История и развитие сварочного производства

В период первой мировой войны газовая сварка развивалась более интенсивно и до начала 30-х годов она занимала ведущее положение в сварочном производстве.

С ее помощью выполнялись ответственные работы. Например, в 1926-35 годах с ее применением и были настроены магистральные трубопроводы Гурьев-Орск, Баку-Батуми, Грозный-Туапсе.

И до 1948 года газовая и особенно газопрессовая сварка использовалась при сооружении трубопроводов.

А дуговую электрическую сварку по способам Бенардоса и Славянова продолжали применять в России и странах западной Европы главным образом на железных дорогах, а также на машиностроительных и металлургических заводах.

Например, в Воронежских народных мастерских исправляли дефекты колесных пар, паровозных рам, при ремонте паровозных котлов и т.д.

На Каменском машиностроительном заводе - для сварки труб, резервуаров пневматических тормозов, ремонта чугунных изделий и т.д.

Несмотря на отдельные положительные моменты дуговая сварка отставала от газовой. Для решения вопросов создания конкурентоспособного способа необходимо было решить ряд проблем, особенно для способа сварки плавящимся электродом.

Дело в том, что дуга на угольном электроде зажигается легко и устойчиво горит. Электрод почти не обгорает, длина дуги поддерживается в широком диапазоне (3-15мм). Выполнять сварку в таких условиях вручную практически легко и просто.

При сварке же плавящимся электродом дуга на металлическом электроде имеет малую длину. При удлинении дуги имеет место значительное разбрызгивание металла, дуга горит неустойчиво, наблюдается «блуждание» ее. Кроме того электрод плавится с большой скоростью (200мм/мин) при этом сварщик должен поддерживать дуговой промежуток (длину дуги) в пределах 1-3 мм. Поэтому необходимо было найти не только способы защиты металла зоны сварки и легирование сварочной ванны, но и обеспечить процессы возбуждения и поддерживания дуги.

То есть необходимо было совершенствовать источники питания сварочной дуги.

Продолжались исследования и проводились работы по созданию электродов, обеспечивающих высокое качество сварки. Электроды предложенные Къельбергом не обеспечивали достаточную защиту расплавленного металла от воздуха, ванна насыщалась азотом и окислялась кислородом окружающего воздуха. В тоже время идея Къельберга легла в основу целого направления в сварочном производстве - метода ручной дуговой сварки штучными электродами.

В 1911году англичанин Строменгер предложил обматывать металлический стержень асбестовым шнуром и приматывать жидким стеклом (силикатом натрия Na2O*SiO2) (поташ - K2CO3, мел - CaCO3)

Тонкая Al проволока наматывалась поверх покрытия. Покрытие электрода было толще, шлака хватало для защиты, а с помощью Al - активного раскислителя, часть железа восстанавливалось и попадало в металл шва. Под названием «Квази-арк»они распространялись в Европе и Америке. Вскоре одна из американских фирм наладила выпуск специализированных электродов, при этом стержень электрода выбирали в зависимости от сорта стали, которую нужно было сварить.

В 1914 году англичанину Джонсу был выдан британский патент на электрод, покрытие которого наносилось методом опресовки. Покрытие состояло из шлака, жидкого стекла.

В 1917 году американские инженеры Андрус и Стресау предложили электроды, стальной стержень которого был обернут бумагой приклеенной силикатом натрия (жидким стеклом). Дым при сгорании улучшал защиту зоны сварки, а присутствие в дуговом разряде натрия, имеющего низкий потенциал ионизации, облегчало технику выполнения ручной дуговой сварки.

Благодаря этим и другим техническим решениям были разработаны электроды с покрытиями обеспечивающими высокое качество сварных соединений из стали и других металлов.

Разработка технологии «электрогефеста» развивалось одновременно с разработкой источников питания. Сварочный аккумулятор Бенардоса нашел применение во всех странах мира.

Однако эксплуатация большого числа аккумуляторов представляла серьезные трудности вызванные вредными условиями труда, необходимостью систематической зарядки, невозможностью транспортировки.

В 1925 году англичанин Смит А.О. предложил конструкцию электрода - обмотал мастерски бумажной лентой и обмазал ее жидким стеклом с порошкообразными добавками веществ улучшающих защиту и даже легирующих Ме шва.

В том же году французские изобретатели О. Монейрон и О. Саразен разработали еще один рецепт покрытия металлических стержней толстым слоем обмазки. Компонентами в рецепте стали соединения щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, кальция) полевой шпат, мел, мрамор, сода. Эти элементы обладаю низким потенциалом ионизации те для отрыва электрона от атома требуется меньше энергии, чем при ионизации железа, марганца, кремния.

Легче возбуждать и поддерживать горение дуги.

Дело в том, что ионизирующие вещества вводили в состав электрода для ламп дугового освещения.

Сварочный генератор предложенный и построенный Славяновым, несколько упростил уход за источником питания. Однако для сглаживания пиков тока в цепи оставалась аккумуляторная батарея, т.е. конструкция генераторов была еще не совершена.

В 1907 году на заводе «Линкольн электрик» в Америке был выпущен первый генератор с регулируемым напряжением.

В 1909 году свой генератор постоянного тока создал американский промышленник и изобретатель Вестингауз.

В это же время начинает выпускать мотор-генераторы фирма «Дженерал электрик» возглавляемая Коффином.

Электрическая промышленность разных стран уже осваивала переменный ток. Его применение сулило большие преимущества, и в первую очередь, упрощение источников энергии - сварочных трансформаторов, так как в них не было сложных вращающих деталей, работали они бесшумно, были просты в обслуживании.

Глава 3. Основные виды современной сварки

3.1 Электрическая дуговая сварка

В настоящее время электрическая дуговая сварка занимает первое место среди многочисленных способов сварки материалов.

Дуговая сварка основана на явлении электрической дуги.

.Электрическая дуга представляет собой один из видов устойчивого электрического разряда через газовый или парогазовый промежуток, характеризующийся высокой плотностью тока и температурой.

Для сварки важно, чтобы дуга легко возбуждалась, устойчиво существовала и легко регулировалась по своим энергетическим параметрам.

Известно несколько способов возбуждения дугового разряда. По способу В.В. Петрова два электрода, соединенные с источником тока, сближают до соприкосновения и сразу же разводят на небольшое расстояние. В этот момент между ними вспыхивает дуга.

Что же происходит при этом? Упрощенно это можно представить себе так: при соприкосновении электродов электрическая цепь замыкается и по ней идет ток. В соответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании тока в проводниках выделяется теплота. Поскольку соприкосновение электродов вследствие неровностей их поверхностей осуществляется лишь в отдельных физических точках, сопротивление протеканию тока в них будет значительным, поэтому материал в точках контакта нагревается сильнее и быстрее, чем в остальных участках цепи. При высокой температуре электрода возникает явление так называемой термоэлектронной эмиссии - испускание электронов под действием теплового возбуждения. Если в этот момент разорвать контакт между электродами, то под действием электрического поля электроны, образовавшиеся вследствие термоэмиссии, начнут перемещаться к положительному электроду (аноду). Сталкиваясь с нейтральными молекулами газа или атомами в межэлектродном промежутке, электроны «раскалывают» их на ионы и новые электроны (рис. 2.1).

В результате этих и других более сложных и тонких процессов в межэлектродном промежутке образуется плазма ~ достаточно ионизированный и квазинейтральный газ, обладающий хорошей проводимостью тока. Следует отметить, что наряду с образованием ионов в межэлектродном промежутке наблюдается и обратная картина, т.е. образование нейтральных атомов и молекул за счет присоединения (поглощения) электронов. При этом происходит выделение энергии в виде фотонов, т.е. возникает излучение в виде света (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема ионизации молекул в дуговом промежутке:

М -- молекула; А -- атом; Ф -- фотон; «-» электрон; « + » -- ион

Каково же строение дуги? На рис. 2.2 показан схема дуги постоянного тока, горящей между электродом 1 (катод) и изделием 3 (анод). В межэлектродном (дуговом промежутке) находится электропроводный канал 2, называемый столбом дуги.

Газы столба достаточно ионизированы, ослепительно ярко светятся, имеют по его оси высокую температуру -- порядка 10 000 °С. Наиболее ионизирована центральная часть столба.

Столб окружен пламенем, или ореолом, с меньшей температурой, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги и взаимодействующими химически с окружающей атмосферой.

Основаниями столба дуги являются расположенные на электродах ярко светящиеся катодное и анодное пятна (их называют активными), плотность тока в которых может составлять десятки тысяч ампер на квадратный сантиметр. На них происходит преобразование электрической энергии газового разряда в тепловую, нагревающую и расплавляющую металл и способную доводить его до кипения, превращать в пары.

Рис. 2.2. Схема строения сварочной дуги и распределение напряжения по ее длине

Расстояние от анодного до катодного пятна называется длиной дуги (/д). Длина дуги редко превышает 1--2 см, а диаметр столба дуги -- и того меньше. Плазма дуги занимает небольшой объем -- около 1 см3, который можно разделить на три области: две из них непосредственно прилегают к катодному и анодному пятну и имеют небольшую протяженность (/а, /к), сопоставимую с длиной свободного пробега. Третья область -- собственно межэлектродный промежуток, заполненный ионизированным газом, Длина его /с близка к длине дуги /д. В каждой из областей происходят сложные явления.

В столбе дуги, являющемся основной ее частью, присутствуют наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) и нейтральные частицы -- атомы и молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды, и газов, окружающих дугу. Наличие в столбе дуги заряженных частиц, а также фотонов и квантов электромагнитной энергии придает ему необычные свойства, которые характерны только для четвертого или плазменного состояния вещества, -- наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями. В земных условиях мы редко сталкиваемся со свободно существующей плазмой (по некоторым представлениям это может быть, например, шаровая молния). Однако в целом во всей Вселенной примерно 99,9 % вещества находится в плазменном состоянии (звезды, туманности и т.д.).

Под действием электрических и магнитных полей, конвективных потоков, местных флуктуации давления, кулоновского взаимодействия между электронами и ионами частицы в столбе дуги перемещаются по сложным траекториям. Наиболее подвижны отрицательно заряженные частицы -- электроны. Они могут приобретать высокие скорости перемещения и вступать во взаимодействие с ионами, молекулами и атомами, передавая им свою энергию. При каждом так называемом неупругом взаимодействии происходит возбуждение атома или молекулы, т.е. переход их в состояние с более высоким, энергетически неустойчивым уровнем. Самопроизвольно возвращаясь к нормальному состоянию, частицы излучают энергию в виде фотонов, что наряду с излучением фотонов в процессе объединения положительного иона с электроном (т.е. при образовании нейтральных атомов) и вызывает ослепительное свечение плазмы.

При сильном взаимодействии электрона с атомом последний получает такую большую энергию, которая достаточна для отрыва собственных электронов от ядра. Атом становится положительным ионом: однозарядным, если выбит один электрон, двухзарядным -- если два, и т.д. Уровень энергии электрона, необходимой для ионизации какого-либо атома, выражают в электрон-вольтах (ЭВ) и называют потенциалом ионизации.

Различные элементы имеют различный потенциал ионизации. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше потенциал ионизации. Так, цезий, самый тяжелый элемент из всех щелочных металлов, имеет наименьший потенциал ионизации 3,9 ЭВ, а самый легкий из инертных газов -- гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации -- 24,5 ЭВ. Регулируя состав атмосферы столба дуги, можно, по-видимому, регулировать устойчивость и энергетические возможности дугового разряда, чем на практике и пользуются сварщики.

Для диссоциации различных молекул необходима также различная энергия. Так, например, молекула фтора диссоциирует при затрате энергии в 1,6 ЭБ, а углекислого газа -- 9,7 ЭБ. Для сварщиков не безразличны эти цифры. Ведь от того, какие атомы и молекулы будут преобладать в атмосфере дуги, будут зависеть легкость возбуждения дуги, ее стабильность и другие характеристики.

Рис. 2.3. Зависимость напряжения на дуге от силы тока при различных длинах дуги (1, 2) и напряжениях на зажимах источника питания (3, 4)

Столб дуги, достаточно однородный по строению и свойствам, примыкает своими концами к электродам -- аноду и катоду, через которые питается током от источника питания 4 (см. рис. 2.2). Приэлектродные области (анодная и катодная), т.е. зоны перехода от твердых или жидких проводников -- электродов к газовому проводнику -- столбу дуги, являются наиболее сложными областями дугового разряда. Протекание тока в пограничных областях носит необычный характер. Здесь наблюдаются очень высокие плотности тока и совершенно необычные напряженности электрического поля -- в десятки тысяч вольт на сантиметр по сравнению с 20 -- 30 В/см в столбе дуги. Именно в этих областях горячая плазма граничит со сравнительно холодной поверхностью электродов, нагретых до 2 -- 3 тыс. °С. Весьма неопределенна и среда в переходных областях -- неизвестно сколько в ней газа и какого он состава, сколько паров материала электродов и т.п. Несмотря на многочисленные работы, посвященные изучению приэлектродных областей, многое остается еще невыясненным, что объясняется трудностями исследований: высокими температурами, малой протяженностью приэлектродных областей (тысячные доли сантиметра), сложностью характера протекающих явлений. Упрощенно можно представить себе основные процессы, происходящие в приэлектродных областях.

В катодной области наблюдается интенсивное эмиссирование (выбрасывание) потока электронов с поверхности катода за счет нагрева его до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и за счет локального действия электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме этого, поверхность катода бомбардируется положительными ионами и фотонами, способными также выбивать электроны из атомов катода. В результате интенсивной эмиссии электронов с катода и соответствующей ионизации дугового промежутка и устанавливается устойчивый разряд -- электрическая дуга.

В анодной области идут более простые процессы: за счет притяжения положительно заряженного анода электроны разгоняются и непрерывно бомбардируют его поверхность. В результате энергия электронов передается аноду, что приводит к интенсивному разогреву его поверхности до температуры, близкой к температуре кипения материала анода.

Известно, что падение напряжения на участке металлического проводника подчиняется закону Ома и может быть представлено в виде прямой.

Падение напряжения в дуге на различных ее участках, отнесенное к единице длины, неодинаково.

На рис, 2.2 представлено распределение падения напряжения в дуге. В прикатодной области на длине около 10-5 см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения (). В при-анодной области сосредоточено анодное падение напряжения ().

Таким образом, напряжение дуги может быть представлено суммой трех составляющих:

, (2.1)

где (,,, -- соответственно общее напряжение на дуге и падение напряжений: катодное, в столбе дуги и анодное. Количество тепла, выделяемое дугой в единицу времени () может быть определено по зависимости

, (2.2)

где 0,24 -- коэффициент перевода электротехнических единиц в тепловые; -- ток дуги.

При сварке не все тепло, выделенное дугой, вводится в изделие. Часть тепла теряется в виде излучения в окружающую среду.

Количество тепла, введенное в изделие, учитывается эффективным коэффициентом полезного действия сварочной дуги п.. Величина эффективного КПД дуги зависит от многих факторов и колеблется в пределах от 0,5 до 0,9.

Для практического применения чрезвычайно важна так называемая статическая вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ), показывающая, как изменяется напряжение на дуге в зависимости от силы тока при заданной длине дуги.

На рис. 2.3 приведена такая зависимость для разных длин дуги (кривые 1 и 2). Удлинение дуги приводит к увеличению напряжения на ней ().

Вольт-амперная характеристика показывает, что дуга как вид газового разряда является нелинейным сопротивлением и не подчиняется закону Ома. Вольт-амперную характеристику можно разделить на три области. В первой области (до 100 А) с нарастанием тока резко падает напряжение на дуге (падающая характеристика). Во второй области (~ до 1000 А) наблюдается постоянство напряжения на дуге при значительном изменении тока. В третьей области (> 1000 А) вместе с нарастанием тока увеличивается и напряжение на дуге (возрастающая ВАХ). Причина такой сложной связи тока и напряжения дуги объясняется поведением заряженных частиц в столбе дуги, закономерности которого рассматриваются в теории дугового разряда.

Исходя из конкретных условий сварки назначаются определенные величины тока () и напряжения () на дуге. Для того, чтобы понять, как это делается, необходимо еще, кроме рассмотренной зависимости ВАХ, рассмотреть так называемую внешнюю характеристику (ВХ) источника питания Дуги.

В современной сварочной технике используют следующие источники питания (ИП) сварочной дуги: источники питания дуги переменным током -- сварочные трансформаторы, источники питания дуги постоянным током -- сварочные выпрямители и сварочные генераторы.

График зависимости между напряжением на зажимах ИП и током, отдаваемым ИП в цепь и называют внешней характеристикой источника питания. Различают крутопадающие (см. кривые 3 и 4 на рис. 2.3), пологопадающие, жесткие и возрастающие ВА.

Наиболее широко используются ИП с крутопадающими ВХ, чаще называемыми просто падающими ВХ. Если сварочная цепь будет разомкнута, то напряжение на зажимах ИП будет соответствовать так называемому напряжению холостого хода ( на рис. 2.3).

Точка пересечения внешней характеристики источника питания с вольт-амперной характеристикой дуги (например, точка А, см. рис. 2.3) обусловливает заданный уровень тока и напряжения дуги , , (см. рис. 2.3) и отвечает устойчивому состоянию системы источник питания -- сварочная дуга. Изменение или настройку режима дуги по току и напряжению можно осуществлять различными путями, например, изменяя крутизну ВХ источника питания (см. кривые 3 и 4 на рис. 2.3), изменяя напряжение холостого хода ИП или скорость подачи электрода по мере его плавления. В каждом конкретном случае режим дуги по току и напряжению назначается инженером-сварщиком исходя из соображений обеспечения высокого качества и производительности сварки.

После краткого знакомства с особенностями дугового разряда и условиями его существования перейдем к рассмотрению наиболее распространенных видов дуговой сварки. Анализ объема использования различных способов дуговой сварки в различных отраслях показывает, что в настоящее время основным способом является ручная дуговая сварка покрытым электродом, что объясняется простотой и универсальностью этого способа сварки. Хотя доля ручной дуговой сварки непрерывно снижается [10], она еще длительное время будет использоваться как маневренный и доступный способ сварки, особенно при выполнении работ в труднодоступных местах и в условиях монтажа.

Как уже ранее упоминалось, открытие Н.Н. Бенардоса усовершенствовал Н.Г. Славянов, заменив угольный электрод металлическим, плавящимся. Однако использование непокрытого, голого (или покрытого тонким слоем мела для стабилизации дугового разряда) прутка-электрода не обеспечивало получения сварных швов высокого качества из-за насыщения металла кислородом и азотом из атмосферы воздуха.

В 1907 г. шведский инженер О. Кьельберг предложил первые качественные или толстопокрытые электроды, применение которых значительно повысило качество сварных швов (механические свойства, внешний вид). Поэтому ручная дуговая сварка покрытым электродом нашла быстрое применение за рубежом -- на заводах США, Англии, Австро-Венгрии и других стран. В СССР первые электроды с толстым покрытием были разработаны почти одновременно (1930--1935) в ряде организаций. Большинство марок электродов (ЛИМ, ВЭТ-26, ОММ-1, ОММ-2, ОММ-5, АН-4 и др.) предназначались для сварки малоуглеродистых сталей. Несколько позднее были созданы в ЦНИИТМАШе электроды ЦМ-7, нашедшие большое применение при изготовлении сварных конструкций из тех же сталей. В 1940--1941 гг. группой Ленинградских инженеров под руководством К.В. Петраня была разработана серия покрытий типа УОНИ-13, которые по праву и сегодня можно отнести к лучшим электродам. С их появлением стало возможным сваривать не только малоуглеродистые и низколегированные, но и среднеуглеродистые, различные легированные конструкционные стали, сварка которых ранее была весьма затруднена.

В 60-е годы в СССР была разработана серия малотоксичных электродов (АНО, ОЗС, МР), при сварке которыми, в отличие от применявшихся, например ЦМ-7, ОММ-5 и др., выделяется весьма мало вредных для здоровья веществ -- силикатной пыли, окислов марганца; эти электроды предпочтительны и по другим показателям.

В создании низкотоксичных электродов, их внедрении в промышленность принимали участие многие организации и в первую очередь такие как Институт электросварки им. Е.О. Патона АН УССР, Московский опытно-сварочный завод, Институт металлургии им. А.А. Байкова АН СССР, Промстальконструкция и другие, а коллективу специалистов во главе с академиком АН УССР И.К. Походней, осуществлявших эту работу, была присуждена Государственная премия СССР в 1971 г,

В настоящее время в странах СНГ выпускается более 500 типов электродов с самыми различными качественными покрытиями, которыми успешно свариваются стали, чугуны, цветные металлы, их сплавы и другие различные материалы. Толщина покрытия современных качественных электродов составляет 1--3 мм (рис. 2.4). Оно представляет собой тонкоизмельченную смесь, состоящую из различных минералов, рудных продуктов, горных пород, ферросплавов, органических и других веществ, скрепленных между собой и с поверхностью металлического прутка водным раствором жидкого стекла. Такое сложное по составу покрытие выполняет ряд функций помимо защитной от вредного воздействия воздуха (кислорода и азота) на жидкий металл, облегчения зажигания дуги и устойчивости ее горения. Составляющие покрытия осуществляют очень важную металлургическую обработку расплавленного металла -- его раскисление, т.е. освобождение в той или иной мере от кислорода, внесение в металл специальных добавок, улучшающих его свойства (легирование), очищение металла от вредных примесей -- серы и фосфора (рафинирование), измельчение размеров кристаллов в процессе затвердевания металла. В зависимости от того, для сварки каких металлов предназначаются электроды, прутки, на которые наносится покрытие, могут быть из различных металлов или сплавов. В электродах общего назначения, широко применяемых для сварки разнообразных стальных конструкций, прутки изготавливаются из стальной малоуглеродистой, почти бескремнистой, холоднотянутой проволоки, для которой характерна повышенная чистота металла, ограничение содержания вредных примесей -- серы и фосфора.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6