Дугове зварювання
3 усіх відомих на сьогодні термічних способів зварювання перше місце посідає дугове. Його використовують у процесі виготовлення залізничних
вагонів і платформ, палуб та інших частин суден, парових казанів (у тому числі високого тиску), труб для газів, рідин і сипких речовин, металевих конструкцій і арматури будинків, промислових споруд, мостів, вузлів із деталей машин, приладів тощо.
Цим способом зварюють майже всі конструкційні сталі, чавуни, мідь, алюміній, нікель, титан і сплави на їх основі.
Дуговим зварюванням називають спосіб утворення нерозбірного з'єднання двох виробів, місця з'єднання яких розплавляють теплотою, яка виділяється під час горіння дуги між електродами, одним з яких найчастіше є виріб.
Електричною дугою називають потужний електричний розряд, який супроводжується виділенням великої кількості теплової та світлової енергії.
І. Запалення електричної дуги. Дугове зварювання починається із запалення дуги (рис. 81).
Оскільки гази за звичайних умов складаються з нейтральних атомів і молекул і не мають електричної провідності, то через повітря електричний струм не проходить. Електричний струм проходить через гази при наявності в них електронів та йонів, тобто коли вони йонізовані.
Йонізацією називають процес утворення заряджених частинок (йонів й електронів) з нейтральних атомів та молекул,
Для йонізації повітря електрод 1 і виріб 2 на короткий час зводять докупи, тобто “змикають” (рис. 81,а). У результаті утворюється замкнене коло. Через місце дотику електрода 1 і виробу 2 проходить електричний струм, який миттєво розплавляє місце дотику. Між електродом і зварюваними виробами утворюється “місточок”з розплавленого металу. Після відведення електрода від виробу метал у зоні “місточка”кипить і випаровується (рис. 81,б). Починається процес термічної йонізації. Поверхня катода випускає потік вільних електронів 3, які під дією електричного поля напрямляються до анода 2 і на своєму шляху зіштовхуються з молекулами повітря та парою металів; йонізують їх 4, тобто розщеплюють на йони та електрони. З часом температура стовпа дуги підвищується, кінетична енергія атомів та молекул збільшується, частішають їх співудари, що спричинює додаткову йонізацію газового стовпа. Додаткову йонізацію спричинює також світлове випромінювання дуги. Повітряний проміжок між електродом і зварними виробами стає електропровідним і настає електричний розряд. Процес запалення дуги закінчується утворенням стійкого дугового розряду (рис 81,в).
Дуговий розряд виникає за напруги, яка залежить від матеріялу, з якого виготовленні електроди. Так, для сталевих електродів напруга виникнення дугового розряду становить 45-50 В, а для вугільних 55-60 В. Після виникнення дугового розряду напругу знижують на 25 В. Для стійкого горіння дуги необхідно, щоб її довжина становила 0,6-0,8 діяметра електрода.
Електрична дуга складається з трьох зон: катодної 5, анодної 7, стовпа дуги 6. Довжина катодної зони становить 10-5, анодної – 10-3-10-4 cм. Стовп дуги лежить між катодною й анодною зонами. Тут відбуваються процеси йонізації та переміщення заряджених частинок до катода і анода. У середині стовпа дуги лежить зона найвищих температур (5500-7500°С). Не вся теплота, яка виділяється під час горіння дуги, витрачається на плавлення зварюваних виробів і електрода: приблизно 50% витрачається на нагрівання виробів, близьке 30% – на нагрівання електрода і приблизно 20% становлять втрати теплоти в довкілля.
Для виготовлення з'єднань електродуговим зварюванням необхідно мати електроди, джерела струму та захисні засоби.
II. Електроди. У ході електродугового зварювання використовують вугільні (графітові) та металеві електроди. Розміри електродів стандартизовані.
Вугільні електроди виготовляють у вигляді стрижнів діяметром 6-30 мм. У процесі зварювання вугільні електроди не плавляться.
Металеві електроди за хемічним складом в основному не значно відрізняються від металів, з яких виготовлені зварювані вироби. Для їх виготовлення використовують якісні метали та сплави. В процесі зварювання електроди плавляться. Електроди без покриття називають зварювальним, або електродним, дротом
Діяметер металевих електродів становить 0,3-12 мм. У процесі зварювання в атмосфері Інертних газів і водню використовують неплавкі електроди, виготовлені з вольфраму
При ручному зварюванні використовують електроди з покриттями. Покриття надає стійкості горінню дуги, захищає розплавлений метал від дії компонентів атмосфери (кисню, азоту та ін.), легує метал зварного шва за відсутності відповідних за хемічним складом електродів тощо.
У процесі зварювання покритими електродами дуга горить між стрижнем електрода та зварюваними виробами. Стрижень електрода плавиться, разом з ним плавиться також покриття, утворюючи газовий або шлако-газовий захист дуги та розплавленого металу від дії атмосфери. Після розплавлення місця з'єднання дугу пересувають на ще не зварене місце. Тим часом розплавлений метал кристалізується, й утворюється шов. Розплавлений шлак застигає на поверхні шва у вигляді кірки, яка легко злущується.
Покриття на електродах можуть бути тонкими та товстими. Тонкі покриття називають стабілізуючими. Вони підвищують стабілізацію зварювальної дуги. Проте електроди із стабілізуючим покриттям не можуть захистити розплавлений метал майбутнього шва від насичення киснем і азотом, а тому шов не має доброї якості. Електроди з тонким покриттям використовують у процесі зварювання звичайних конструкцій, виготовлених із вуглецевих сталей.
У процесі зварювання відповідальних конструкцій використовують електроди з товстим покриттям. Товщина цих покрить дорівнює 1-3 мм. До складу товстого покриття входять легуючі елементи, газо- й шлако-утворюючі та зв'язуючі речовини.
Джерелом легуючих, елементів у товстому покритті найчастіше є феросплави (фероманган, феросіліцій, ферохром, феротитан та ін.) У процесі зварювання вони плавляться, легуючі елементи переходять у шов і тим самим поліпшують його механічні властивості та корозієстійкіеть.
Газоутворюючими є органічні речовини – крохмаль, деревне борошно, целюлоза тощо. У ході згоряння цих речовин утворюється в основному оксид вуглецю, який створює навколо дуги і розплавленого металу захисне середовище. Останнє захищає розплавлений метал від окиснення та розчинення в ньому газів (азоту, водню тощо), які містяться у повітрі.
Шлакоутворюючими є мінеральні речовини – польовий шпат, манганова руда, ільменіт та ін. У процесі горіння дуги ці речовини плавляться і рівномірно покривають шов, захищаючи розплав від окиснення та насичення азотом, воднем тощо. Утворений шлак сповільнює охолодження розплаву, що сприяє виділенню розчинених газів ы поліпшенню структури шва.
Зв'язуючі речовини використовують для зв'язування компонентів покриття. Роль зв'язки найчастіше виконує розчин скла.
Покриття на електроди наносять зануренням металевих стрижнів у рідинне середовище, яке складається з газоутворюючих, шлакоутворюючих і зв'язуючих речовин та легуючих елементів. Потім електроди висушують і відпалюють. Після цих операцій електроди готові до використання.
III. Джерела струму. Для живлення електричної дуги використовують постійний і змінний струми. Стійкість горіння дуги, яка живиться постійним струмом, перевищує стійкість горіння дуги, яка живиться змінним струмом. Проте використовувати постійний струм економічно невигідно, оскільки обладнання для його виробництва більш громіздке і витрати електроенергії більші. Для живлення дуги постійним струмом використовують зварювальні генератори,
Електрична дуга, яка живиться змінним струмом, менш стійка і може згаснути. Стабільність дуги збільшується, якщо використовують змінний струм частотою 150-450 Гц або спеціальні стабілізуючі покриття. Для живлення дуги змінним струмом використовують зварювальні трансформатори та генератори змінного струму.
IV. Способи дугового зварювання. Залежно від матеріялу, з якого виготовлені електроди, та їх кількості, а також способів увімкнення електродів і зварюваних виробів в електричне коло, є кілька способів дугового зварювання (рис 82).
1. Зварювання неплавким електродом. Цей спосіб зварювання називають способом Бенардоса (рис. 82,а). При цьому способі зварювання використовують електроди виготовлені з графіту або вольфраму. У процесі зварювання електроди не плавляться. Дуга живиться від джерела постійного струму. Вироби з'єднуються за рахунок розплавлений тільки металу виробу 3, або металу виробу та присадного, дроту 4. Дуга може мати пряму та обернену полярність – у разі прямої полярності “мінус” на електроді, “плюс” – на виробі, у разі оберненої навпаки.
У разі оберненої полярності дуга горить нестабільно і вуглець з електроду, виготовленого з графіту, переноситься в шов, тобто відбувається навуглецьовування металу виробу. Цей спосіб широко використовують для виправлення дефектів чавунних відливків і нанесення порошків твердих сплавів на поверхні деталей, які в процесі роботи контактують, тобто труться поверхнями.
2. Зварювання плавким металевим електродом і дугою прямої дії. Для утворення дуги використовують як постійний, так і змінний струм (рис. 82,6). При цьому способі зварювання відсутній присадний дріт. Його роль виконує металевий електрод 1. Зварний шов утворюється з розплавів металу виробу 3 та металу електрода 1.
Цим способом виконують близько 99% усіх зварних робіт, із них 80% при змінному струмі.
Продуктивність цього способу зварювання більша, ніж способу Бенардоса. Крім того, відсутнє навуглецьовуванвя утворених швів.
3. Зварювання плавкими металевими електродами і дугою непрямої дії. При цьому способі зварювання (рис, 82,в) дуга 5 горить між двома плавкими електродами 1. Місце з'єднання виробів 3 плавиться теплотою, яка виділяється під час горіння дуги. Шов утворюється за рахунок розплавів металу виробів і електродів.
4. Зварювання трифазною дугою. При цьому способі зварювання (рис. 82,г) використовують два ізольованих один від одного електроди, які разом з виробами ввімкнено у зварювальне коло. Електроди 1 і вироби 3 приєднані до різних фаз трифазного струму. У разі ввімкнення джерела струму виникають три дуги 6: між кожним електродом і виробами та між електродами. За продуктивністю цей спосіб зварювання в 2-3 рази перевищує зварювання одним електродом. Його використовують у процесі автоматичного зварювання виробів великої товщини.
5. За способом виконання зварних робіт. Дугове зварювання проводять ручним, напівавтоматичним і автоматичним способами.
У ході ручного зварювання електроди переміщують уздовж місця з'єднання виробів уручну. Для ручного зварювання використовують електроди з покриттям. Цей спосіб зварювання зручний у разі виконання коротких і криволінійних швів, швів у труднодоступних місцях, а також у процесі з'єднання виробів складної форми. Проте цей спосіб зварювання має малу продуктивність порівняно з автоматичним дуговим зварюванням під шаром флюсів. Якість шва залежить від фаховості робітника-зварника.
У ході напівавтоматичного зварювання подання електродного зварювального дроту механізоване, а дуга переміщується вручну. Цей спосіб зварювання застосовують тоді, коли не можна застосувати автоматичне зварювання.
Ручний і напівавтоматичний способи зварювання мають малу продуктивність і дають незначну якість шва.
6. Автоматичне зварювання під шаром флюсів. Недоліків, які мають ручне і напівавтоматичне зварювання позбавлене автоматичне зварювання під шаром флюсів. Серед автоматичних способів зварювання таке зварювання посідає провідне місце. При цьому способі зварювання використовують непокритий зварювальний дріт і флюси. Подання електродного дроту в зону зварювання механізоване, запалений дуги автоматизоване.
У ході автоматичного зварювання під шаром флюсів (рис. 83) дуга 4 горить між зварювальним дротом 2 і виробами 1. Дуга. та зварювальна ванна 5, яка утворилась у процесі плавлення електродного дроту і країв виробів з усіх боків щільно закриті шаром флюсів з товщиною 30-50 мм. За високої температури в зоні горіння дуги флюси плавляться, взаємодіють зі складовими атмосфери і поверхня розплавленого металу покривається розплавленим шлаком 6. Унаслідок переміщення електроду металева 5 і шлакова 6 ванни застигають і утворюється зварний шов 8, який зверху прикритий твердою шлаковою кіркою 7.
Електричний струм силою 1000-4000 А і потужна, прикрита шаром флюсів, дуга сприяють збільшенню швидкості зварювання (до 3,3 м·с-1) та глибини проплавлення металу, що дає можливість зварювати вироби значної товщини за одне проходження.
Порівняно з ручним зварюванням швидкість процесу в 5-10 разів більша, а витрати електроенергії у 1,5 рази менші. Проте слід пам'ятати, що в процесі автоматичного зварювання під шаром флюсів ставляться значні вимоги до підготовлення поверхонь зварюваних виробів. Тому цей спосіб зварювання доцільніше застосовувати у серійному виробництві в процесі утворення нижніх швів досить великої довжини (понад 0,5 м) і товщини (понад 3 мм).
У процесі автоматичного зварювання під шаром флюсів порівняно з ручним зварюванням продуктивність у 5-10 разів більша, якість утворених швів ліпша, а собівартість одного метра шва значно менша. Продуктивність збільшується за рахунок використання струмів великої сили (до 2000 А) та безперервності процесу зварювання. Щільний флюсовий захист зварювальної ванни запобігає розбризкуванню розплавленого металу, захищає його від дії атмосфери, забезпечує стійке горіння дуги та отримання зварного шва певного хемічного складу.
Для зварювання виробів з маловуглецевих і малолегованих сталей використовують кремнієвий та мангановий флюси, їх шлаки мають великий вміст SiO2 і МnО. Флюси виплавляють в електропечах із манганової руди та плавикового шпату. Вироби, виготовлені з багатолегованих сталей, зварюють під шаром флюсів, які отримують сплавленням плавикового шпату, алюмосілікатів й алюмінатів.
Дугове зварювання від шаром флюсів використовують у серійному та масовому виробництві в процесі виготовлення казанів, резервуарів для зберігання рідин і газів, корпусів суден, труб тощо.
7. Дугове зварювання в захисних газах. Для захисту дуги та розплавленого металу від дії складових атмосфери (кисню, азоту) крім флюсів використовують гази (водень, метан, оксид вуглецю), які здатні відновлювати оксиди заліза та оксиди інших металів або інертні гази (гелій, аргон), які не взаємодіють з компонентами матеріялів зварюваних виробів. Іноді використовують суміші двох або більше газів, наприклад аргон і вуглекислий газ. Газове, захисне середовище порівняно із флюсовим (шлаковим) спрощує процес зварювання, дає можливість спостерігати за зварним швом, але вимагає захисту зварника від випромінювання дуги. При цьому способі зварювання в зону дуги, яка горить між зварюваним виробом і плавким або неплавким електродом, подають захисний газ, який відтискає повітря від місця зварювання.
8. Аргонно-дугове зварювання та зварювання в середовищі вуглекислого газу. Ці способи зварювання часто використовують у промисловості. Тут надійніше захищається розплавлена ванна від дії атмосфери, що забезпечує ліпшу якість шва, більшу продуктивність і ширшу можливість автоматизації та механізації зварювальних робіт. Крім того, ці способи зварювання не потребують електродів з покриттями
Цей спосіб зварювання розроблено вченими Київського Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України. Його відзначено
великою золотою медаллю на Всесвітній виставці в Брюсселі.
Електрошлаковим зварюванням називають спосіб бездугового електричного зварювання під шаром розплавлених флюсів.
У процесі електрошлакового зварювання метали виробів і електродів розплавляють теплотою, яка виділяється під час проходження електричного струму через розплавлені флюси.
Флюси, які використовують при зварюванні, мають бути електропровідними. Вони повинні мати вищу температуру плавлення, ніж метали виробів і електродів.
Для зварювання використовують плавкі електроди без покриття, їх кількість залежить від товщини виробів.
У простір між краями вертикально встановлених деталей 6 (рис, 84), початковою планкою 9 і шлакоутримувальними мідними повзунами 7 подають флюси і один, що кріпиться в електродотримачі 5, як показано на рис. 84, або кілька електродних дротів 4.
Процес зварювання починається із запалення дуги між електродним дротом 4 і початковою планкою 9. Після розплавлення флюсів і утворення достатньої кількості розплаву 3 електродний дріт опускають у розплав і горіння дуги припиняється. Проте струм продовжує протікати через розплав, і теплота, яка виділяється в ньому, витрачається на подальше плавлення флюсів, країв зварюваних виробів та електродного дроту. Електроди плавляться в розплаві флюсів та краплями стікають до зварювальної ванни 2. Метал з електродів під час проходження через флюси очищається від домішок (сірки, неметалевих включень, газів тощо), тобто рафінується. Отриманий шов має добрі механічні властивості. Вони майже не відрізняються від властивостей металів зварюваних виробів. Шов 8 формується між двома мідними повзунами 7, які охолоджуються водою, що протікає по трубах 1. Електродний дріт до зони зварювання подається автоматично. Так само автоматично переміщуються повзуни вздовж шва після кристалізації розплавленого металу.
Цим способом можна зварювати вироби товщиною 50-3000 мм. Для з'єднання виробів товщиною до 150 мм використовують один електрод, за більшої товщини – кілька. Діяметер електродного дроту – 2-3 мм, сила струму – 750-1000 А.
Електрошлакове зварювання використовують для виготовлення великих конструкцій – вузлів вальцівень, казанів високого тиску, деталей потужних пресів і верстатів, роторів і валів гідротурбін тощо.
Електрошлакове зварювання порівняно з автоматичним під шаром флюсів має ряд переваг: більшу продуктивність, меншу собівартість 1 м зварного шва, поліпшену мікроструктуру шва. Збільшення продуктивності зумовлене безперервністю процесу зварювання, виконанням шва за одне проходження в разі різної товщини зварюваних виробів і збільшенням сили струму в 1,5-2 рази. Мікроструктура та властивості шва поліпшуються за рахунок однопрохідності, в разі якої на відміну від багатопрохідності відсутня багатошаровість. Собівартість виготовлення з'єднання зменшується за рахунок збільшення продуктивності зварювання, зменшення витрат електродного дроту, флюсів та електроенергії.
Електорошлакове зварювання має також недоліки, до яких належать крупнокристалітність структури шва та зони, яка прилягає до нього, внаслідок повільного нагрівання й охолодження. Саме тому після зварювання вироби відпалюють для зменшення розмірів кристалів у зварному шві.