Сравнительные характеристики способов сварки

Обзор возможных способов сварки конструкции

Источником нагрева названных способов является сварочная дуга. Поэтому целесообразно рассмотреть её свойства и особенности.

Электрическая сварочная дуга. Сварочная дуга является источником нагрева для достаточно большого количества способов сварки плавлением. Поэтому целесообразно более подробно рассмотреть процессы происходящие в сварочной дуге.

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый длительный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жидкими электродами при высокой плотности тока, сопровождающийся выделением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами).

Электрон — это частица весьма малой массы, несущая элементарный (наименьший, неделимый) электрический заряд отрицательного знака. Масса электрона равна 9,1 • 10~²⁸г; элементарный электрический заряд равен 1,6 • 10~'⁹ Кл. Ионом называется атом или молекула вещества, имеющая один или несколько элементарных зарядов. Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтральным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей наружной (валентной) оболочки (электроны, вращающиеся в валентной оболочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и поэтому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием облучения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной оболочке лишние электроны.

Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией. Ионизация, вызванная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической ионизацией

При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах на процесс ионизации начинает влиять также и излучение газа и раскаленных электронов. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить с помощью электрического поля боль­шие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому, для того чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, т. е. электрическую дугу, необходимо ионизиро­вать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно про­извести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение; тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив большие энергии, смогут разбить нейтральные атомы и молекулы на ионы.

При сварке из соображений техники безопасности нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому используют явления термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом количестве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлектродного пространства и способствуют ее ионизации.

При термоэлектронной эмиссии благодаря высокой температуре свободные электроны «испаряются» с поверхности металла. Чем выше температура, тем большее число свободных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. При авто­электронной (холодной) эмиссии создается внешнее электрическое поле, которое изменяет потенциональный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые имеют достаточную энергию для преодоления этого барьера.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации).

Сравнительные характеристики способов сварки

Для решения технологической задачи, а именно разработки технологии сварки возможно применение ручной дуговой сварки покрытыми электродами, механизированной сварки под флюсом и в защитном газе. На рис. представлена схема ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Однако у РДС много недостатков. РДС является менее производительным методом сварки по отношению к полуавтоматической (п/а) сварки в защитном газе и автоматической сварки под флюсом (АСФ). Для РДС характерен большой расход сварочных материалов и низкая производительность процесса сварки, этот метод, кроме того, самый неблагоприятный в экологическом отношении.

Ручная дуговая сварка.

Ручная дуговая сварка производится двумя способами: неплавящимся и плавящимся электродом. По первому способу свариваемые кромки изделия приводят в соприкосновение, между неплавящимся (угольным или графитовым) электродом и изделием возбуждают электрическую дугу . Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал нагреваются до плавления и образуют ванну расплавленного металла, который после затвердевания превращается в сварной шов . Этот способ используется иногда при сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов. Второй способ сварки, выполняемой плавящимся электродом, является основным при ручной дуго­вой сварке. Электрическая дуга возбуждается между металлическим (плавящимся) электродом и свариваемыми кромками изделия. Теплота дуги расплавляет электрод и кромки изделия.