История дуговой сварки
Первое практическое применение дуга в электрической сварке металлов получила лишь в 1882 г., когда Н. Н. Бенардосом был создан в Санкт-Петербурге «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока», названный им «электрогефест».
По заключению академиков Н. С. Курнакова, О. Д. Хвольсона и других сущность этого способа состояла в том, что обрабатываемый предмет соединяется с одним, а уголь с другим полюсом электрического источника и образующейся между обрабатываемыми предметом и углем вольтовой дугой производится действие, подобное тому, которое производится пламенем паяльной трубки при накаливании и оплавлении металла. Специальный угольный электрод или электрод «из другого проводящего вещества» вставляется в держатель и дуга поддерживается от руки.
В 1888 - 1890 гг. способ использования тепла электрической дуги для сварки металлов был усовершенствован горным инженером Н. Г. Славяновым, заменившим угольный электрод исключительно металлическим и разработавшим полуавтомат для подачи металлического электрода по мере его сгорания и поддержания дуги, названной им «плавильником».
Сущность способов электрической дуговой сварки, созданных в результате работ талантливых инженеров-изобретателей Н. Н. Бенардоса и Н. Г. Славянова, остается неизменной до наших дней и может быть охарактеризована следующим образом: электрическая дуга, образующаяся между электродом и соединяемыми частями изделия, своим теплом оплавляет основной материал изделия и расплавляет подаваемый в зону пламени дуги электрод — присадочный материал, который в виде капель расплавленного металла заполняет место соединения и сплавляется с основным металлом изделия. Общее тепловыделение дуги при этом регулируется путем подбора соответствующего режима, основным параметром которого является ток.
В практическом применении в способы вносились и вносятся многочисленные усовершенствования, не меняющие существа процессов, но повышающие их практическую ценность. Развитие созданных способов сварки шло вместе с развитием энергетических основ сварочной техники в направлении повышения качества и производительности сварочных работ.
Основными условиями, способствовавшими этому развитию, были:
-
обеспечение устойчивой работы дуги;
-
получение надлежащего качества и прочности соединения.
Первое условие было выполнено путем создания источников тока, обладающих характеристиками, определяемыми свойствами электрической дуги в условиях сварки.
Дуга как основной источник нагрева и потребитель энергии при сварке характеризуется динамической нагрузкой, при которой в промежутки времени, измеряемые сотыми долями секунды, в цепи дуги происходят резкие изменения электрического режима.
Плавление электрода и переход металла с электрода на изделие вызывает резкие колебания длины дуги и повторяющиеся через очень малые промежутки времени короткие замыкания источника питания дуга (до 30 раз в секунду). Ток и напряжение при этом не сохраняют постоянного значения, а имеют мгновенные изменения от некоторого значения до максимального и обратно.
Подобные резкие изменения нагрузки нарушают состояние равновесия системы электрическая дуга - источник тока. Для того, чтобы дуга могла гореть длительно при определенной величине тока, не угасая и не переходя в другие формы электрического разряда, необходимо, чтобы источник тока, питающий дугу, быстро реагировал бы на происходящие изменения в режиме дуги и обеспечивал бы ее устойчивую работу.
В начале развития электросварочного машиностроения это осуществлялось путем применения балластных сопротивлений, включаемых для ограничения тока и успокоения дуги последовательно в главную цепь электрических машин. В дальнейшем были созданы специальные источники тока с падающими характеристиками и малой магнитной инерцией, полностью обеспечивавшие требования, вытекающие из свойств сварочной дуги.
Параллельно с развитием электросварочного машиностроения проводились исследования, позволившие установить основные параметры статической характеристики дуги в условиях сварки и исследовать оптимальные условия и основные электрические параметры источников тока и их влияние на устойчивость и непрерывность горения дуги при сварке.
В последующий период на основе исследований статики и динамики процесса в электросварочных машинах разрабатывается классификация систем сварочных машин и аппаратов и создается единая обобщенная теория сварочных машин.
Особенности процесса электрической дуговой сварки
Процесс электрической дуговой сварки представляет весьма сложный комплекс явлений физических, химических и электрических, протекающих непрерывно во всех стадиях в чрезвычайно короткие промежутки времени. По сравнению с обычными металлургическими процессами плавления металла сварочный процесс отличается:
-
малым объемом ванны расплавленного металла;
-
высокими температурами нагрева металла, что при больших скоростях и локализованном характере нагрева приводит к высоким градиентам температур:
-
неразрывной связью между наплавленным металлом и основным, причем последний является как бы изложницей для первого.
Таким образом, нагретый и расплавленный металл в малой по объему сварочной ванне окружен значительной массой основного металла, имеющего более низкую температуру. Это обстоятельство, естественно, определяет большие скорости нагрева и охлаждения металла и, как следствие, определяет характер и направление реакций, протекающих в сварочной ванне.
Проходя через дуговой промежуток, расплавленный присадочный металл подвергается воздействию атмосферы дуги при очень высоких температурах, что влечет за собой окисление металла и поглощение им газов, причем в дуге наблюдается активизация инертных газов (в первую очередь азота), активность которых в обычных металлургических процессах незначительна.
Воздействию атмосферы дуги также подвергается расплавленный металл в сварочной ванне, где протекают физико-химические реакции между металлом, его примесями и поглощенными им газами. В результате этих явлений наплавленный металл шва имеет повышенное содержание кислорода и азота, что, как известно, снижает механические характеристики металла.
При переходе металла в дугу и пребывании его в расплавленном состоянии в месте соединения примеси в железе, а также легирующие присадки выгорают, что также ухудшает механические свойства металла. Газы, образующиеся при выгорании примесей, а также растворенные в металле, при отвердевании расплавленного металла могут привести к образованию раковин и пор в наплавленном металле.
Таким образом, процессы, протекающие при сварке, затрудняют получение наплавленного металла высокого качества. Эти трудности оказались такими, что получение сварного шва с характеристиками, приближающимися к характеристика свариваемого металла, что является основным показателем качества сварки, без принятия специальных мер оказалось невозможным.
Совершенствование технологии дуговой сварки
Основным мероприятием, повышающим качество и прочность соединения металла в существующих методах электродуговой сварки, было применение специальных покрытий — обмазок на электродах.
В первоначальный период функцией подобных покрытий-обмазок являлось облегчение зажигания и увеличение устойчивости дуги благодаря их ионизирующему действию. В дальнейшем, с развитием толстых или качественных покрытий, функцией которых помимо увеличения устойчивости дуги являлось улучшение химического состава и структуры наплавленного металла, было значительное повышение качества сварки.
Развитие специальных покрытий на электродах позволило в последние годы распространить применение основных способов для сварки и резки металлов под водой. В этом случае назначение покрытий на электродах еще заключается в том, чтобы (вследствие своего более медленного сгорания, чем электрод) поддерживать защитный козырек вокруг дуги и газами, выделяющимися при сгорании покрытий, образовать пузырь, в котором горит дуга.
Одновременно с повышением качества свариваемого соединения шло и повышение производительности сварочных работ, которое при ручной сварке достигалось путем увеличения мощности сварочной дуги с одновременным увеличением диаметра металлического электрода. Значительное повышение мощности и увеличение размеров электродов привело к замене ручной сварки автоматической.
Наибольшие трудности в автоматической сварке представлял вопрос об электродных покрытиях-обмазках, без которых качественная сварка при современных требованиях почти невозможна.
Удачным решением явилась подача раздробленного зернообразного покрытия-флюса не на электрод, а на основной металл. В этом случае дуга горит под слоем флюса, благодаря чему более эффективно используется тепло дуги, и шов защищается от воздействия воздуха. Это дополнение явилось тем усовершенствованием основного способа сварки с металлическим электродом, которое позволило значительно повысить производительность и улучшить качество сварного шва.
Возможность управления тепловым состоянием соединяемых металлов при использовании современных источников питания сварочной дуги позволяет осуществить все переходные формы процесса соединения от пластического до жидкого, расплавленного состояния материалов. Это обстоятельство открывает новые возможности соединения не только разнородных металлов, но и неметаллических материалов между собой.
С усовершенствованием технологических процессов сварки повышалась прочность и надежность сварных конструкций. В первоначальный период, когда сварочный процесс осуществлялся исключительно вручную, электрическая дуговая сварка находила применение во всевозможных работах восстановительного и ремонтного характера.
Значение электрической дуговой сварки, как одного из основных и передовых технологических процессов, является в настоящее время бесспорным. Опыт применения сварки в различных отраслях промышленности со всей очевидностью доказал, что этот метод металлообработки позволяет получить не только экономию металла (25 - 50%), но и значительно ускорить производство работ всех видов металлических конструкций.
Развитие механизации и автоматизации процесса, направленное к непрерывному повышению производительности в сочетании с неуклонным повышением качества и прочности сварки, еще более расширяет области ее применения. В настоящее время электрическая дуговая сварка является ведущим технологическим процессом при изготовлении всех видов металлических конструкций, работающих под действием статических и динамических нагрузок при низких и высоких температурах.
Другие интересные и полезные статьи про электричеcкую сварку:
Сварочные аппараты инверторного типа