Самым распространенным способом соединения металлов является дуговая сварка плавящимся электродом (по методу Н.Г. Славянова). Этот вид сварки обладает универсальностью, может быть использован для всех видов соединений, обеспечивает высокую производительность, позволяя наиболее полно механизировать сварочные процессы. Соединения, выполненные дуговой сваркой плавящимся электродом, обладают высокими механическими свойствами.

Ручной дуговой сваркой выполняют сварные соединения стальных строительных конструкций, деталей и систем трубопроводов, а также различных конструкций санитарно-технических устройств. Этот способ позволяет выполнять сварку в нижнем, вертикальном, потолочном положениях, а также в труднодоступных местах.

При значительной протяженности швов применяют автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом, особенно при работе в стационарных условиях (завод, мастерские).

Электрошлаковым способом сваривают стальные конструкции из листов толщиной от 20 мм и более (кожухи печей, стойки каркасов мартеновских печей и др.).

Дуговая сварка в среде углекислого газа широко используется для соединений различных стальных конструкций, трубопроводов и других изделий. Аргонодуговой сваркой с успехом выполняют соединения нержавеющих и других специальных сталей, меди и алюминиевых сплавов. Этот вид сварки широко используется при соединении оцинкованных труб.

Газовая сварка используется для соединения труб, стальных элементов сравнительно небольшой толщины, цветных металлов, алюминия.

Электроконтактная стыковая и точечная сварка широко применяется при изготовлении сеток и арматурных каркасов сборных железобетонных конструкций, а также при других работах. Шовная сварка может использоваться при изготовлении газопроводов на тонколистовой стали. Сварка трением имеет частичное применение для соединения встык стержневой стали.

Холодной сваркой выполняются соединения алюминиевых и медных шин при электромонтажных работах. Ультразвуковая сварка используется для пластмассовых изделий.

Помимо перечисленных способов сварки в строительном производстве широкое применение находят различные виды термической резки металлов: кислородная, воздушно- и кислородно-дуговая, а также сжатой дугой.

Более подробно области применения различных способов и видов сварки в промышленном строительстве изложены ниже.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называют сваркой?

2. Как классифицируются процессы сварки?

3. Охарактеризуйте термический тип сваривания.

4. Охарактеризуйте механический тип сваривания.

5. Охарактеризуйте термомеханический тип сваривания.

6. Назовите области применения различных типов сварки.

7. Какой вид сварки является наиболее распространенным и отвечающим условиям качества?

8. Назовите ученых, внесших вклад в развитие и внедрение различных типов сварки.

Дополнительная литература

Л1 Е.К. Алексеев, В.И. Мельник «Сварка в промышленном строительстве», стр. 1 – 12.

Раздел I. Дуговая сварка

Тема 2. Сварочная дуга

Вопросы темы:

Условия появления и устойчивого горения сварочной дуги. Строение электрической дуги. Тепловые свойства дуги. Плавка и перенос металла в дуговой среде. Влияние магнитного поля на сварочную дугу. Борьба с отклонением дуги в магнитной среде. Магнитное дутье. Физическая суть сварочной дуги.

Электрические свойства дуги

Электрическая дуга представляет собой длительный и мощный разряд электричества, в процессе которого выделяется значительное количество тепловой и световой энергии. Обычно электрическая дуга горит в газовом пространстве между двумя электропроводными телами (электродами), находящимися на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга.

В нормальных условиях газы не пропускают электрический ток, но при наличии в них электрически заряженных частиц – электронов и ионов – становятся электропроводными.

Электрон – мельчайшая материальная частица с массой 9,1 ^.10^-31 кг, несущая один отрицательный заряд электричества.

В электрическом поле электроны и отрицательные ионы устремляются к положительному полюсу, а положительные ионы – к отрицательному. Ионизация обеспечивает необходимые условия для протекания через газ электрического тока и образования дугового разряда.

В электрической дуге постоянного тока, горящей между электродами 1 и 4 (рис. 4), различают три основных участка – катодную область 3, столб дуги 5 и анодную область 2. Дуга окружена ореолом пламени 6, представляющим собой раскаленную газообразную смесь паров электродов и продуктов их реакции с окружающей газовой средой. Часть катодной области, излучающей электроны, называют катодным пятном. Плотность тока в нем очень высокая. Анодная область, расположенная у положительного электрода, бомбардируется электронами и отрицательными ионами; при этом происходит превращение энергии их движения в тепловую энергию.

Для начала процесса ионизации и возникновения дугового разряда необходимо поступление в газовую среду свободных электронов от внешнего источника. При сварке таким источником обычно является поверхность отрицательного электрода (катода).

Выход первичных электродов с поверхности катода обусловливается в основном термоэлектронной и автоэлектродной эмиссиями. Физическая сущность термоэлектронной эмиссии электронов заключается в том, что металл, нагретый до высокой температуры, приобретает способность излучать свободные электроны в окружающее пространство. Автоэлектронная эмиссия происходит за счет высокой напряженности электрического поля и не зависит от температуры нагрева катода.

Для зажигания дуги обычно пользуются термоэлектронной эмиссией, которая возникает при замыкании электродом сварочной цепи. Замыкание всегда происходит посредством микроскопических выступов, существующих на поверхности свариваемого металла и электрода. Большая плотность тока, приходящаяся на эти выступы, приводит к быстрому их нагреву до высокой температуры и возникновению мощной эмиссии электронов.

При последующем удалении конца электрода с поверхности изделия (на расстояние 3 – 5 мм) этот поток электронов вызывает ионизацию газа в межэлектродном пространстве и возникновение дугового разряда. Во время горения дуги электропроводность газа увеличивается за счет паров металла электродов, нагрева газа, автоэлектронной эмиссии и других процессов.

Изменение электропроводности межэлектродного пространства оказывает решающее влияние на величину тока и напряжение электрической дуги.

Зависимость между напряжением дуги U_Д и величиной тока l_св, выраженную графически, при постоянной длине дуги называют статической, или вольт-амперной, характеристикой дуги.

Статические характеристики бывают падающие, жесткие и возрастающие.

Статическая характеристика называется падающей (или отрицательной), если по мере нарастания тока l_св напряжение U_Д уменьшается. На рис. 5 представлены падающие вольт-амперные характеристики дуги длиной l = 2 и l = 5 мм. Как видно из рисунка (кривые a₁ и a₂), напряжение на дуге резко падает с возрастанием тока l_св до 60 – 80 А, а при дальнейшем увеличении тока остается примерно постоянным.

Для ионизации газа в межэлектродном пространстве в момент зажигания дуги требуется напряжение 30 – 60 В. При установившемся режиме горения дуги напряжение требуется в 1,5 – 2 раза меньшее.

Напряжение дуги при установившемся режиме не зависит от силы тока, а зависит только от длины дуги, которая при сварке плавящимся электродом может многократно меняться, что связано в значительной степени с процессами плавления и переноса металла.

Дуги с жесткой и возрастающей статической характеристикой имеют широкое применение в сварочной технике и, в частности, при автоматической и полуавтоматической сварке в защитном газе.

По сравнению с рассмотренной выше дугой постоянного тока электрический режим дуги переменного тока обладает рядом существенных особенностей.

При перемене полярности в начале и конце полупериода, когда ток достигает нулевого значения, дуга угасает и температура катодного и анодного пятен снижается, что приводит к уменьшению электропроводности межэлектродного пространства.

Когда напряжение на дуговом промежутке меняет полярность, происходит встречное движение ранее создавшихся и вновь образующихся ионов, что вызывает дополнительную деионизацию газов в столбе дуги. Повторное зажигание дуги в результате этого происходит при пиковом значении напряжения, которое выше напряжения стационарного горения дуги.

Тепловые свойства

Электрическая дуга, горящая в атмосфере (открытая дуга), является мощным и концентрированным источником тепла. Количество выделяемого тепла и температура на различных участках дуги не одинаковы и являются наибольшими в анодной ( + ) области (рис. 8).

При использовании угольного электрода и постоянного тока в катодной области ( – ) выделяется 36 – 38 % тепла q и температура Т достигает 3200⁰ С. В анодной области выделяется 42 – 43 % тепла и температура ее близка 3900⁰ С. Температура столба дуги в средней зоне составляет порядка 6000⁰ С. При металлическом электроде температура в катодной области составляет около 2400, а в анодной – около 2600⁰ С.

Неравномерным распределением тепла в дуге постоянного тока пользуются для регулирования скорости плавления основного или электродного металла, подсоединяя их соответственно к катоду ( – ) или аноду ( + ) сварочной цепи.

При питании дуги переменным током распределение ее тепла и температуры в граничных участках электродов выравнивается в связи с периодической сменой местоположения катодной и анодной областей и примерно равно их среднему арифметическому значению.

Основными тепловыми характеристиками сварочной дуги является тепловая мощность и погонная энергия.

Полная тепловая мощность свободно горящей дуги q₀, т.е. количество тепла, выделяемое дугой, приравнивается к тепловому эквиваленту ее электрической мощности и может быть определена по формуле

,

где l – сила тока, А;

U_Д – напряжение дуги, В.

Эффективная тепловая мощность q сварочной дуги, т.е. количество теплоты, вводимое дугой в свариваемый металл в единицу времени, меньше полной тепловой мощности в связи с расходом тепла дуги на нагрев электрода, теплоотдачу в окружающую среду и потери на разбрызгивание электродного материала.

Эффективная тепловая мощность дуги, от которой зависит производительность сварки, определяется по формуле

,

где – эффективный КПД нагрева металла дугой, зависящий от способа сварки, материала электродов, состава покрытия и других факторов. Например, при сварке тонкопокрытыми электродами и в среде защитных газов (аргона) = 0,5 – 0,6; при сварке толстопокрытыми электродами = 0,7 – 0,85; при сварке под флюсом = 0,8 – 0,95.

Погонной энергией дуги называют количество теплоты, вводимое в 1 см длины однопроходного шва или валика.

Погонная энергия определяется отношением эффективной тепловой мощности дуги q к скорости перемещения дуги v, см/с

Погонная энергия является основным показателем для выбора режима сварки.

При дуговой сварке плавящимся электродом и постоянном сечении однопроходного шва или валика многопроходного шва погонная энергия пропорциональна поперечному сечению однопроходного шва или валика.

Особенности сжатой дуги. Для концентрации тепла дуги и повышения ее температуры столб дуги сжимают с помощью специальной конструкции сопла плазменной горелки или потока газа. В этом случае уменьшается площадь поперечного сечения столба дуги, а температура дуговой плазмы повышается за счет увеличения числа упругих соударений частиц (электронов, ионов и др.). Сжатая дуга применяется для плазменной сварки и резки металлов.