Лекции по "Материаловедению"

42. Виды сварочной  дуги. Вольт- амперная характеристика  сварочной дуги.

Входящие в группы виды сварочных дуг характеризуются  следующими основными особенностями.

1. В дугах прямого  действия подлежащие нагреву  или плавлению металлы являются  электродами разряда и им передается  кинетическая и потенциальная  энергия заряженных частиц. Поэтому электроды весьма интенсивно нагреваются и плавятся.

Дуги косвенного действия располагаются у поверхностей подлежащих нагреву или плавлению изделий. Электродами таких дуг служат стержни из графита или вольфрама, не соединенные электрически с изделиями. Нагрев и плавление изделий происходит лишь за счет кинетической энергии сталкивающихся с ними частиц газа. Обычно такой нагрев мало эффективен, поэтому дуги косвенного действия применяются в тех случаях, когда требуется сравнительно небольшая теплопередача от дуги к изделиям.

2. В дугах с плавящимися  электродами оба электрода в  процессе осуществления сварочного  процесса расплавляются, поставляя  металл в общую ванну. Если  один из электродов, будучи тугоплавким  — вольфрамовым или графитовым, не поставляет металл в общую ванну, то дуга называется дугой с неплавящимся электродом. При увеличении тока дуги тугоплавкий электрод также может расплавиться, поэтому разновидности дуг этой группы определяются не только материалом электродов, но и режимом их горения.

3. Большинство плавящихся  электродов дуги интенсивно испаряется. Пары, двигаясь от электродов  в виде струи, почти полностью  оттесняют из области разряда  другие газы. Поэтому пары электродов  определяют основные свойства  таких дуг, что и обусловило их название. Когда же используются слабо испаряющиеся вольфрамовые, графитовые или искусственно охлаждаемые водой медные электроды, состав газа разрядной области с достаточной точностью определяется ее атмосферой. Последнюю образуют л ибо защитные газы — аргон, гелий, водород, СO2 и др., подаваемые в зону дуги для ограждения металла от воздействия воздуха, либо воздух при отсутствии такой защиты. Однако по мере увеличения тока слабо испаряющиеся электроды могут испаряться интенсивно, а «дуга в газах» может стать «дугой в парах», поэтому и в этой группе разновидности дуг также определяются их режимом.

4. Дуга считается свободной,  если ее развитие в пространстве  не ограничено до пределов, определяемых  естественными свойствами дуги. При наличии таких ограничений дуга называется сжатой. Дугу сжимают, помещая ее в узких каналах и щелях, ограничивая размеры электродов, обдувая дугу струями газов или жидкостей и т. д.

5. Дуга считается установившейся, если длительность ее существования  при заданных условиях заметно превышает время протекания в ней переходных процессов и параметры дуги уже не меняются во времени. Изменения силы тока, состава атмосферы, расстояния между электродами, положения в пространстве и т. д. характеризуют неустановившиеся дуги. Однако при сравнительно медленном изменении перечисленных факторов, когда каждому их мгновенному значению соответствуют параметры дуги, близкие к установившимся при этих мгновенных значениях, такими изменениями можно пренебречь и дуги считать установившимися. Таким образом разделение дуг анализируемой группы на два вида требует их тщательного изучения.

6. Дуга считается открытой, если вокруг нее отсутствуют  преграды, кроме самих электродов, исключающие или затрудняющие  циркуляцию газа в околодуговом  пространстве, или задерживающие излучение дуги. В случае полного ограждения дуги от окружающего пространства она становится закрытой. Примером такой дуги является дуга под флюсом. Ее атмосфера состоит только из паров электродов и ограждения — флюса. Циркуляция газовых потоков в такой дуге ограничена, излучение дуги в пространство не проникает. Возможны полузакрытые дуги и т. д.

7. Для дуг постоянного  тока характерны неизменность  направления тока и, как правило,  небольшие колебания его силы, обусловливаемые процессами в  дуге.

В дугах переменного  тока происходят непрерывные изменения  направления и силы тока в соответствии с изменениями э. д. с. источника  и процессами в дуге. Такие дуги угасают каждый раз при переходе тока через нуль и возобновляются снова в начале каждого полупериода питающего их переменного тока.

Реальные сварочные  дуги характеризуются одновременно несколькими перечисленными особенностями.

Для примера на сравним  дуги с плавящимися электродами  в аргоне и углекислом газе и их типичную осциллограмму. На концах электродов при фотграфировании видны капли, меняющиеся, как показывают наблюдения, в объеме и по положению в пространстве. Периодически они перекрывают весь разрядный промежуток, вызывая короткое замыкание электродов и устранение разряда. При этом напряжение падает почти до нуля, а ток растет по законам, определяемым свойствами электрической цепи. Частота коротких замыканий и их длительность не постоянны После замыканий снова возбуждается дуга и т. д.

Получается, что сварочная  дуга с плавящимися электродами является неустановившейся дугой как по длине разрядного промежутка, так по режиму питания и положению в пространстве. В рассматриваемом случае она, возможно, несколько сжата струями защитных газов и содержит в своем составе некоторую часть паров электродов и т. д. Естественно, что изучение таких дуг весьма затруднительно. При их описании и, тем более, изложении теории неизбежна некоторая схематизация и идеализация процессов и условий существования разряда.

Статической вольтамперной  характеристикой сварочной дуги называют зависимость между напряжением дуги UR и сварочным током /д. Обычно она выражается графически (3.6). По графику видно, что в диапазоне сварочных токов от 0 до 80 А по мере увеличения сварочного тока /д" напряжение дуги £/д резко падает. Такую статическую характеристику дуги называют падающей. С дальнейшим увеличением сварочного тока до 800 А напряжение дуги практически остается постоянным, такую характеристику называют жесткой. При увеличении сварочного тока от 800 А и более напряжение дуги также увеличивается, такую характеристику называют возрастающей. Как видно из графика, сварочная дуга, имеющая падающую статическую характеристику, мало устойчива, так как незначительное изменение тока резко сказывается на напряжении дуги, что приводит к ее обрыву. Начало графика, соответствующее моменту зажигания дуги, характеризует величину напряжения, необходимого для ионизации междугового пространства и зажигания дуги и равного 50—60 В. В дальнейшем процесс ручной дуговой сварки идет на токах 100—500 А и переходит в более устойчивую область с жесткой статической характеристикой дуги. Изменение напряжения дуги происходит только в зависимости от ее длины и не зависит от величины сварочного тока. Чем длинее дуга, тем больше ее напряжение за счет увеличения падения напряжения столба дуги. Использование жесткой характеристики, обеспечивающей наибольшую устойчивость процесса, широко практикуется для ручной, механизированной, автоматизированной и автоматической сварки. Для облегчения возбуждения дуги с падающей характеристикой и стабилизации ее горения на переменном токе применяют включение в сварочную цепь дополнительного стабилизатора (осциллятора).

43. Источники  питания сварочной дуги.

Сварочные источники  питания должны иметь электрическую  характеристику (т. е. зависимую связь между током и напряжением) с учетом статической характеристики дуги для каждого конкретного способа сварки.

Электрической характеристикой  источника питания сварочной  дуги, или внешней характеристикой  источника питания, называется графически изображенная зависимость между напряжением на клеммах источника питания и сварочным током. Источники питания могут иметь следующие внешние характеристики:

• Крупнопадающую.
• Пологопадающую.
• Жесткую.
• Возрастающую.

Для ручной дуговой сварки наилучшая характеристика источника - крутопадающая, которая обеспечивает незначительное изменение сварочного тока при постоянных изменениях длины дуги в процессе сварки, которые требуют постоянно изменять напряжение на дуге. Длина дуги меняется в связи с отделением капель электрода в ванну, а увеличивающаяся длина дуги образует повышенное сопротивление дуги, для преодоления которого (чтобы не погасла дуга) требуется мгновенно увеличивать напряжение - в этом и заключается отзывчивость характеристики источника тока для поддержания стабильного горения дуги. При укорачивании дуги напряжение ей требуется меньшее, но должно ускоряться плавление электрода, восстанавливая нормальную длину дуги. Это ускорение достигается за счет мгновенного увеличения тока.

Пологопадающая, а также  жесткая и возрастающая внешние электрические характеристики источников питания обеспечивают значительное изменение величины сварочного тока при изменении длины дуги, а это вызывает быстрое увеличение или уменьшение скорости плавления электродной проволоки.

Происходит быстрое саморегулирование дуги при повышенных плотностях тока без большого изменения напряжения.

Чем сильнее изменяется ток в дуге, тем быстрее восстанавливается  прежняя длина дуги и выше ее стабильность горения, но это на средних и повышенных и высоких плотностях тока - 30-50 А/мм2 и 60-200 А/мм2. Большие плотности тока в сочетании с жесткой характеристикой источника тока дуги при постоянной подаче обеспечивает стабильность процесса сварки голой проволокой с газовой защитой и даже без нее.

Требуемая электрическая характеристика источника питания дуги (графическая форма кривой) обеспечивается конструкцией при изготовлении источника, и в процессе сварки форма ее не изменяется. Колебания режима сварки, происходящие вследствие изменения длины дуги, обусловлены только изменением статической характеристики дуги.

Важное значение имеют  динамические свойства источника питания - это быстрота восстановления напряжения от нулевого значения в момент короткого  замыкания до напряжения повторного зажигания дуги. Динамические свойства зависят от индуктивности источника питания. Чем индуктивность выше, тем выше динамические свойства, при которых существует спокойный перенос электродного металла и малое разбрызгивание. Все это происходит под воздействием свойств внешней характеристики дуги и динамичности электрической системы.

Устойчивое горение дуги в диапазоне  малых токов достигается в  источниках с повышенным напряжением  холостого хода.

При регулировании тока на источнике питания кривая внешней  характеристики будет занимать разные положения - соответственно режиму, но параллельные друг другу. Длина дуги одинаковая, но на разных режимах.

Падающая внешняя характеристика обеспечивает устойчивое горение плавящихся и неплавящихся (вольфрамовых и др.) электродов.

Для сварки под флюсом необходима пологопадающая характеристика, для сварки механизированной (голой проволокой) - жесткая или возрастающая внешняя характеристика источника питания.

Источники питания выпускаются  в соответствии с требованиями ГОСТов 95-69; 7012-69; 13821-68, которыми установлены различные требования, как технические, так и по безопасности.

В настоящее время  промышленность России выпускает большое  количество различных источников питания  дуги постоянным и переменным током.

44. Сварочная  проволока и электроды. Классификация электродов.

Сварочные электроды  – неотъемлемый элемент каждого  сварочного процесса. При этом к  их качеству предъявляются самые  строгие требования, так как при  неудовлетворительных характеристиках  этих изделий невозможно получить прочный, надежный и ровный шов.

Описание

Конструктивно электроды  для сварки представляют собой стержень различной длины (чаще всего от 250 до 450 мм), покрытый специальным составом – защитным, стабилизирующим, органическим, магнитным, смешанным и так далее. Материал покрытия оказывает непосредственное влияние на стабильность и способ сварки.

Типология

Существует большое  количество классификаций электродов сварочных. В их основе лежит:

– назначение (для углеродистых сталей, легированных и т.д.);

– тип покрытия электрода для сварки и его толщина;

– пространственное положение  сварки или наплавки.

 По материалу изготовления  электроды сварочные подразделяются  на две больших группы –  металлические и неметаллические.  Первые в свою очередь также  подразделяются на неплавящиеся и плавящиеся.

Классификация электродов по группам.

К группе электродов для  сварки углеродистых и низколегированных  конструкционных сталей относятся  марки, предназначенные для сварки углеродистых сталей, содержащих до 0,25% углерода, и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 590 МПа. Основными характеристиками являются механические свойства металла шва и сварного соединения: временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость, угол изгиба. По этим показателям марки, согласно ГОСТ 9467-75, классифицируются на следующие типы (в условном обозначении типа электрода две стоящие за буквой "Э" (электрод) цифры соответствуют минимальному временному сопротивлению разрыву металла шва или сварного соединения в кгс/мм2): Э38, Э42, Э46 и Э50 - для сварки сталей с временным сопротивлением до 490 МПа; Э42А, Э46А и Э50А - для сварки тех же сталей, когда к металлу шва предъявляются повышенные требования по относительному удлинению и ударной вязкости; Э55 и Э60 - для сварки сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 490 МПа и до 590 МПа. Указанным стандартом регламентируется содержание серы и фосфора в наплавленном металле.

Марки для сварки углеродистых и низколегированных сталей характеризуются  также уровнем сварочно-технологических свойств, в т.ч. возможностью сварки во всех пространственных положениях, родом сварочного тока, производительностью процесса, склонностью к образованию пор, а в некоторых случаях - содержанием водорода в наплавленном металле и склонностью сварных соединений к образованию трещин.