Чем определяется мощность сварочной дуги ответ

Билеты экзамена для проверки знаний специалистов сварочного производства 1 уровень

Билеты общего экзамена для проверки знаний специалистов сварочного производства УРОВЕНЬ I (РДС)

Ответы на вопросы выделены желтым цветом

Ответы на вопросы для экзамена по охране труда вы можете посмотреть здесь: «Ответы на билеты по охране труда»

БИЛЕТ 1

ВОПРОС 1. Какие признаки наиболее правильно отражает сущность ручной электродуговой сварки штучными электродами (РДС)?

1. Расплавление металлического стержня ограниченной длины и основного металла производится электрической дугой с защитой расплавленных металлов от воздействия атмосферы.

2. Защита дуги и сварочной ванны газом от расплавления покрытия электрода.

3. Расплавление основного металла от теплового воздействия электрической дуги, стержня и покрытия электрода.

ВОПРОС 2. К какой группе сталей относятся сварочные проволоки марок Св-08А, Св-08АА, Св-08ГА, Св-10ГА?

ВОПРОС 3. Укажите, какое влияние оказывает увеличение тока при ручной дуговой сварке на геометрические размеры шва?

1. Увеличивается глубина провара и высота усиления шва.

2. Глубина провара увеличивается, а высота усиления шва уменьшается.

ВОПРОС 4. Какое определение сварочной дуги наиболее правильно?

1. Электрический дуговой разряд в месте разрыва цепи.

2. Электрический дуговой разряд в межэлектродном пространстве в частично ионизированной смеси паров металла, газа, компонентов электродов, покрытий, флюсов.

3. Электрический дуговой разряд в смеси атомов и молекул воздуха.

ВОПРОС 5. Какими параметрами режима определяется мощность сварочной дуги?

1. Сопротивлением электрической цепи.

2. Величиной напряжения дуги.

3. Величиной сварочного тока и напряжения дуги.

ВОПРОС 6. Какой должна быть величина тока при дуговой сварке в потолочном положении по сравнению с величиной тока при сварке в нижнем положении?

1. Величина тока при сварке в потолочном положении должна быть меньше, чем при сварке в нижнем положении.

2. Величина тока при сварке в потолочном положении должна быть больше, чем при сварке в нижнем положении.

3. Величина тока не зависит от положения сварки в пространстве.

ВОПРОС 7. Какие требования предъявляются к сварочных материалов при входном контроле?

1. Наличие сертификата: полнота и правильность приведенных в нем данных, наличие на каждом упаковочном месте этикеток с контролем данных, приведенных в них, состояние материалов и упаковок.

2. Наличие сертификата: полнота и правильность приведенных в нем данных.

3. Требования к контролю устанавливается в каждом отдельном случае в зависимости от требований Заказчика.

ВОПРОС 8. Для какого класса сталей применяют при сварке электроды типов Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А?

1. Для сварки теплоустойчивых низколегированных сталей.

2. Для сварки углеродистых сталей.

3. Для сварки сталей аустенитного класса.

ВОПРОС 9. Укажите назначение электродного покрытия

1. Упрощает возбуждение дуги, увеличивает коэффициент расплавления металла электродного стержня и глубину проплавления.

2. Защищает металл стержня электрода от окисления, улучшает санитарно-гигиенические условия работы сварщика.

3. Повышает устойчивость горения дуги, образует комбинированную газошлаковую защиту расплавленного электродного металла и сварочной ванны, легирует и рафинирует металл шва и улучшает его формирование.

ВОПРОС 10. Какие род тока и полярность рекомендуются применять при ручной дуговой сварке конструкций из низкоуглеродистой стали электродами с основным покрытием?

2. Постоянный ток обратной полярности.

3. Постоянный ток прямой полярности.

ВОПРОС 11. Что понимают под магнитным дутьем дуги?

1. Отклонение дуги от оси шва под действием магнитного поля или воздействия больших ферромагнитных масс.

2. Периодическое прерывание дуги.

3. Колебания капли электродного металла при сварке длинной дугой.

ВОПРОС 12. Какую вольтамперную характеристику должен иметь сварочный источники питания для ручной дуговой сварки?

1. Жесткую или полого падающую.

ВОПРОС 13. Электроды каких марок, имеют рутиловое покрытие?

ВОПРОС 14. Какие дефекты образуются при сварке длинной дугой электродами с основным покрытием?

2. Шлаковые включения.

3. Закалочные трещины.

ВОПРОС 15. Какой дефект преимущественно может образоваться при быстром удалении электрода от деталей?

1. Кратерные трещины

ВОПРОС 16. Укажите наиболее правильное определение понятия свариваемости?

1. Технологическое свойство металлов или их сочетаний образовывать в процессе сварки соединения, обеспечивающие прочность и пластичность на уровне основных материалов.

2. Металлургическое свойство металлов, обеспечивающее возможность получения сварного соединения с общими границами зерен околошовной зоны и литого шва.

3. Технологическое свойство металлов или их сочетаний образовывать в процессе сварки соединения, отвечающие конструктивным и эксплуатационным требованиям к ним.

ВОПРОС 17. Что может способствовать образованию прожога при сварке?

1. Малая величина притупления кромок деталей с V — образной разделкой.

2. Отсутствие зазора в собранном под сварку стыке.

3. Сварка длинной дугой.

ВОПРОС 18. Укажите следует ли удалять прихватки, имеющие недопустимые наружные дефекты (трещины, наружные поры и т.д.) по результатам визуального контроля?

2. Не следует, если при сварке прихватка будет полностью переварена.

3. Следует удалять только в случае обнаружения в прихватке трещины.

ВОПРОС 19. Какое должно быть напряжение светильников при производстве работ внутри сосуда?

ВОПРОС 20. Как обозначается сварное соединение на чертеже?

1. Обозначается тип соединения, метод сборки и способ сварки, методы контроля.

2. Указывается ГОСТ, тип соединения, метод и способ сварки, катет шва, длина или шаг, особые обозначения.

3. Указывается метод и способ сварки, длина или шаг, сварочный материал, методы и объем контроля.

Для перехода на следующую страницу, воспользуйтесь постраничной навигацией ниже

Источник

Чем определяется мощность сварочной дуги

Дуга, ее тепловая мощность

Дуга, ее тепловая мощность

В тепловую энергию электрической дуги преобразуется энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод.

Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле:

где: lсв – сварочный ток, А;

Uд – напряжение дуги, В;

t – время горения дуги, с.

При этом не вся теплота дуги затрачивается на расплавление металла, другими словами – на саму сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т. п.

Термином «тепловой баланс дуги» определяют характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода.

Наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода (42–43 %) при питании дуги постоянным током. Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

В столбе дуги среднее значение температуры составляет 600 °C. При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200 °C, в анодной – 3900 °C. При сварке металлическим электродом температура анодной зоны составляет около 2600 °C, а катодной – 2400 °C.

При решении технологических задач используются разная температура катодной и анодной зон и разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах. Прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (минусовая клемма источника тока) – к электроду, применяют при сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок.

Сварку постоянным током обратной полярности применяют при сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.). В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод – к электроду. При этом не только обеспечивается относительно меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Полярность клемм источника постоянного тока может быть определена с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрицательного провода будет происходить бурное выделение пузырьков водорода.

Различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодической смены катодного и анодного пятен с частотой, равной частоте тока при питании дуги переменным током.

Практика показывает, что в среднем при ручной сварке только 60–70 % теплоты дуги расходуется на нагревание и плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается в окружающую среду через излучение и конвекцию.

Эффективной тепловой мощностью дуги называется количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени. Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент полезного действия зависит от способа варки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом он составляет 0,5–0,6, а при качественных электродах – 0,7–0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и составляют 0,5–0,6.

Наиболее полно теплота используется при сварке под флюсом.

Для характеристики теплового режима процесса сварки принято определять погонную энергию дуги, иначе говоря, количество теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроходного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна отношению эффективной тепловой мощности к скорости сварки. Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют примерно 25 %, из которых 20 % уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5 % – на угар и разбрызгивание свариваемого металла. Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только 17 %, из которых 16 % расходуется на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание затрачивается около 1 % теплоты.

Эффективной тепловой мощностью дуги q (Дж/с) называют часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов. Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением:

Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов.

Данные значений для различных способов сварки приведены в таблице.

Эти данные показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом.

Определение мощности при дуговой сварке

Определите мощность при дуговой сварке, если плотность металла шва j = 7,8 г/см3, длинна сварочной ванны L = 10 см, количество жидкого металла в сварочной ванне Gв = 100 г, температура плавления металла Тпл = 18000 К, среднее время пребывания металла в жидком состоянии tср = 20 с, теплопроводность λ = 100 Дж/см∙с∙К, площадь поперечного сечения металла шва Fоб = 0,1 см.

1. Определим количество металла переплавленного дугой:

g = Gв/ tср = 100/20 = 5 г/с;

2. Найдем скорость сварки:

V = g/ Fоб∙ j = 5/0,1∙7,8 = 6,4 см/с;

3. Определение времени сварки:

tmax = L/V = 5/0,1∙7,8 = 6,4 см/с;

q = tmax∙(2∙π∙λ∙V∙Тпл) = 1,56∙(2∙3,14∙100∙6,4∙1800) = 20835 кВт.

Ответ: мощность дуги q = 20835 кВт.

Задачи для решения

1. Определить время горения дуги при электрической дуговой сварке, если известно, что коэффициент плавления αп = 10 г/ч, удельная масса наплавленного металла (стали) 7,85 г/см3, скорость сварки υ = 7,5 м/ч и количество расплавленного металла за единицу времени 1800 г/ч. Сварка осуществляется способом, показанным на рисунке.

2. Найти эффективный КПД процесса нагрева металла сварочной дугой, если известно, что сечение электрода S = 20 мм2, сопротивление дуги Rд = 5 Ом, эффективная тепловая мощность qи = 20 ккал/сек. Табличный коэффициент κ = 5.

3. Определить снижение напряжения, для расчета дуги плавильного плазматрона, горящей в среде аргона при атмосферном давлении. Ток I = 1000 А, сумма приэлектродных падений напряжений Uэл = 10 В, средняя температура газа, окружающего дугу в печном пространстве t = 1500 К. Радиус дуги в цилиндрической части r0 = 0,02 м, длина дуги l = 0,3 м.

4.Определить напряжение дуги при сварке меди и скорость сварки под флюсом расщепленным электродом, если диаметр электрода 2,2 м.

5.Определить скорость электродуговой сварки, если известно: коэффициент плавления αп = 10 г/ч, удельная масса наплавляемого металла (стали) γ = 7,85 г/см3, количество расплавленного металла за единицу времени G = 1800 г/ч, время сварки τ = 1 ч.

6.Найти ориентировочное значение напряжения на дуге Uд, если известно, что сварка латуни толщиной 1,2 см. и длинной электродов 2 м.

8.Определить глубину проплавления сварочной ванны при дуговой сварке, если известно, чтокоэффициент, зависящий от рода тока KI = 0,5, толщина стали S = 12 мм.

9.Определить скорость автоматической сварки и глубину проплава основного металла, если сечение электрода S = 12,56 мм2, к = 120, δ = 10 мм.

11. Определить полную мощность сварочного трансформатора Рполн, если известно: Рк = 35 МВА, к = 0,8 – коэффициент, cosφ = 0,85, ηэл = 0,9 – коэффициент полезного действия электрода, К = 2 – коэффициент, учитывающий поверхностный эффект, ρ = 10 Ом∙мм2/м – удельное сопротивление электрода при температуре 5000 С.

13. Определить производительность дуговой сварки hн, если известно: αн = 2,5 г/А∙ч – коэффициент наплавки, t = 0,5 часа – время горения дуги, m = 7 – коэффициент растворимости, n = 3 – коэффициент, характеризующий полезные затраты энергии, d = 6 мм – диаметр электрода, напряжение дуги Uд = 20 В, qн = 375 кал – энергия наплавки.

Дуговая сварка

ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМУ ВАННЫ И РАЗМЕРЫ ШВОВ

К основным параметрам дуговой сварки относятся сила тока дуги Iдуги, напряжение дуги Uдуги и скорость сварки vсв. Полная мощность сварочной дуги Q определяется по формуле

Тепловложение на единицу длины шва определяется погонной энергией (qoηи/Vсв) и условиями сварки оказывающими влияние на ηи. Величина ηи в зависимости от условий сварки может меняться от 0,3 до 0,95. Сила тока дуги в наибольшей степени определяет тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с уве­личением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура плазмы столба дуги, стабилизируется положение активных пятен на электроде и изделии. С увеличением силы тока дуги возрастает длина сва­рочной ванны, ее ширина и глубина проплавления. Особенно интенсивно растет глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточенности энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на ванну, которое пропорционально квадрату силы свароч­ного тока. В определенных пределах изменения силы тока глу­бина проплавления ванны приближенно может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

E = k·Iдуги·Uдуги / vсв·s

При постоянной силе сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления ванны. По-видимому, это обусловлено некоторым снижением эффектив­ного к. п. д. дуги и большими возможностями для блуждания активного пятна по поверхности сварочной ванны.

Рис. 1. Схема сварки погруженной дугой.

Путем медленного уменьшения длины дуги и, соответственно, напряжения дуги можно перейти к сварке погруженной дугой (Рис.1). При постоянной погонной энер­гии повышение скорости сварки вызывает увеличение термичес­кого к. п. д. процесса, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию глубины проплавления и уменьшению ширины шва. Изменение скорос­ти сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно ска­зывается на размерах сварочной ванны и шва. Это можно видеть из уравнений для определения ширины е и длины L сварочной ванны:

L = k (Uдуги Iдуги)2 / (vсв s2).

При постоянной силе сварочного тока диаметр элек­трода определяет плотность энергии в пятне нагрева и по­движность дуги. В связи с этим при увеличении диаметра элек­трода уменьшается давление дуги на расплав, снижается глубина проплавления ванны и возрастает ее ширина. Дополнительные параметры связаны с условиями ведения процесса сварки и особенностями горения дуги. Так, при одной и той же погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать колебания электрода и др. Эти особенности процесса также сказываются на формировании ванны и конечных размерах швов. В зависимости от рода тока и полярности на изделии выделяется различное количество теплоты. Если теплоту, выде­ляющуюся на аноде Wa и катоде Wк приближенно оценивать по эффективному падению напряжений, то получим зависимости

Изменяя угол наклона электрода в плоскости продоль­ной оси шва, можно существенно влиять на размеры сварочной ванны и шва (рис. 3). При а 90° сварку выполняют углом назад. Давление дуги способствует интенсивному вытеснению распла­вленного металла из головной части ванны в хвостовую. Глубина проплавления возрастает.

СВАРКА ПЛАВЯЩИМСЯ И НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ Скорость плавления электрода жестко связана со сварочным током. При сварке различных видов сварных соединений и типов швов требуется неодинаковая скорость плавле­ния электрода. В одних случаях она должна быть минимальной, в других, наоборот, максимальной. При сварке стыковых соединений без разделки кромок и без зазора расплавленный металл электрода образует выпуклость шва. По мере увеличения толщины свариваемых элементов для полного их проплавления необходимо увеличение силы тока дуги. Одновременно с этим увеличивается и количество расплавляюще­гося электрода металла. В результате образуются швы с чрез­мерно большой выпуклостью. Для получения швов с нормальной выпуклостью следует искать пути снижения скорости плавления электрода или прибегать к разделке кромок, сварке с увеличенным фиксированным зазором и другим приемам. При выполнении стыковых соединений с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов желательно увеличивать ско­рость плавления электрода, поскольку в этих случаях производи­тельность процесса в, значительной мере определяется количе­ством электродного металла, расплавляющегося в единицу вре­мени, необходимого для заполнения разделки или формирования угловых швов с заданным катетом. На практике в качестве характеристики используют среднюю скорость плавления электрода, определяющуюся количеством расплавленного металла:

Количество наплавленного металла или средняя скорость наплавки

Коэффициенты расплавления электрода и наплавки зависят от способа сварки и плотности тока на электроде. Для небольших плотностей тока при ручной дуговой сварке сталей их значение не превышает 7-10 г/(А. ч). С увеличением плотности тока значе­ние коэффициентов возрастает до 17 г/(А. ч) и более. Разница коэффициентов αр и αн определяется потерями электродного металла на разбрызгивание, испарение и т. п.:

Для различных способов дуговой сварки потери составляют 1-15 %. С увеличением сварочного тока потери на разбрызгива­ние во многих случаях возрастают.

СПОСОБЫ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

В последние годы предложены способы дуговой сварки в вакууме. В процессе сварки осуществляется непрерывная откачка камеры, и дуга горит в атмосфере паров, образующихся при расплавлении металла. При сварке в разреженном пространстве существенно меняются условия плавления основного и присадочного металлов и улучшается дегазация ванны. Получает широкое распространение способ сварки в вакууме сжатой дугой сплошным и полым вольфрамовым элек­тродами.

При дуговой сварке применяют два способа газовой защиты: струйную местную и общую в камерах.

Струйная защита относится к наиболее распространенному способу местной защиты при сварке. Качество струйной защиты зависит от конструкции и размеров сопла, расхода защитного газа и расстояния от среза сопла до поверхности свариваемого материала. Характер истечения защитного газа из сопла горелки показан на рис. 7. Только в потенциальном ядре скорость исте­чения защитного газа и его состав остаются постоянными и рав­ными их значениям на срезе сопла:W = W0 и С = С0

Защитные свойства струи могут быть оценены длиной началь­ного участка Н. Чем больше этот участок, тем легче осуществлять защиту металла при сварке. Максимальная длина начального участка наблюдается при ламинарном истечении газа. К этому и следует стремиться при выборе конфигурации сопла, его размеров и расхода защитного газа. Наиболее полно оценить за­щитные свойства струи можно по диаметру защитного пятна d3 на поверхности свариваемых элемен­тов. Размеры пятна зависят не только от характера истечения струи. Большое влияние оказы­вает диаметр сопла dc и расстояние от среза сопла h до свариваемой поверхности. На практике применяют три вида сопл: конические, цилиндри­ческие и профилированные (рис. 8). Лучшая защита обеспечи­вается при применении профили­рованных сопел. Расход защитного газа выби­рают оптимальным для обеспече­ния истечения струи, близкого к ламинарному. Для улучшения струйной защиты на входе в сопло устанавливают мелкие металли­ческие сетки, пористые материалы и т. п. Перспективно примене­ние сопла, обеспечивающего кольцевую защиту (разработанного в МАТИ).

При сварке со струйной защитой возможен подсос воздуха в ре­акционную зону. Поэтому с точки зрения защиты ванны ее нельзя признать совершенной. Для улучшения защиты в ряде случаев, особенно при сварке активных металлов, применяют местные ка­меры (рис. 9). Общая защита в герметичных камерах обеспечивает наиболее высокую степень защиты металла в процессе сварки. Это необ­ходимо при сварке особо активных металлов и сплавов (например, титана, циркония, молибдена, тантала, ниобия и сплавов на их основе).

Сварку в камерах чаще всего выполняют неплавящимся элект­родом вручную или автоматически, реже автоматически плавящимся электродом. Для заполнения камер в большинстве случаев используют аргон и гелий высокой частоты. В камере поддержива­ется небольшое (0,005-0,01 МПа) избыточное давление газов.

В настоящее время ведутся работы по сварке в камерах при повышенном давлении. Применение высокого давления позволяет сжимать дугу и увеличи­вать концентрацию энергии в пятне нагрева. Сокращается выделение газов из расплавленного металла. Это предупреждает возникновение пористости при сварке металлов, содержащих повышенное количество растворенных газов.

Способы сварки свободногорящей дугой в непрерыв­ном режиме в настоящее время имеют наибольшее применение. Процесс ведут с местной и общей защитой вручную или автомати­чески, одной дугой или трехфазной.

Ручную дуговую сварку вольфрамовым электродом при непре­рывном режиме горения дуги применяют главным образом для соединения металла относительно небольшой толщины (1-5 мм) при небольшой протяженности швов, расположенных в трудно­доступных местах. Иногда этот процесс используют при много­слойной сварке изделий с большим сечением.

Конструкции, имеющие протяженные швы при толщине соеди­няемых элементов 1-5 мм, изготовляют автоматической сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом с автоматической пода­чей присадочного металла в зону дуги.

Сварку вольфрамовым электродом необходимо выполнять при определенном ориентировании электрода и присадочной проволоки относительно стыка. Наиболее предпочтительно расположение электрода углом вперед (а = 754-85°). Сварочная проволока по­дается в головную часть ванны под небольшим углом к поверх­ности свариваемых кромок (5-12°). Необходимо предусматривать скольжение торца проволоки по кромкам свариваемого стыка. Угол между присадочной проволокой и вольфрамовым электродом должен быть близким к прямому (рис. 10.).

Сварка плавящимся электродом. Механизированную и авто­матическую сварку выполняют в основном при непрерывном го­рении дуги. При импульсном горении появляется дополнительная возможность управления процессом плавления и переноса элект­родного металла. В этом случае используют тот же принцип пи­тания дуги, что и при сварке вольфрамовым электродом. От источника небольшой мощности питается дежурная дуга, форми­рующая каплю на электроде, которая сбрасывается в момент по­дачи импульса тока большой величины.

При сварке плавяшимся электродом используют инерт­ные и активные газы: в основном аргон, углекислый газ и их смеси. Способ сварки с защитой инертными газами получил широкое применение для сварки сталей, алюминия, титана, их сплавов и других металлов. При сварке сталей в основном исполь­зуют аргон с добавками углекислого газа или кислорода (1-5 %). Введение активных газов стабилизирует горение дуги, снижает разбрызгивание. Наряду с этим окислительная среда повы­шает стойкость швов к водородной пористости.

При сварке в атмосфере угекислого газа происхо­дит окисление металла и потеря легирующих элементов. Для компенсации этих потерь сварку ведут специальной проволокой. Защитное действие углекислого газа сводится к изоляции реакци­онной зоны дуги от взаимодействия с воздухом и в конечном счете рассчитано на защиту металла ванны от проникания азота. Степень защиты и раскисления металла при сварке в углекислом газе мо­жет быть повышена применением порошковой проволоки и маг­нитного флюса.

Наряду с С02 возможно использование смесей газов С02 + + Аг; С02 + 02 и др.

Защитные газы, применяемые при сварке различных металлов и сплавов.

Основными защитными газами, применяемыми для дуговой сварки, являются:

аргон;двуокись углерода;гелий;аргон-гелий (Ar-He);двуокись углерода-гелий-аргон (CO2+He+Ar);аргон-кислород (Ar+O2);аргон-двуокись углерода (Ar+CO2);двуокись углерода-кислород-аргон (CO2+O2+Ar);

двуокись углерода-азот-аргон (CO2+N2+Ar).

Сварочная дуга

В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными, вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами. Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность использования дуги при сварке.

Однако при сварке, исходя из правил техники безопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому применяют другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из объема металла в газовую среду и затем использовать для ионизации молекул газа. Существует несколько способ извлечения электронов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значения два: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии. Во время термоэлектронной эмиссии происходит « испарение» свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энергии, достаточные для преодоления потенциального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. Во время автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые внутри металла имеют достаточно большую энергию и могут преодолевать этот барьер. Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической. При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновении могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает также играть заметную роль излучение газа и раскаленных электродов.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т.е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице. При температуре 6 000-8 000 К такие вещества, как калий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных металлов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов. Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется между микровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали. Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих выступов и образованию пленки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке «электрод – свариваемая деталь». При последующем отводе электрода от поверхности детали на 2-4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего возрастает плотность тока и повышается температура металла. Эти явления приводят к разрыву пленки и испарению вскипевшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсивные термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дуга. Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется в течение долей секунды. В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги. Катодная зона начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вылетает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на катодном пятне достигает 60-70 А/мм². К катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2 500-3 00 гр. С.

Анодная зона расположена у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном. К анодному пятну устремляются и отдают энергию потоки электронов, накаляя его до температуры 2 500-4 00 гр. С. Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6 000 – 7 000 гр. С в зависимости от плотности сварочного тока. Для возбуждения дуги в начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высокая и необходим большее напряжение, способное сообщить свободным электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация. Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а значит, к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение тока падает до значения, которое необходимо для устойчивого горения дуги. Зависимость напряжение дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги. Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. Во второй области (100-1 000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока. В третьей области увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга первой области горит неустойчиво, поэтому имеет ограниченное применение. Дуга второй области горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки. Необходимое напряжение для возбуждения дуги зависит от рода тока (постоянный или переменный), материала электрода и свариваемых кромок, дугового промежутка, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2-4 мм, находятся в пределах 40-70В.

Напряжение для установившейся сварочной дуги определяют по формуле:

где а – коэффициент, по своей физической сущности составляющий сумму падений напряжений в зонах катода и анода, В;

b – коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм;l – длина дуги, мм. длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длину 2-4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4-6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной. Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво – металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется, увеличивается угар и разбрызгивание металла. При помощи магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемой детали, электрическая сварочная дуга может быть отклонена от своего нормального положения. Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называют магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и достигает заметного значения при сварочных токах более 300 А. Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметричность магнитного поля и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс. В некоторых случаях магнитное дутье затрудняет процесс сварки, поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу.

К таким мерам относятся:

— сварка короткой дугой

— подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге- наклон электрода в сторону действия магнитного дутья- размещение у места сварки ферромагнитных масс.

Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле:

U — напряжение дуги, В t — время горения дуги, с.

Она определяется по формуле:

Требования к источникам питания дугиДля осуществления устойчивого дугового разряда между электродом и свариваемым изделием необходимо подвести напряжение от специального источника питания электрическим током. Такой источник должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое горение ее в установившемся режиме сварки, регулирование мощности (силы тока). При этом важным условием получения сварочного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источники питания дуги должны обеспечивать возбуждение и стабильное горение дуги. С короткого замыкания сварочной цеп (контакта между электродом и деталью) начинается возбуждение сварочной дуги. При этом происходит выделение теплоты и быстрое разогревание места контакта. Эта начальная стадия требует повышенного напряжения сварочного тока. В дальнейшем происходит некоторое уменьшение сопротивления дугового промежутка (вследствие эмиссии электронов с катода и появления объемной ионизации газов в дуге), что вызывает снижение напряжения до предела, необходимого для поддержания устойчивого горения дуги. Очень частые короткие замыкания сварочной цепи происходят в процессе сварки при переходе капель электродного металла в сварочную ванну. Вместе с этим изменяется длина сварочной дуги. При каждом коротком замыкании напряжение падает до нулевого значения. Для последующего восстановления дуги необходимо напряжение порядка 25-30 В. Такое напряжение должно быть обеспечено за время не более 0,05 с, чтобы поддержать горение дуги в период между короткими замыканиями. При этом следует учесть, что при коротких замыканиях сварочной цепи развиваются большие токи (токи короткого замыкания), которые могут вызвать перегрев в проводке и обмотках источника тока. Эти условия процесса сварки определили требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги.

Для обеспечения устойчивого процесса сварки источники питания дуги должны удовлетворять следующим требования:

— напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого возбуждения дуги и в то же время не должно превышать норм безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода для источников постоянного тока – 90 В, для источников переменного тока – 80 В- напряжение устойчивого горения дуги (рабочее напряжение) должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением – быстро падать. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания (при капельном переносе металла от электрода к свариваемой детали) – менее 0,05 с- ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40-50 %, а источник тока должен выдерживать продолжительные короткие замыкания сварочной цепи. Это условие необходимо для предохранения обмоток источника тока от перегрева и повреждения- мощность источника тока должна быть достаточной для выполнения сварочных работ

Источник