь, не является электродом дуги и нагревается пре­имущественно за счёт теплопередачи от газов столба дуги и её из­лучений. Удельная мощность на нагре­ваемой поверхности в десятки раз ниже, чем в дуге прямого действия. Характер­ные особенности ду­говой сварки выра­жены слабее, техно­логически способ при­ближается к газовой сварке.

Комбинированное действие дуги, объ­единяющее особенно­сти прямого и косвен­ного нагрева, может быть осуществлено,, например, по схе­ме, приведённой на. фиг. 4. Электроды могут быть плавки­ми, быстро плавящи­мися (материал элек­трода в этом слу­чае принимает суще­ственное участие В: образовании наплав­ленного металла), могут быть и неплав­кими, или совсем не - плавящимися, напри­мер угольные элек­троды, или же плавя­щимися медленно и не принимающими заметного участия в образо­вании наплавленного металла, например вольфрамовые электроды,.

Для питания дуги может применяться как постоянный, так и пе­ременный ток. Последний может гірименяться одно - и многофазный, низкой и высокой частоты. Возможно применение усложнённых схем с одновременным использованием постоянного и переменного' токов, токов разных частот и т. Д.

Существенным технологическим признаком является способ за­щиты зоны сварки от окружающей среды и от воздействия окру­жающего атмосферного воздуха. Схема классификации способов; дуговой сварки по этому признаку показана на фиг. 5.

Сварочные дуги прежде всего можно разделить на открытые:

IvwvwJ

Фиг. 4. Комбинированное Фиг. 5. Схема способов защиты сва-

действие дуги. рочной дуги.

и закрытые или погружённые. В открытой дуге сварочная ванна может не иметь никакой защиты или может быть защищена слоем, шлака или струёй защитного газа, вдуваемого в зону сварки, например водорода, . аргона, азота и т. п. Применяется так­же и комбинированная защита шлаком и газом. Закрытая или погружённая дуга находит весь­ма важное промышленное при­менение в способе дуговой свар­ки под флюсом.

Комбинации вышеуказанных признаков: по способу действия дуги, роду электрода, виду элек­трического тока и методу защи­ты сварочной ванны в различ­ных сочетаниях образуют десятки разновидностей дуговой электро­сварки, более или менее существенно отличающихся по технологиче­ским свойствам. Практическое промышленное значение имеет прежде всего сварка по способу Славянова, т. е. сварка дугой прямого действия плавким ме­таллическим электродом. Схема сварки по способу Славянова показана на фиг. 6. На втором месте стоит сварка по способу Бенардоса, т. е. сварка дугой

/ — угольный электрод; 2 — присадочный металл. ПрЯМОГО ДЄЙСТВИЯ НЄПЛЗВКИМ

угольным электродом. Схема сварки по этому способу показана на фиг. 7.

Дуговой разряд является одним из видов электрического раз­ряда в газах, вызываемого прохождением электрического тока че­рез газ. Формы электрических разрядов в газах весьма разнооб­разны; дуговой разряд является высшей, наиболее развитой формой стационарного газового разряда.

В нормальных условиях при низких температурах все газы яв­ляются совершенными непроводниками электрического тока — изо* ляторами. Газ может проводить электрический ток лишь в том случае, если в газе появляются электрически заряженные частицы— ионы.

Процесс образования заряженных частиц называется иониза­цией, а газ, в котором появились заряженные частицы и который, вследствие этого, получил способность проводить электрический ток, называется ионизированным. На ионизацию газа могут влиять раз­личные факторы. Особенно важно, что ионизацию газа можно про­изводить воздействием электрического тока, протекающего через газ. В этом случае сам проходящий через газ ток определяет сте­пень ионизации газа или его электропроводность. В таких условиях теряет практическое значение понятие об электрическом сопротив­лении газа, так как оно может иметь любую величину — от очень малых значений до бесконечно больших,— и при этом отсутствует определённая зависимость между напряжением, подведённым к га­зовому промежутку, и возникающим электрическим током. Поэтому, например, для дугового разряда не имеет смысла вопрос, какой ток будет в разряде при данном напряжении, так как ток может иметь самые различные значения, в зависимости от параметров питающей цепи.

Источниками заряженных частиц в газах могут служить сами молекулы газа, которые при подведении достаточных количеств энергии могут образовывать электрически заряженные частицы, т. е. ионизироваться. Такая ионизация может быть названа ионизацией в объёме, или объёмной ионизацией. Источником заряженных ча­стиц могут также служить твёрдые или жидкие тела, соприкасаю­щиеся с газовым объёмом, в котором происходит разряд. Особенно важна в этом отношении роль отрицательного электрода — катода, который часто служит мощным источником свободных электронов в разряде.

Дуговой разряд возникает в газе при достаточной силе тока в цепи. Возникший разряд концентрируется и стягивается опреде­лённым образом, отвечающим минимуму мощности для данной силы тока, чётко отграничивается от окружающей среды и проте­кает обычно при очень высоких плотностях тока.

На фиг. 8 схематически изображён дуговой разряд при атмос­ферном давлении, питаемый постоянным током. Между положи­тельным электродом — анодом и отрицательным — катодом располо­жена наиболее важная часть дугового разряда — положительный столб, или просто столб дугового разряда, имеющий обычно кониче-
■скую или сферическую форму. Г аз столба ослепительно ярко светит­ся и имеет очень высокую температуру, порядка 6000°. Столб окру­жён пламенем или ореолом дуги, имеющим значительные размеры. Пламя образуется парами и газами, поступающими из столба дуги, взаимодействующими химически с окружающей атмосферой и по* степенно охлаждающимися по мере удаления от оси столба. Газ столба сильно ионизирован.

Основным фактором, вызывающим ионизацию, является высо­кая температура газа, поддерживаемая притоком энергии из питаю-, щей электрической цепи. В пламени, окружающем столб, темпера­тура и степень ионизации быстро падают по мере удаления от оси столба.

Ионизация идёт главным образом по уравнению: нейтральная газовая мо­лекула + энергия иониза­ции = положительный ион +свободный электрон.

Степень ионизации га­за столба очень высока; сильно ионизированный газ столба, часто назы­ваемый электронной плаз­мой, обладает многими особыми свойствами; его электропроводность при­ближается к электропро­водности металлов. Осно­ваниями столба служат резко отграниченные области на поверх­ности электродов — электродные пятна. В дуге постоянного тока различают катодное пятно и анодное пятно. Плотность тока в пят­нах может достигать нескольких тысяч ампер на 1 см2. Электрод­ные пятна выделяются ослепительной яркостью, значительно пре­вышающей яркость столба и поверхности электрода за пределами пятна.

В тонком слое у поверхности пятен проходят важные процессы, связанные с образованием и нейтрализацией заряженных частиц, обусловленные переходом электрического тока из материала элек­трода в газовый промежуток и наоборот. Происходит преобразова­ние большого количества электрической энергии разряда в тепло­вую энергию, нагревающую и расплавляющую основной металл, что и производит сварку. Удельная мощность, освобождаемая раз­рядом на поверхности пятен, очень высока и может достигать де­сятков киловатт на 1 см2.

Катод разряда эмиттирует в объём положительного столба большое количество свободных электронов. Освобождение или эмиссия электронов на катоде может вызываться нагревом катода, причём плотность эмиссионного тока быстро растёт с повышением
температуры катода и для материалов катода, имеющих высокие - температуры плавления и кипения (уголь, вольфрам), электронная эмиссия нагретого катода, или термоэлектронная эмиссия, может до. стИгать очень высоких значений. Для железных и медных катодов - термоэлектронная эмиссия имеет меньшее значение, а для катодов - из цинка, ртути и т. п. термоэлектронной эмиссией можно прене­брегать. В последнем случае решающее значение получает эмиссия холодного катода или автоэлектронная эмиссия, создаваемая по­явлением электрического поля очень высокой напряжённости, по­рядка 106 в! см и выше, в тонком слое у поверхности катода. Дру­гие факторы, вызывающие электронную эмиссию на катоде, в условиях сварочной дуги имеют второстепенное значение и в на­стоящей книге не рассматриваются.

Электронная эмиссия поглощает энергию и охлаждает катод. Подводит энергию к катоду и нагревает его главным образом - бомбардировка положительными ионами, поступающими на поверх­ность катода из столба дуги. Общий баланс энергии на катоде - положителен, и в конечном счёте катод получает значительное коли­чество энергии, нагревающей, плавящей и испаряющей материал катода. В столбе дуги процессы ионизации идут преимущественно за счёт высокой температуры газа. В результате сложных процес­сов в газе столба, возникновения и нейтрализации заряженных частиц, устанавливается подвижное равновесие, характеризующееся тем, что в любом, не слишком малом, объёме столба алгебраическая сумма электрических зарядов заряженных частиц равна нулю. По­этому сильно ионизированный газ или электронная плазма столба дуги ведёт себя по отношению к окружающему пространству как нейтральный газ.

Положительный электрод или анод дугового разряда бомбарди­руется электронами, поступающими из столба дуги. Электрон, падающий на анод, проникает в его объём и прекращает своё - свободное существование, на поверхности анода электрон отдаёт потенциальную энергию, отвечающую работе выхода анодной по­верхности, и кинетическую энергию, приобретенную в области анод - №го падения. Процесс электронной бомбардировки сообщает аноду значительные количества энергии и интенсивно его разогревает.

Общее количество освобождающейся энергии на аноде обычно больше, чем на катоде, но возможно, и иногда наблюдается в сва­рочных дугах, и обратное соотношение.

Наивысшая температура наблюдается в осевой части столба дуги, в нормальной сварочной дуге максимальная температура до­стигает 6000°. На поверхностях электродов в области электродных пятен температура обычно близка к температуре кипения материала электродов. Напряжение дуги, т. и. напряжение между концами её электродов, является сложной функцией длины дуги И СИЛЫ ТОКц в ней, а также существенно зависит от материала и размеров элек­тродов, состава и давления газа и т. д. Опытная зависимость на­пряжения дуги от тока и её длины может быть выражена кривыми, имеющими форму, показанную на фиг. 9, а.

Подобные кривые называются характеристиками дуги, причём они относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги, почему и называются статическими характеристиками.

На фиг 9, б показана примерная форма статической характеристики Ud=f (/) при длине L — const для дуги со стальным электродом.

Как видно из диаграммы, напря­жение дуги зависит от силы тока в ней лишь при малых токах до 30—

40 а, для больших же токов, кото­рыми обычно пользуется сварочная техника, можно принять, что напря­жение дуги не зависит от тока. Фи­зически это можно объяснить тем, что площади сечения столба дуги и электродных пятен изменяются про­порционально току, поэтому плот­ность тока и падение напряжения во всех частях дугового разряда со­храняются постоянными.

Зависимость напряжения дуги от её длины U=f (L) при поддержа­нии постоянства тока /=const пока­зана на фиг. 9, в. Для сварочной ду­ги в первом приближении можно принять, что напряжение дуги свя­зано линейной зависимостью с её длиной и может быть выражено эмпирической формулой

U = a + bL,

где U — напряжение дуги в воль­тах;

L — длина дуги; а и b — постоянные, определяемые опытным путём и завися­щие от материала электро­дов, состава газовой среды и т. п.

Физическое значение постоянных а и b может быть истолковано следующим образом. Постоянная а представляет собой сумму па­дений напряжения в катодной и анодной областях дуги и не зави­сит от длины дуги. Для обычных стальных электродов в среднем можно принять а=10 в.

Постоянная b представляет собой среднее падение напряжения на единицу длины или среднюю напряжённость электрического поля столба. Для обычной сварочной дуги в воздухе можно при-

нять в среднем Ь = 2 в! мм или 20 в! см. Влиянием силы тока I, если / >- 40 а, на напряжение дуги можно пренебречь.

Таким образом, напряжение сварочной дуги длиной 4 мм при стальном электроде с тонкой обмазкой, независимо от применяемой силы тока, будет

U = 10+2 • 4=18 в.