Характеристика дуговой сварки

Ис­точни­ком теп­ло­ты при ду­говой свар­ке яв­ля­ет­ся элек­три­чес­кая ду­га. В за­виси­мос­ти от чис­ла сва­роч­ных элек­тро­дов и от их под­клю­чения мож­но раз­ли­чить сле­ду­ющие схе­мы свар­ки:

• свар­ка пря­мой ду­гой (рис. 11.1, а): в элек­три­чес­кую цепь под­клю­чены элек­трод и сва­рива­емые за­готов­ки; элек­три­чес­кая ду­га 3 го­рит меж­ду элек­тро­дом 2 и сва­рива­емы­ми за­готов­ка­ми 4. Сва­роч­ный шов по­луча­ет­ся за счет плав­ле­ния элек­тро­да или при­садоч­но­го прут­ка 1. Воз­можно три под­клю­чения: свар­ка пе­ремен­ным то­ком; свар­ка пос­то­ян­ным то­ком, пря­мое вклю­чение («+» под­клю­чен к за­готов­ке); свар­ка пос­то­ян­ным то­ком, об­ратное вклю­чение («+» под­клю­чен к элек­тро­ду);
• свар­ка кос­венной ду­гой (рис. 11.1, б): элек­тро­ды 2 вклю­чены в цепь пе­ремен­но­го то­ка, ду­га 3 го­рит меж­ду элек­тро­дами;
• свар­ка трех­фазной ду­гой (рис. 11.1, в): ду­га 3 го­рит меж­ду элек­тро­дами 2 и за­готов­ка­ми 4.

Рис. 11.1.Схемы электродуговой сварки:
а — прямой дугой; б — косвенной дугой; в — трехфазная; 1 — присадочный пруток; 2 — электрод; 3 — дуга; 4 — заготовка

Элек­три­чес­кая ду­га — мощ­ный, ста­бильный раз­ряд в и­они­зиро­ван­ной ат­мосфе­ре га­зов и па­ров ме­тал­ла.

За­жига­ние ду­ги при руч­ной ду­говой свар­ке про­ис­хо­дит в три эта­па: ко­рот­кое за­мыка­ние элек­тро­да на за­готов­ку; от­вод элек­тро­да от за­готов­ки на рас­сто­яние 3…6 мм; воз­никно­вение ус­тойчи­вого ду­гово­го раз­ря­да. При ко­рот­ком за­мыка­нии ра­зог­ре­ва­ют­ся ко­нец элек­тро­да и воз­душное прос­транс­тво вок­руг не­го. Пос­ле от­во­да элек­тро­да с его ра­зог­ре­того кон­ца на­чина­ет­ся эмис­сия элек­тро­нов. Стол­кно­вение элек­тро­нов с мо­леку­лами га­за при­водит к их и­они­зации, и за­жига­ет­ся ду­га. В сва­роч­ных ав­то­матах и по­лу­ав­то­матах ду­га за­жига­ет­ся с по­мощью до­пол­ни­тельно­го вы­соко­час­тотно­го им­пульса то­ка.

Элек­три­чес­кие свойства ду­ги опи­сыва­ют­ся ста­тичес­кой вольт-ам­перной ха­рак­те­рис­ти­кой (рис. 11.2, а), по­казы­ва­ющей зо­ну ус­тойчи­вого го­рения ду­ги (заш­три­хован­ные учас­тки). Ха­рак­те­рис­ти­ка сос­то­ит из трех учас­тков: I — учас­ток круп­но­капельно­го те­чения ме­тал­ла (для свар­ки не при­меня­ет­ся); II — учас­ток мел­ко­капельно­го те­чения ме­тал­ла (при­меня­ет­ся для всех ви­дов свар­ки); III — струйное те­чение ме­тал­ла (при­меня­ет­ся для глу­бокой проп­лавки или нап­лавки ме­тал­ла сва­роч­ны­ми ав­то­мата­ми).

Рис. 11.2.Характеристики дуги и сварочного трансформатора:
а — внутренняя вольт-амперная характеристика дуги; б — внешняя вольт-амперная характеристика трансформатора; I — зона крупнокапельного переноса металла; II — зона мелкокапельного переноса металла; III — зона струйного переноса металла; 1 — характеристика дуги; 2 — полого падающая характеристика трансформатора; 3 — круто падающая характеристика трансформатора; I _св — сварочный ток; I _к.з — ток короткого замыкания; L _д — длина дуги; U _д — напряжение дуги; U _х.х — напряжение холостого хода

В ка­чес­тве ис­точни­ка сва­роч­но­го то­ка ис­пользу­ют­ся ге­нера­торы и тран­сфор­ма­торы. Сва­роч­ный ге­нера­тор име­ет низ­кий КПД и при­меня­ет­ся в ус­ло­ви­ях от­сутс­твия элек­тро­линий. Сва­роч­ные тран­сфор­ма­торы име­ют вы­сокие на­деж­ность и КПД. Рас­смот­рим его вольт-ам­перную ха­рак­те­рис­ти­ку (рис. 11.2, б). Лю­бой тран­сфор­ма­тор име­ет две ха­рак­терные точ­ки (хо­лос­то­го хо­да — U _х.х и ко­рот­ко­го за­мыка­ния — I _к.з). Ес­ли на­нес­ти на ха­рак­те­рис­ти­ку тран­сфор­ма­тора ха­рак­те­рис­ти­ку ду­ги 1, точ­ка их пе­ресе­чения даст зна­чения нап­ря­жения и то­ка ус­тойчи­вого го­рения ду­ги. Из гра­фиков вид­но, что ха­рак­те­рис­ти­ка обыч­но­го тран­сфор­ма­тора 2 (по­лого па­да­ющая ха­рак­те­рис­ти­ка) не под­хо­дит для свар­ки, так как при из­ме­нении дли­ны ду­ги рез­ко ме­ня­ет­ся ток свар­ки. Для свар­ки ис­пользу­ют­ся тран­сфор­ма­торы с кру­то па­да­ющей ха­рак­те­рис­ти­кой 3.

Эк­спе­римен­тально ус­та­нов­ле­но, что

U _д = a + b L _д; I _св = KD _э,

где U _д — нап­ря­жение ду­ги, В; I _св — сва­роч­ный ток, А; L _д — дли­на ду­ги, мм; D _э — ди­аметр элек­тро­да, D _э = 0,8…3,0 мм; для свар­ки низ­ко­уг­ле­родис­тых ста­лей a = 10 В, b = 2 В/мм, K = 30…50 А/мм.

Ручная дуговая сварка

Руч­ная ду­говая свар­ка (РДГ) вы­пол­ня­ет­ся пок­ры­тыми элек­тро­дами. Схе­ма про­цес­са РДГ по­каза­на на рис. 11.3. Ду­га 11 го­рит меж­ду стер­жнем 2 элек­тро­да и ме­тал­лом за­гото­вок 3. Тем­пе­рату­ра ду­ги — 6000…7000°С. В со­от­ветс­твии с по­ляр­ностью, на ри­сун­ке по­каза­но пря­мое вклю­чение, т. е. нап­равле­ние дви­жения элек­тро­нов 10 сов­па­да­ет с нап­равле­ни­ем сте­кания ка­пель ме­тал­ла 4. Тем­пе­рату­ра ка­тода (элек­тро­да) и ано­да сос­тавля­ет со­от­ветс­твен­но 2400 и 2600°С. Вмес­те со стер­жнем пла­вит­ся и пок­ры­тие (об­мазка) 1 элек­тро­да, об­ра­зуя за­щит­ную га­зовую ат­мосфе­ру 9 вок­руг ду­ги и жид­кую шла­ковую ван­ну 8 на по­вер­хнос­ти жид­ко­го ме­тал­ла 5. Шла­ковая ван­на и ван­на жид­ко­го ме­тал­ла об­ра­зу­ют об­щую сва­роч­ную ван­ну. По ме­ре прод­ви­жения ду­ги сва­роч­ная ван­на зат­верде­ва­ет, об­ра­зуя сва­роч­ный шов 6 и твер­дую шла­ковую кор­ку 7.

Рис. 11.3.Схема дуговой сварки:
1 — обмазка; 2 — стержень электрода; 3 — заготовка; 4 — капли металла; 5 — ванна жидкого металла; 6 — сварочный шов; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкая шлаковая ванна; 9 — защитная газовая атмосфера; 10 — электроны; 11 — дуга

При срав­ни­тельно вы­соком по­тен­ци­але и­они­зации же­леза (7,8 эВ) для ста­бильно­го го­рения ду­ги не­об­хо­димо от­но­сительно вы­сокое нап­ря­жение. Для это­го в об­мазку элек­тро­да до­бав­ля­ют и­они­зиру­ющие ве­щес­тва с низ­ким по­тен­ци­алом и­они­зации (ще­лоч­но-зе­мельные ме­тал­лы и их со­еди­нения). В жид­кой сва­роч­ной ван­не про­тека­ют ме­тал­лурги­чес­кие про­цес­сы, по­это­му для вос­ста­нов­ле­ния ок­си­дов же­леза в об­мазку элек­тро­да до­бав­ля­ют рас­кисли­тели, а для соз­да­ния за­щит­ной, вос­ста­нови­тельной ат­мосфе­ры — га­зо­об­ра­зу­ющие ком­по­нен­ты (ор­га­ничес­кие ве­щес­тва — крах­мал, дре­вес­ная му­ка и др.). Для ком­пенса­ции вы­гора­ния в сва­роч­ной ван­не ле­гиру­ющих до­бавок в об­мазку и в стер­жень до­бав­ля­ют со­от­ветс­тву­ющие ле­гиру­ющие ком­по­нен­ты. Жид­кий шлак, всплы­вая на по­вер­хность жид­ко­го ме­тал­ла, за­щища­ет его от окис­ле­ния, твер­дая шла­ковая кор­ка за­щища­ет от окис­ле­ния го­рячий шов. Для обес­пе­чения это­го эф­фекта в об­мазку до­бав­ля­ют шла­ко­об­ра­зова­тели. Ду­га при свар­ке пе­ремен­ным то­ком нес­та­бильна, так как в те­чение од­но­го пе­ри­ода нап­ря­жение дваж­ды ста­новит­ся меньше U _д. Для ста­били­зации ду­ги в об­мазку элек­тро­дов для свар­ки пе­ремен­ным то­ком до­бав­ля­ют ста­били­зато­ры ду­ги. Элек­тро­ды для свар­ки пос­то­ян­ным то­ком это­го ком­по­нен­та не име­ют, по­это­му они не при­мени­мы для свар­ки пе­ремен­ным то­ком. То­рец этих элек­тро­дов ок­ра­шива­ет­ся крас­ным цве­том. Стер­жень элек­тро­да вы­пол­нен из ка­чес­твен­ной ста­ли (со­дер­жа­ние се­ры и фос­фо­ра меньше 0,3%) и име­ет жес­ткий до­пуск по ди­амет­ру. Сва­роч­ную про­воло­ку мар­ки­ру­ют так же, как и обыч­ные ста­ли, но пос­ле сло­ва «сталь» ста­вят обоз­на­чение Св — сва­роч­ная.

Для за­щиты от воз­действия ультра­фи­оле­тово­го из­лу­чения свар­щик дол­жен быть одет в бре­зен­то­вую ро­бу, пользо­ваться бре­зен­то­выми ру­кави­цами, мас­кой со све­тофильтром, проз­рачность ко­торо­го под­би­ра­ет­ся в за­виси­мос­ти от ве­личи­ны сва­роч­но­го то­ка (табл. 11.1).