Раздел IV Сварочное производство

Сварка – процесс получения неразъёмного соединения в результате возникновения межатомных связей между соединяемыми деталями.

Создание этих связей между атомами на поверхности соединяемых деталей требует затрат энергии, которую можно внести в зону сварки двумя путями: нагревом или пластической деформацией. Поэтому различают две группы методов сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

При сварке плавлением атомные связи между соединяемыми деталями возникают в результате оплавления их кромок, примыкающих друг к другу, с получением общей ванны жидкого металла. При охлаждении эта ванна затвердевает и соединяет детали в единое целое.

При сварке давлением детали в зоне соединения подвергают совместной пластической деформации сжатием. При этом поверхности очищаются от загрязняющих плёнок, микрорельеф сглаживается, и возникают межатомные связи. Детали можно нагревать перед сваркой, но пластичные металлы (алюминий, медь) свариваются и без нагрева.

Возможны и комбинированные процессы, когда металл заготовок расплавляют и обжимают зону сварки.

Различают более 70 разных видов сварки: нагревать можно электрической дугой, газокислородным пламенем, лазером, прямым пропусканием тока и др. Можно по-разному защищать зону сварки от кислорода воздуха, деформировать разными способами и т. д.

Сварка применяется во всех областях техники. Сваривают не только металлы, но и стекло, пластмассу, керамику, разнородные материалы. Сварку выполняют в космосе и под водой. Основные области применения сварки: строительство, трубопроводный транспорт, машиностроение (особенно судостроение и авиастроение).

Электродуговая сварка

Это наиболее широко применяемый сегодня способ.

В 1893 г. на Всемирной выставке в США русский учёный Славянов продемонстрировал получение сваркой с помощью электрической дуги 12-тигранной призмы. Все грани её были пластинками из разных металлов и сплавов, от никеля до чугуна. Тогда это казалось чудом. Сегодня же работа сварщика в маске, с электродом в руке – это самая привычная картина на любой стройке, при ремонте различных коммуникаций.

Сварочная дуга

Сварочная дуга – это мощный стабильный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.

Обычно используют дугу прямого действия, которая горит между электродом и изделием (рис. 47). Нагрев идёт за счёт бомбардировки поверхности металла электрически заряженными частицами. Косвенная дуга горит между двумя электродами, и нагрев металла осуществляется за счёт излучения дуги.

Чаще применяют плавящиеся металлические электроды, которые формируют сварной шов; неплавящимися (угольными, вольфрамовыми) пользуются сравнительно редко, так как это усложняет технологию сварки – требуется присадочный материал.

Рис. 47. Схема сварочной дуги постоянного тока:

1 – электрод; 2 – свариваемое изделие; 3 – ванна жидкого металла; 4 – столб дуги

На рис. 47 показана схема сварки на прямой полярности: электрод подключён к отрицательному полюсу источника тока.

Дуга зажигается коротким замыканием электрода на изделие (постукивание, «чиркание»). Микровыступы на поверхности электрода и изделия нагреваются до температуры кипения, и при отводе электрода начинается термоэлектронная эмиссия, а также автоэлектронная эмиссия (отрыв электронов от атомов под действием электрического поля высокой напряжённости). В промежутке между электродом и изделием появляются свободные электроны, они ионизируют пары металла. Поток заряженных частиц растёт лавинообразно. Электроны и отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, а положительные ионы – к катоду. Поверхности изделия и электрода разогреваются, и через 10^-6 с устанавливается дуга. Температура у оси столба дуги составляет 6000-8000 K. Т. е., дуга – это низкотемпературная плазма.

Зависимость напряжения дуги от силы тока при постоянной длине дуги l называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. Это нелинейная зависимость; на кривой выделяются три участка: падающий I, жёсткий II и восходящий III (рис. 48).

Напряжение дуги пропорционально её длине, т. е. для сохранения постоянного напряжения необходимо поддерживать постоянную длину дуги.

Ручная дуговая сварка (РДС) осуществляется при падающей характеристике с переходом к жёсткой, автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДСФ) – при жёсткой с переходом к восходящей, сварка в углекислом газе – при возрастающей.

характеристика дуги источников сварочного тока

При питании дуги переменным током с частотой 50 Гц анод и катод 100 раз в секунду меняются местами. При нулевых значениях напряжения и тока дуга гаснет. Поэтому напряжение зажигания дуги на переменном токе составляет 50-70 В, тогда как на постоянном достаточно 40-60 В.