Что такое деформация, причины возникновения деформаций, способы их устранения

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. В результате неравномерного нагрева металла концентрирован­ным источником теплоты в сварной конструкции возникают сва­рочные напряжения — временные и остаточные. Временные свароч­ные напряжения действуют только в период сварки при измене­нии температуры свариваемого металла. Напряжения, сохраняю­щиеся в металле после окончания сварки и полного остывания конструкции, называют остаточными сварочными напряжениями. Они возникают в результате стесненного термического расшире­ния и стесненной усадки металла при его нагреве и остывании. Это стеснение обусловлено тем, что локально нагретый участок сварки со всех сторон окружен холодным металлом. Дополни­тельное закрепление свариваемых деталей (в приспособлении, при жестком закреплении) также препятствует нормальному протеканию процессов термического расширения и усадки, и возни­кают реактивные остаточные напряжения.

При сварке сплавов, имеющих полиморфные превращения, в участках металла сварного соединения, нагретых выше критичес­ких точек, возникают структурные напряжения. Например, при сварке закаливающихся сталей, в околошовной зоне которых об­разуется мартенсит с большим объемным эффектом превраще­ния, структурные напряжения достигают значительных величин.

Различают сварочные напряжения трех родов. В сварных конст­рукциях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей в ос­новном развиваются сварочные напряжения первого рода. Они действуют и уравновешиваются в объемах, соизмеримых с разме­рами конструкции или ее отдельных частей. Сварочные напряжения второго и третьего родов действуют и уравновешиваются в преде­лах микрообъемов и отдельных зерен металла.

В зависимости от направления действия в пространстве разли­чают сварочные напряжения линейные, или одноосные, действую­щие только по одной оси; плоскостные, или двухосные, действую­щие в двух взаимно перпендикулярных направлениях; объемные, или трехосные, действующие в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Направлением действия по отношению к оси шва поперечные сварочные напряжения отличаются от продольных.

Технологию сборки и сварки конструкций следует разрабаты­вать с учетом обеспечения минимальных значений сварочных на­пряжений и в случаях, когда это диктуется условиями работы конструкции, предусматривать снятие этих напряжений.

Если значения сварочных напряжений достигают предела те­кучести металла, то происходит его пластическая деформация, т. е. изменение размеров и формы свариваемой конструкции, на­зываемое короблением.

Возникающие при сварке деформации разделяют на временные развивающиеся только во время сварки конструкции, и остаточ­ные, сохраняющиеся после завершения сварки и остывания конструкции.

В зависимости от характера, формы и размеров свариваемых деталей остаточные сварочные деформации развиваются «в плос­кости» и выходят «из плоскости» соединяемых элементов. Дефор­мация «в плоскости» проявляется в изменении (уменьшении) раз­меров конструкции, с чем необходимо считаться при раскрое де­талей и сборке под сварку, предусматривая припуск на измене­ние размеров.

Деформация «из плоскости» (угловая деформация) проявля­ется в образовании выпучин («хлопунов»), местном изгибе лис­тов, в так называемом грибовидном изгибе пояса при сварке эле­ментов тавровых и двутавровых сечений, а также в других изменениях формы изделий. Величина и характер остаточных деформа­ций в значительной степени зависят от толщины и свойств основ­ного металла, режимов сварки, формы сварных швов, последо­вательности их выполнения, конструкции свариваемых деталей.

При разработке технологии сборки и сварки конструкции сле­дует стремиться к снижению остаточных деформаций. Если вели­чина остаточных деформаций выходит за пределы допуска, то проводят правку конструкции.

Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом технологических и конструктивных факто­ров. Рассмотрим влияние некоторых из них.

Вид и способ сварки. Значительное влияние на величину сва­рочных деформаций оказывает степень концентрации теплоты. Ее высокая концентрация способствует сужению зоны, подвергаю­щейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций всей конструкции.

Величину остаточных деформаций можно снизить, заменив ручную дуговую сварку покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой в углекислом газе, аргоне или порошковой проволокой.

Влияние формы шва. Величина и характер остаточных свароч­ных деформаций заметно зависят от формы шва. При прочих рав­ных условиях Х-образная подготовка кромок благодаря симмет­ричному расположению швов относительно нейтральной оси вы­зывает меньшую угловую деформацию, чем V-образная. С целью уменьшения деформаций в некоторых случаях целесообразно при­менять двустороннюю сварку. При сварке под флюсом меньшие деформации происходят в соединениях без скоса кромок. Эффектив­ная мера снижения деформаций — уменьшение сечения шва.

Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от по­гонной энергии сварки, которая определяется выбранным режи­мом сварки. С уменьшением погонной энергии деформации сни­жаются.

Порядок сварки и закрепление свариваемых деталей. На вели­чину возникающих при сварке остаточных деформаций и напря­жений существенно влияет порядок наложения сварных швов по длине соединения и его сечению. Наибольшие остаточные дефор­мации отмечены при сварке на проход, т.е. при выполнении швов от начала до конца без перерывов. При ручной сварке для умень­шения величины деформации целесообразно выполнять швы от середины листов к краям. Эту схему применяют при выполнении сварки двумя сварщиками.

Резко уменьшает величину напряжений и деформаций так на­зываемая обратноступенчатая сварка, когда шов сваривают участ­ками таким образом, чтобы к началу сварки последующего учас­тка температура предыдущего была не выше заданного значения, например при сварке сталей — не выше 200...300 ^оС. При одно­слойной сварке это условие обеспечивается, если длина ступени равна участку, сваренному одним электродом (при сечении шва, равном 1...2 сечения стержня электрода). Уменьшение деформа­ций и напряжений при обратноступенчатой сварке связано с тем, что ее выполняют по расширенному зазору. При охлаждении од­новременно с уменьшением ширины шва уменьшается и расши­ренный зазор, что способствует снижению реактивных напряже­ний и деформаций.

Для уменьшения величины остаточных напряжений и деформа­ций при сварке многопроходных швов применяют каскадный ме­тод сварки. Существенное влияние на величину напряжений и остаточных деформаций оказывают длина и направление сварки отдельных швов.

Эффективная мера снижения остаточных деформаций — за­крепление свариваемых деталей в специальных приспособлени­ях — кондукторах.

Предварительный изгиб свариваемых деталей. В производственных условиях для устранения короблений часто применяют предвари­тельный обратный изгиб свариваемых деталей. Этот метод используют для преодоления угловых деформаций при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ши­рины с V-образной разделкой кромок их располагают не в одной плоскости, а под углом в сторону, обратную ожидаемой дефор­мации. Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок Мон­тажные стыки с закрепленными листами рекомендуется свари­вать с предварительно отогнутыми кромками, что достигается с помощью домкратов или специальных приспособлений. Для пре­дотвращения деформаций «из плоскости» тавровых или двутав­ровых сечений производят упругую или пластическую деформа­цию пояса.

С целью устранения продольных деформа­ций «в плоскости» при сварке тавровых балок применяют при­способления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожи­даемой деформации

Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры 700...750"С. Эффективная мера предотвращения выпучивания стенки в двутавровой балке, вызываемого сваркой поясных швов, — сборка с предварительным натяжением стенки. Для это­го используют сборочные стенды с домкратным устройством. По­высить жесткость тонких листов в сварных конструкциях с целью уменьшения деформаций можно путем гофрирования. С помощью прессов на тонких листах предварительно выдавливают узоры же­сткости, или гофры. Уменьшение сварочных напряжений может быть достигнуто предварительным растяжением или сжатием сва­риваемых деталей вдоль направления сварки.

Охлаждение свариваемых деталей. При дополнительном охлажде­нии сварного соединения участки, в которых возникают пласти­ческие деформации, сужаются, что приводит к уменьшению оста­точных деформаций и напряжений. При дополнительном охлаждении участки пластической деформации имеют меньшие размеры, чем при сварке в обычных условиях.

Влияние подогрева свариваемых деталей. При предварительном или сопутствующем подогреве уменьшается перепад температур между соседними участками сварного соединения, благодаря этому несколько снижаются напряжения. Установлено, что при сварке сталей с подогревом до температуры 200 °С остаточные напряже­ния по сравнению со сваркой без подогрева снижаются на 30 %. При более высокой температуре подогрева положительный эф­фект может быть еще значительнее.

Заметное влияние на напряжения оказывает сопутствующий подогрев. При сварке можно проводить как общий, так и мест­ный сопутствующий подогрев. Общий подогрев назначают при сварке деталей небольших размеров или непластичных материа­лов, например чугуна. При местном подогреве нагревают участок шириной 40... 50 мм по обе стороны от шва. Нагрев только свари­ваемых кромок не дает заметного эффекта.

Температура предварительного подогрева зависит от химиче­ского состава и толщины металла, а также от жесткости конст­рукции. С увеличением содержания углерода и легирующих добавок, толщины металла и жесткости конструкции необходим по­догрев до более высоких температур.

Если в процессе сварки не удается снизить напряжения и де­формации до заданного уровня, то появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций пу­тем последующей обработки сварной конструкции.

Термическая обработка. Для снятия напряжений сварную кон­струкцию из углеродистых конструтщионных сталей подвергают общему высокому отпуску (нагрев до 630...650"Сс выдержкой при этой температуре из расчета 2...3 мин на 1 мм толщины ме­талла). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при этом снова не возникали напряжения. Режим охлаждения в ос­новном зависит от химического состава стали. Чем больше содер­жание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300 °Сс печью, а затем на спокойном воздухе.

Релаксация (снятие) сварочных напряжений при высоком от­пуске происходит вследствие снижения предела текучести стали при температуре 600 °С до значений, близких к нулю, в результа­те материал практически не оказывает сопротивления пластичес­кой деформации.

Аргонодуговая обработка. Расплавление неплавящимся элект­родом в аргоне участка металла вдоль линии сплавления изменя­ет картину напряженного поля вследствие перехода части метал­ла в жидкое и пластичное состояние. Естественно, что при крис­таллизации расплавленного металла вновь возникнут напряже­ния, однако незначительные по величине, так как количество повторно расплавленного металла во много раз меньше, чем ко­личество металла главного шва. Расплавление небольшого коли­чества основного металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на 60...70 %. Получаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует повышению прочности сварных соединений, особенно при динамическом нагружении.

Проковка металла шва и околошовной зоны. Сварочные напря­жения могут быть сняты почти полностью, если в зоне сварки создать дополнительные пластические деформации проковкой швов. Проковку сварных швов на сталях проводят в процессе ос­тывания металла при температурах <450 °Сили < 150 °С. В интерва­ле температур 400...200°С в связи с пониженной пластичностью» металла при его проковке возможно образование надрывов. Спе­циальный нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6... 1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке про­ковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Этот же прием применяют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях. Проковка сварного соединения способствует повышению усталостной прочности конструкции.

Термическая правка. При термической правке нагрев проводят газокислородным пламенем или электрической дутой неплавящимся электродом. Температура нагрева исправляемого участка на стальной конструкции составляет 750...850 °С. Нагретый учас­ток стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает возможность расширения, в результате в уча­стке развиваются пластические деформации сжатия. После охлаж­дения линейные размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению или полному устранению остаточных деформаций.

В случае деформации тонкого листа, приваренного к массив­ной раме, правку можно осуществлять путем нагрева симметрич­но расположенных точек с выпуклой стороны листа. Нагрев сле­дует начинать от центра выпуклости.

Механическая правка. Для устранения деформации механичес­кую правку можно осуществлять на прессах или — при толщине металла до 3 мм — вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать. При механической правке образуется мест­ный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластичес­кие свойства металла снижаются, особенно у кипящей стали. Вы­зываемая наклепом неоднородность механических свойств отри­цательно сказывается на статической прочности конструкции, но особенно опасна при ее динамическом нагружении.

9.Сварочная дуга, условия горения дуги, виды дуг, вольт- амперная характеристика дуги. Любое вещество характеризуется типом взаимосвязи молекул и атомов. Известны три основных состояния веществ — твердое, жид­кое и газообразное, они отличаются расстояниями между атомами или молекулами. В твердом и жидком состояниях эти расстояния малы, этим объясняют малую сжимаемость твердых и жидких ве­ществ и их общее название — «конденсированное состояние». В газах расстояние между молекулами значительно больше, поэтому они могут сравнительно легко сжиматься под воздействием внешнего давления. Электропроводность газов также существенно отличает­ся от электропроводности веществ, находящихся в конденсиро­ванном состоянии. В твердых и жидких веществах электроны внеш­них оболочек легко теряют связь с ядром и свободно перемещают­ся по веществу. Свободные электроны, называемые электронами проводимости, являются носителями тока в конденсированных про­водниках. Газы, в которых электроны связаны со своими ядрами, в обычных условиях ток не проводят, но в электрической дуге иони­зируются и приобретают электропроводность. Электрическая дуга представляет собой один из видов элект­рических разрядов в газах, при котором наблюдается прохожде­ние электрического тока через газовый промежуток под воздей­ствием электрического поля. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных час­тиц — электронов и ионов. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Электри­ческую дугу, используемую для сварки металлов, называют сва­рочной дугой. В отличие от обычной дуги сварочная дуга представ­ляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной сме­си не только газов, но и паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т.д. Если ионизированный воздушный промежуток находится в электрическом поле, то подвижные газовые ионы приходят в дви­жение и создают электрический ток. Однако при ионизации на­ступает динамическое равновесие, заключающееся в том, что в каждую единицу времени восстанавливается столько же молекул из ионов (молизация, рекомбинация), сколько распадается. Та­ким образом, как только прекращается действие ионизирующих факторов, исчезает электропроводность и ток прекращается.Дуга является частью электрической сварочной цепи. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительно­му полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отри­цательному — катодом. Если сварку ведут на переменном токе, то каждый из электродов является попеременно анодом или ка­тодом. Промежуток между электродами называют областью дуго­вого разряда, или дуговым промежутком; длину дугового проме­жутка — длиной дуги. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дутой в отличие от сжатой, поперечное сече­ние которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа и электромагнитного полям. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При корот­ком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверх­ности катода происходит испускание электронов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с терми­ческим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием элект­рического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмис­сия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода считают непременным условием существования дугового разряда. Зажигание дуги при сварке плавящимся электродом также на­чинается с короткого замыкания. Из-за шероховатости поверхно­стей касание электрода с основным металлом происходит отдель­ными выступающими участками, которые мгновенно расплавля­ются под действием выделяющейся теплоты, образуя жидкую пе­ремычку между основным металлом и электродом. При быстром разведении электродов расплавленные перемычки растягиваются и сужаются, вследствие чего плотность тока в них доходит в мо­мент разрыва до такой величины, что обращает их в пар. При высокой температуре паров металла ионизация промежутка столь значительна, что при сравнительно небольшой разности потен­циалов между концами электродов возникает дуговой разряд. Раз­ряд поддерживается далее как стационарная устойчивая дуга в том случае, если сохраняются факторы, поддерживающие иони­зацию дугового промежутка. По длине дугового промежутка можно выделить три области катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверхность ка­тода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежут­ка, примыкающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характеризуется повышенной напряженностью и протека­ющим в ней процессом эмиссии электронов, являющимся необ­ходимым условием суще­ствования дугового разряда. Температура катодного пят­на на стальных электродах достигает 2400... 2700 °С. В катодном пятне выделяет­ся до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является разгон электронов. Падение напряжения в ка­тодной области U_к составля­ет 10...20 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверх­ности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Анодное пятно — место входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пят­но, но в результате бомбардировки электронами на нем выделя­ется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также ха­рактеризуется повышенной напряженностью. Для дуг с плавящим­ся электродом анодное падение напряжения составляет 2...6 В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги, расположенный между катодной и анодной облас­тями, имеет наибольшую протяженность в дуговом промежутке. Основным процессом здесь является ионизация, или образование заряженных частиц газа. Этот процесс происходит в результате соуда­рения электронов и нейтральных частиц газа. При достаточной энер­гии соударения частицы газа теряют электроны и образуют поло­жительные ионы. Такую ионизацию называют ионизацией соударе­нием. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энер­гия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заря­женные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая их часть не достигает катода и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, образует нейтральные ато­мы. Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинаци­ей. В столбе дуги при всех условиях горения наблюдается устойчи­вое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги нейтрален, так как в каждом его сечении одно­временно находятся равные количества противоположно заряжен­ных частиц. Температура столба дуги достигает 6000... 8000°С и бо­лее — в зависимости от плотности сварочного тока. Падение на­пряжения в столбе изменяется в пределах 10... 50 В/см, зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легкоионизующихся компонентов. К ним относятся щелочные и щелочно­земельные металлы (Са, Иа, К и др.).

Общее падение напряжения в дуге U_д =U_к + U_с +U_а

Падение напряжения в столбе дуги можно представить как

U_с=Еl_cт,

где Е — напряженность по длине, l_ст — длина столба дуги.

Значения U_к, U_а, Е практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизмен­ности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически l _ст = l_д, где 1_д —длина дуги. Тогда справедливо выражение U_д = а + Ь1_д, где а= U_к+ U_а; b = Е. Отсюда следует, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины.

Сварочные дуги классифи­цируются:

по применяемым электро­дам — с плавящимся и неплавящимся;

по степени сжатия дуги — свободная и сжатая;

по схеме подвода свароч­ного тока — прямого и кос­венного действия (рис. 2.2);

по роду тока — постоян­ного и переменного (однофазного или трехфазного) тока;

по полярности постоянного тока — прямой и обратной поляр­ности.

Дугу называют короткой, если длина ее составляет 2...4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4...6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.

2.2. Условия зажигания и устойчивость горения дуги

Для получения качественного сварного соединения необходи­мо устойчивое горение дуги, или ее стабильность. Под стабильно­стью дуги подразумевают не только устойчивое горение, но и быстрое зажигание, малую чувствительность к изменениям дли­ны дуги в определенных пределах, быстрое повторное зажигание (возбуждение) после обрыва, необходимое проплавление основ­ного металла.

Условия зажигания и устойчивого горения дуги зависят от та­ких факторов, как род тока (постоянный или переменный), пря­мая или обратная полярность при сварке на постоянном токе, диаметр электрода, состав обмазки при сварке штучными элект­родами, температура окружающей среды. Для зажигания дуги требуется большее напряжение, чем на­пряжение для горения дуги. Напряжение, подводимое от источни­ка питания к электродам при разомкнутой сварочной цепи, явля­ется напряжением холостого хода. При сварке на постоянном токе напряжение холостого хода не превышает 90 В, а на переменном — 80 В. В момент горения дуги напряжение, подаваемое от источника питания, значительно снижается и достигает значения, необходи­мого для устойчивого горения дуги. В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости.

Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи при условии постоянной длины дуги называют статической вольтамперной характеристикой дуги. Такая характеристика представ­лена на рис. 2.3.

В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряже­ние значительно уменьшает­ся, так как при повышении силы тока увеличивается по­перечное сечение столба дуги и его проводимость. Вольтамперная характеристика яв­ляется падающей.

В области 2 (100... 1000 А) при увеличении тока напря­жение сохраняет постоянную величину, так как поперечное сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Вольтамперная характеристика является жесткой, дуга горит ус­тойчиво, обеспечивается нормальный процесс сварки.

В области 3 (свыше 1000 А) увеличение силы тока вызывает возрастание напряжения, так как из-за ограничения размеров катодного пятна площадью поперечного сечения электрода рас­тет плотность тока. При этом вольтамперная характеристика ста­новится возрастающей. Дугу с падающей вольтамперной харак­теристикой используют при ручной дуговой сварке штучными электродами и неплавящимся электродом в инертных газах, а с жесткой и возрастающей — при автоматической и механизиро­ванной сварке под флюсом и в защитных газах плавящимся электродом.

При механизированной сварке плавящимся электродом иногда оперируют вольтамперной характеристикой дуги, снятой не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электро­дной проволоки (рис. 2.4). Как видно из рис. 2.4, каждой ско­рости подачи электродной проволоки соответствует уз­кий диапазон токов с устой­чивым горением дуги. Слиш­ком малый сварочный ток мо­жет привести к короткому за­мыканию электрода с издели­ем, а слишком большой — к резкому возрастанию напря­жения и ее обрыву.

Итак, первое условие зажи­гания и горения дуги — на­личие электрического источ­ника питания дуги достаточной мощности, позволяюще­го быстро нагревать катод до высокой температуры при возбуждении дуги.

Устойчивость системы источник питания — дуга определяют внешней ха­рактеристикой источника, представляющей собой зави­симость изменения напряже­ния источника (кривая 7, рис. 2.5) от сварочного тока. Свойства дуги определяют зависимостью изменения на­пряжения дуги от сварочного тока, т. е. ее статической вольтамперной характеристикой (кривая 2, рис. 2.5).

Система источник питания — дуга должна находиться в уста­новившемся состоянии, которое определяется точками А₁ и А₂. Пересечение внешней характеристики источника с осью ординат определяет напряжение холостого хода источника U₀, а с осью абсцисс — силу тока короткого замыкания I_к.

Точку А₂ называют точкой зажигания дуги, а точку А₁— точ­кой устойчивого горения. Только в этих двух точках при данной внешней характеристике источника тока имеются условия, при которых дуга может гореть. Однако система всегда автоматически будет переходить в нижнюю рабочую точку, в которой только возможно устойчивое горение дуги. Если по какой-либо причине сила тока уменьшится, то напряжение источника возрастет, а ток дуги увеличится и будет соответствовать точке А₁. Наоборот, при случайном увеличении силы тока напряжение источника бу­дет меньше напряжения дуги, ток уменьшится и режим горения дуги восстановится.

Если статическая характеристика дуги падающая, то для ус­тойчивого горения дуги внешняя характеристика источника пи­тания в рабочей точке должна быть более круто падающей, чем статическая характеристика дуги.

Более полная стабилизация горения дуги достигается при доста­точной степени ионизации столба дуги, поэтому вторым услови­ем для зажигания и горения дуги является введение в состав по­крытия штучных электродов или в состав флюсов таких элемен­тов, как калий, натрий, барий, литий, алюминий, кальций и др. Эти элементы обладают низким потенциалом ионизации и спо­собствуют быстрому зажиганию дуги.

Третьим условием устойчивости горения дуги при сварке явля­ется включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления, что позволяет вести сварочные рабо­ты металлическими электродами на переменном токе при напря­жении сварочного трансформатора порядка 60—65 В и стандарт­ной частоте тока.

При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия и условия существования дугового разряда периодически изменяются. Дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц гаснет при переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повтор­ное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом проме­жутке и на электродах в отрезки времени между каждым затуха­нием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и сте­пени ионизации дугового промежутка. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение темпера­туры несколько отстает по фазе при переходе тока через нуль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно ин­тенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отво­дом теплоты в массу детали.

Вслед за затуханием дуги меняется полярность напряжения и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях снижения температуры активных пятен и степени ионизации дугового промежутка повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышенном напряжении между электродами, именуемом пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги. Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному ре­жиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле.

Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дуго­вого промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что при­водит к необходимости дополнительного повышения пика зажи­гания. Затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих рав­ных условиях всегда происходят при меньшей длине дуги, чем при сварке на постоянном токе. При наличии в дуговом проме­жутке паров легкоионизирующихся элементов напряжение по­вторного зажигания снижается, и устойчивость горения дуги пе­ременного тока повышается.

С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, ве­личина пика зажигания — важная характеристика дуги перемен­ного тока, оказывающая существенное влияние на ее устойчи­вость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника пита­ния дуги и выше пик зажигания. Однако увеличение амплитудных значений синусоиды напряжения ограничивается правилами тех­ники безопасности, по которым максимальное эффективное зна­чение напряжения источника переменного тока для питания сва­рочных постов допускается не выше 80 В.

Общепринятая мера стабилизации сварочной дуги переменно­го тока — включение в сварочные цепи переменного тока дроссе­лей, что позволяет поддерживать стабильность дуги и регулиро­вать сварочный ток изменением индуктивного сопротивления.

При Сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материалы электрода и изделия резко различаются по сво­им теплофизическим свойствам, обнаруживается выпрямляющее действие дуги. Оно проявляется в виде протекания в цепи пере­менного тока некоторой составляющей постоянного тока, нару­шающей симметрию кривых напряжения и тока относительно оси абсцисс Наличие в сварочной цепи составляющей по­стоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышает­ся температура электрода, увеличивается его расход. Поэтому при­ходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей. При включении дросселя в сварочную цепь переменного тока происходит сдвиг фаз между напряжени­ем источника питания и током, горение дуги относительно стабилизируется. При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих ус­тойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначи­тельно и кривые тока и напряжения практически симметричны относительно оси абсцисс.

При сварке на постоянном токе зажигание и горение дуги про­текают несколько лучше, чем при сварке на переменном токе. Тем не менее, для повышения стабильности горения дуги дроссе­ли включают и в сварочную цепь постоянного тока.

Для улучшения возбуждения дуги применяют специальные высокочастотные устройства — осцилляторы, а для обеспечения надежного повторного возбуждения дуги — специальные генера­торы импульсов высокого напряжения (стабилизаторы).

2.3. Технологические характеристики дуги

Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают совокупность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на свариваемый материал, определяющую интенсив­ность плавления электрода, характер переноса электродного ме­талла, противление основного металла, формирование и каче­ство шва. К технологическим свойствам дуги относят также ее про­странственную устойчивость и эластичность. Технологические свой­ства дуги взаимосвязаны и зависят от параметров режима сварки.

Важные технологические характеристики дуги — зажигание и стабильность горения дуги. Условия ее зажигания и горения зави­сят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и длины дуги. Для надежного обес­печения процесса зажигания дуги необходимо подведение к электродам от источника питания достаточно высокого напряжения холостого хода, но в то же время безопасного для работающего. Напряжение холостого хода сварочных источников не превышает 80 В при сварке на переменном токе и 90 В — на постоянном. Обычно напряжение зажигания дуги больше напряжения горе­ния дуги на переменном токе в 1,2... 2,5 раза, на постоянном токе — в 1,2... 1,4 раза. Время установления дугового разряда составляет 10^_5...10~⁴ с. Непрерывное горение дуги будет поддерживаться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Горящая дуга может быть растянута до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации в дуговом промежутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без об­рыва дуги характеризует ее важнейшее технологическое свойство — стабильность, которая зависит от целого ряда факторов: темпе­ратуры катода, его эмиссионной способности, степени иониза­ции среды, свариваемых материалов.

10.Основные металлургические процессы при дуговой сварке, взаимодействие жидкого металла сварочной ванны с кислородом, способы раскисления металла.

По своей природе сварка плавлением — металлургический про­цесс. Под термином металлургические процессы» понимают высокотемпературные процессы взаимодействия компонентов, результатом которых является получение металла. Металлургичес­кие процессы состоят в переходе веществ из одной фазы в дру­гую, включая реакции обмена, замещения и перераспределения элементов между фазами.

В случае сварки плавлением взаимодействующие фазы — жидкий • и твердый металл, газ и жидкий шлак. Последний образуется при расплавлении шлакообразующих веществ электродного покрытия или флюса, а также в результате взаимодействия металла и газа.

Металлургические процессы протекают на всех стадиях сварки плавлением: в период плавления электрода, перехода капли жид­кого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне. Однако в отличие от общей металлургии условия протекания ме­таллургических процессов при сварке имеют ряд особенностей, влияющих как на их развитие, так и на получаемые результаты. К таким особенностям относятся:

малый объем сварочной ванны и относительные большие ко­личества реагирующих в ней фаз;

большой перегрев расплава в ванне;

интенсивное движение жидкого металла в сварочной ванне, перемешивание расплавленных продуктов;

высокие скорости изменения температуры расплавленного ме­талла.

Процессы сварки плавлением обязательно включают в себя нагрев свариваемого и присадочного металла до температур плав­ления и выше, последующее охлаждение и затвердевание. В связи с этим взаимодействие фаз идет в условиях сначала повышения, а затем понижения температуры. Это взаимодействие может быть эндотермическим, проходящим с поглощением теплоты, или экзотермическим, сопровождающимся выделением теплоты. По­вышение температуры усиливает эндотермические процессы и ослабляет экзотермические, понижение температуры действует в противоположном направлении.

В условиях сварки наблюдают активное взаимодействие рас­плавленного металла с окружающей газовой средой и флюсами, нагретыми до высоких температур. Процессы взаимодействия про­ходят с большими скоростями. Однако в связи с кратковремен­ностью существования расплава и вступлением во взаимодействие все новых порций реагирующих фаз большинство реакций в сва­рочной ванне не получает полного завершения, состояние рав­новесия не достигается. Не происходит полного очищения метал­ла шва от различных неметаллических включений, оксидов и га­зов, которые из-за быстрого затвердевания расплава не успевают удаляться в шлак и образуют дефекты.

Металлургические процессы при сварке плавлением связаны с протеканием химических реакций,.в результате которых может происходить окисление или раскисление свариваемого металла, легирование сварочной ванны определенными элементами, ра­створение и выделение в ней газов и др. Поэтому, выбирая усло­вия сварки, необходимо исходить из анализа всего комплекса физико-химических процессов, имея в виду, что общим резуль­татом их должно быть получение сварного соединения с определен­ными химическим составом и свойствами.

Рассмотрим процессы взаимодействия, имеющие общий харак­тер во всех или большинстве случаев выполнения дуговой сварки.

Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в зоне сварки в газовой среде и шлаках.

Большинство металлов взаимодействует с кислородом с обра­зованием химических соединений, которые или растворяются в металле, ухудшая его качество, или образуют шлак.

Кроме кислорода воздуха жидкий металл может окисляться водяным паром, двуокисью углерода и другими кислородосодержащими газами, присутствующими в зоне сварки.

Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3% О), Fe₃0₄ (27,6% О), Fe₂0₃ (30,1 % О). Низший оксид FeO образуется при высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кисло­рода в результате реакции Fe + О -» FeO. При понижении темпе­ратуры FeO может переходить в формы высших оксидов.

Оксид FeO представляет наибольшую опасность для качества шва, так как способен растворяться в жидком металле. Такой расплав, обладая температурой плавления меньшей, чем желе­зо, при кристаллизации затвердевает в последнюю очередь в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пласти­ческих свойств металла шва. Чем больше кислорода в сварных швах сталей находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются ме­ханические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если не успевают всплыть на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых вклю­чений.

Железо может окисляться также за счет кислорода, содержаще­гося в С0₂ и в парах воды Н2О:

В процессе сварки сталей кроме железа окисляются и другие элементы — углерод, кремний, марганец. Окисление этих эле­ментов, если они входят в состав электродного металла, проис­ходит при переходе капель через дуговой промежуток в результа­те взаимодействия с атомарным кислородом газовой среды:

В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа:

С + FeO<=> СО + Fe; Мп + FeOМпО + Fe; Si + 2FeO<=>Si0₂ + 2Fe.

Окисжние углерода, кремния и марганца приводит к уменьше­нию их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся окси­ды могут оставаться в шве в виде различных включений, значитель­но снижающих механические свойства сварных соединений, осо­бенно пластичность и ударную вязкость. Повышенное содержание кислорода вредно влияет и на другие свойства соединений — умень­шает стойкость против коррозии, повышает склонность к старе­нию, хладноломкость или красноломкость. Поэтому одно из усло­вий получения качественных сварных соединений — предупрежде­ние процессов окисления путем создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защит­ные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплав­ленного металла. Поэтому требуются меры по его раскислению. Рас­кислением называют процесс восстановления металла из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с после­дующим их удалением в шлак. Окисление и раскисление, в сущнос­ти, представляют два противоположных направления одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления сталей имеет вид FeO + Me<=>Fe + МеО, где Me — элемент-раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях свар­ки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий и угле­род. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы. Далее приведены наи­более типичные реакции раскисления.

Раскисление марганцем: FeO + МпFe + МпО. Ок­сид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо растворяет оксид железа FeO, увлекая его в шлак.

Раскисление кремнием: 2FeO + Si-» 2Fe + Si0₂. Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисле­ние кремнием сопровождается реакциями образования более лег­коплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак:

Раскисление титаном: 2FeO + Ti — 2Fe + ТЮ₂. Титан — энергичный раскислитель, при этом образуются лег­коплавкие титаниты марганца и железа:

Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну черезсоответствующим образом легированную электродную проволо­ку, через покрытие электрода или флюс, добавляя в них соответ­ствующие ферросплавы.

Раскисление углеродом: FeO + С + Fe + СО. Образую­щийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газообразном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и обра­зуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскис­ления углеродом следует подавить введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

11.Газовое оборудование сварочных автоматов, назначение оборудования. Для подготовки управления подачей газа при сварке в защит­ных газах служит газовая аппаратура — газовые редукторы, подо­греватели и осушители газов, расходомеры, смесители газов, элек­тромагнитные газовые клапаны.

Редукторы предназначены для понижения давления газа, поступающего из баллона или распределительного трубопровода, и автоматического поддержания постоянным заданного рабочего давления.

Давление газа в баллоне показывает манометр высокого дав­ления Л Газ проходит через приоткрытый пружиной 7 клапан 10 и поступает в камеру низкого давления 9. Это давление показы­вает манометр низкого давления 2. Из камеры низкого давления защитный газ через вентиль 5 подается в сварочную головку.

Регулирование рабочего давления происходит следующим об­разом. Регулировочным винтом 8 сжимают пружины 7 и 3, свя­занные с мембраной 6. При этом клапан 10 открывается, и давле­ние в камере низкого давления повышается. При случайном по­вышении давления выше допустимого открывается предохрани­тельный клапан 4 и сжатый газ выходит в атмосферу.

При сварке в аргоне применяют редукторы АР-10, АР-40 или АР-150. При сварке в углекислом газе или в его смесях использу­ют редукторы обратного действия, одновременно являющиеся расходомерами (У-30 и ДЗД-1-59М). Возможно применение так­же обычных кислородных редукторов, например РК-53, РКД-8-61.

Подогреватель предназначен для подогрева углекислого газа, поступающего из баллона в редуктор, с целью предотвращения замерзания редуктора при большом расходе углекислого газа (вследствие поглощения теплоты при испарении жидкого угле­кислого газа).

Подогреватель состоит из корпуса, трубки-змеевика, по кото­рой проходит углекислый газ, кожуха, теплоизоляции и нагревательного элемента из хромоникелевой проволоки. Подо­греватель крепят к баллону накидной гайкой. Питание осуществ­ляется постоянным током напряжением 20 В или переменным током напряжением 36 В.

Осушитель, применяемый при использовании влажного угле­кислого газа, полученного из пищевой (неосушенной) углекис­лоты, может быть высокого и низкого давления. Осушитель высо­кого давления устанавливают перед понижающим редуктором. Осушители низкого давления целесообразно применять главным образом при централизованной газовой разводке. В качестве влагопоглотителя используют силикагель или алюмогликоль, реже — медный купорос и хлористый кальций. Силикагель и медный ку­порос, насыщенные влагой, осушают путем прокаливания при температуре 250...300°С в течение 2 ч. Осушитель рассчитан на осушку 30...35 м³ углекислого газа при одной зарядке.

Расходомеры предназначены для измерения расхода защитного газа. Они могут быть поплавкового (ротаметр) и дроссельного ти­пов. Ротаметр состоит из стеклянной трубки, в которой находит­ся легкий поплавок, свободно перемещающийся в ней. Чем боль­ше расход газа и его плотность, тем выше поднимается поплавок.

Ротаметр снабжен шкалой, тарированной по расходу воздуха. Для пересчета на расход защитного газа используют графики.

Расходомер дроссельного типа построен на принципе измере­ния перепада давления на участках до и после дросселирующей диафрагмы, который зависит от расхода газа и измеряется мано­метрами. О примерном расходе защитного газа можно судить так­же по показанию манометра низкого давления газового редукто­ра. Для этого на выходе из редуктора устанавливают дроссельную шайбу (дюзу) с небольшим калиброванным отверстием. Скорость истечения газа через его отверстие, а следовательно, и расход газа будут пропорциональны давлению газа в рабочей камере. Этот принцип использован в редукторе У-30, где манометр показыва­ет непосредственно расход газа, а не давление в рабочей камере.

Смесители предназначены для получения смесей газов С0₂ + О₂ и С0₂ + Аг + 0₂ (табл. 9.7). Постовой смеситель УКП-1-71 для по­лучения смеси газов С0₂ + 0₂, отбираемых из баллонов, и авто­матического поддержания постоянными заданного состава и рас­хода газовой смеси состоит из регулятора давления с редуктором ДКП-1-65 и узла смешения газов. Состав смеси изменяют заме­ной дюз. Рамповый смеситель УКР-1-72 позволяет получить смесь С0₂ + 0₂ при отборе кислорода от рампы баллонов, а углекисло­го газа — от изотермической емкости, содержащей сжиженный переохлажденный С0₂. Смеситель обеспечивает питание газом 10...50 сварочных постов.

Газовый клапан используют для экономии защитного газа. Его следует устанавливать по возможности ближе к сварочной горел­ке. Наиболее распространены электромагнитные газовые клапа­ны. Газовый клапан включают до зажигания дуги и выключают после обрыва дуги и полного затвердевания металла в кратере шва.

Перепускная рампа служит для подачи в сварочный цех защит­ного газа при значительном его расходе. Она состоит из двух групп поочередно подключаемых баллонов, коллектора с газовой аппаратурой и трубопровода, по которому защитный газ подается к сварочным постам. Трубопроводы для подачи углекислого газа и его смесей окрашивают в черный цвет.