16.3. Электрическая дуговая сварка

Важнейшим промышленным видом сварки металлов в настоящее время является электрическая дуговая сварка. Она используется для получения неразъемных соединений черных и цветных металлов. При этом виде сварки кромки деталей и конец электрода разогреваются до плавления электрической дугой (рис.64).

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 возникает режим короткого замыкания, а после отвода электрода от изделия на 3…4 мм зажигается дуга. При установившемся режиме дуга устойчиво горит между стержнем электрода 1 и основным металлом 6 (рис.64). Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 2, образуя газовую или газошлаковую защиту вокруг дуги и сварочной ванны, которая изолирует их от вредного воздействия кислорода и азота воздуха. По мере движения дуги происходит кристаллизация сварочной ванны и образование сварного шва 4. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва шлаковую корку 5.

Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые и некоторые низко- и среднелегированные стали. Плохо свариваются чугуны, алюминиевые сплавы, тугоплавкие металлы. Наиболее трудно свариваются разнородные материалы, для чего используются специальные технологические приемы и методы сварки.

Дуговая сварка может быть либо на постоянном, либо на переменном токе. На постоянном токе дуга горит более устойчиво, поэтому процесс можно вести на более малых токах, что благоприятно сказывается на производительности труда и качестве шва. Однако в этом случае требуется более дорогое (в два-три раза) оборудование (необходимы специальные выпрямители). Кроме того, удельный расход электроэнергии (на 1 кг наплавленного металла или на единицу длины шва) в 1,5…2,0 раза выше. Исходя из этих причин в машиностроении дуговая электросварка более чем на 80% осуществляется с использованием переменного тока. Питание сварочных постов переменным током осуществляется от специальных трансформаторов, позволяющих устанавливать оптимальную силу тока при заданном напряжении дуги.

Наиболее универсальным методом сварки является ручная дуговая сварка. Обычно она применяется при сварке стальных деталей толщиной от 2 мм и выше.

Пост для ручной дуговой сварки состоит из сварочного трансформатора 3 и последовательно включенного в сварочную цепь дросселя 2 (рис.65). Трансформатор понижает высокое сетевое напряжение (220 или 380 В) до напряжения, необходимого для зажигания дуги (60…65 В). Дроссель стабилизирует горение сварочной дуги и ограничивает ток короткого замыкания. Кроме того, с помощью дросселя можно регулировать силу сварочного тока.

Дроссель представляет собой катушку со стальным сердечником и в сущности является индуктивным сопротивлением. При горении дуги по катушке дросселя проходит ток, вызывая в магнитопроводе магнитный поток. Последний индуцирует в этой же катушке э.д.с. самоиндукции, которая частично гасит приложенное напряжение. При коротком замыкании сила тока значительно возрастает, возрастает и магнитный поток, который обусловливает значительное увеличение э.д.с. самоиндукции. Вследствие этого ограничивается ток короткого замыкания, поскольку ток самоиндукции направлен против основного тока.

Технологическими параметрами режима сварки являются сила сварочного тока, напряжение и скорость процесса. Сила тока согласуется с толщиной свариваемых деталей и выбирается в зависимости от типа и толщины электрода. Обычно она не превышает 150…250 А. Рабочее напряжение при установившейся дуге обычно не превышает 18…25 В, хотя для зажигания дуги требуется напряжение 45…50 В. Следствием неправильно выбранного режима могут быть различные дефекты сварных швов – непровары, трещины, шлаковые включения, поры, пережог и др. Силу сварочного тока регулируют изменением воздушного зазора S в магнитопроводе дросселя (рис. 65). При максимальном зазоре 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 в 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 повышением толщины свариваемого металла диаметр электродов увеличивают. Например, при сварке металлов толщиной 5…10 мм используются электроды 4…5 мм.

Стальные электроды для ручной дуговой сварки покрывают специальными обмазками для обеспечения более устойчивого горения дуги и повышения качества сварного шва. Электродные обмазки применяются двух видов – тонкие и толстые. Тонкие обмазки (обычно мел и жидкое стекло) используются 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 состав таких покрытий входят шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, ионизирующие и связующие компоненты.

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

Сварочный пост образуется, 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, электрододержатель, гибкий кабель для подвода тока, электроды и др. Сварщик обеспечивается спецодеждой и спецобувью, а также предохранительным щитком или шлемом со специальными светофильтрами для защиты глаз и лица от ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, излучаемых электрической дугой.

Ручная дуговая сварка достаточно трудоемка, требует высококвалифицированных рабочих-сварщиков, качество шва во многом зависит от индивидуальных способностей сварщика. Скорость ручной дуговой сварки не превышает 1,6 м/ч.

Автоматическая сварка. Автоматизация и механизация процесса дуговой сварки является одной из важнейших задач сварочной техники.

При автоматической сварке обеспечивается автоматическое зажигание дуги и 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.66). 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 образования металла шлаковая корка легко удаляется после сварки. Благодаря такой защите снижаются потери тепла на излучение, уменьшается угар и разбрызгивание металла, снижаются термические напряжения. Кроме того, флюс защищает дугу и сварочную ванну от атмосферного влияния и обеспечивает хорошее формирование шва. При автоматической сварке под слоем флюса производительность повышается в 5…10 раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.

Автоматическую сварку под флюсом проводят автоматическими сварочными аппаратами (рис.67), перемещающимися непосредственно по изделию. Сварочная головка 5 автомата подает в зону горения дуги 1 электродную проволоку 4 из кассеты 3. сварочная дуга образуется между основным металлом и электродной проволокой. По мере образования сварного шва головка автоматически перемещается вдоль стыка свариваемых изделий. Гранулированный флюс из бункера 2 непрерывно засыпается перед дугой в разделку шва.

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. Сыпучий флюс, оставшийся поверх корки, отсасывается обратно в бункер через сопло и трубку 6. В результате горение дуги происходит в газовом пузыре, окруженном пленкой жидкого шлака, защищающей зону сварки от воздействия воздуха.

Автоматическую сварку под флюсом применяют преимущественно для сварки в нижнем положении прямолинейных и кольцевых швов. При этом толщина свариваемых металлов составляет от 2 до 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 шва, надлежащий химический состав, достаточные механические свойства сварного шва. При плавлении флюса не должны выделяться в большом количестве вредные газы и дым. Для сварки низкоуглеродистых сталей, например, применяют флюсы, содержащие марганцевую руду, плавиковый шпат, кварцевый песок и ферросилиций. Иногда в состав флюсов для улучшения их технологических свойств добавляют фтористый кальций CaF2 .

Дуговая сварка в защитных газах. Для защиты металла от воздействия кислорода и азота воздуха достаточно часто применяют газовую защиту вокруг дуги и расплавленного металла. В качестве защитных газов используют аргон, гелий или углекислый газ. Эти способы обеспечивают лучшее, чем при сварке с использованием флюсов, качество сварных швов при сварке на открытом воздухе.

Аргон и гелий являются инертными газами, с расплавленным металлом они химически не взаимодействуют и не растворяются в нем. Их используют для сварки химически активных металлов (титана, алюминия, магния и др.), а также при сварке высоколегированных сталей. Сварку в углекислом газе широко используют для соединения заготовок из конструкционных углеродистых сталей. В отдельных случаях используют смеси газов, которые обеспечивают лучшие технологические свойства.

Защитные газы обычно поставляют в баллонах вместимостью 40л под давлением 15МПа (аргон и гелий) или 6…7 МПа (углекислый газ).

Наибольшее промышленное применение имеет аргонно-дуговая сварка. Эта сварка выполняется обычно неплавящимся вольфрамовым электродом 3, установленным в специальной горелке (рис. 68). Через горелку пропускают аргон (или гелий), который создает вокруг зоны сварки защитную оболочку из инертного газа. Возбуждение дуги происходит между электродом и свариваемым изделием. Для заполнения жидким металлом ванны в зону сварки вводят присадочный пруток 2, химический состав которого близок к составу основного металла. 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 3мм допускается сила тока при прямой полярности 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.

Аргонно-дуговая сварка применяется для сварки высоколегированных сталей, а также титана, алюминия, меди, никеля и их сплавов. 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.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008