История и принцип работы сварки

22 апреля 2019

«Предмет изобретения составляет способ соединения и разъединения металлов действием электрического тока… основанный на непосредственном образовании вольтовой дуги между местом обработки металла, составляющим один электрод, и подводимой к этому месту рукояткою, содержащею другой электрод, и соединённой с соответственным полюсом электрического тока. С помощью этого способа могут быть выполнены следующие работы: соединение частей между собой, разъединение или разрезывание металлов на части, сверление и производство отверстий и полостей и наплавление слоями.»

Вот такое было описание первого патента, «привилегии» на сварочный аппарат . В Департамент торговли и мануфактур обратился ещё мало известный инженер Н. Н. Бенардос. Шёл 1886 год.

Люди знакомы с металлами уже несколько тысяч лет — оружие, украшения, домашняя утварь, предметы обихода. Мы плавили, ковали, и даже научились штамповать, но строить из него мы начали много позже, когда на смену чугуну пришла сталь. Элементы домов, мосты, котлы, корабли, паровые машины, трубопроводы, автомобили — сейчас сталь составляет около 90% всего потребляемого металла. Чёрная металлургия во второй половине девятнадцатого века выдала первые успешные плавки высококачественного конструкционного материала. Тогда нужно было научиться соединять крупные детали максимально надёжно, заклёпки и болты уже не справлялись с поставленной перед ними задачей. Николай Николаевич Бенардос в 1882 году изобрёл «Электрогефест» — дуговую электрическую сварку металлов угольным электродом. В 1886 году им была получена «привилегия» на сварочную технологию.

В 1888 году Николай Гаврилович Славянов публично продемонстрировал дуговую сварку плавящимся электродом со слоем флюса, так называемую электрическую отливку металлов. Инженер доказал, что, кроме всего прочего, дуговая технология позволяет работать не только с чёрным металлом, но и с различными цветными металлами и сплавами. В 1905 году сварку подключили к трёхфазному току — во всём мире начали варить в промышленных масштабах.

Как работает сварка? Немного теории

Дуговая сварка получила широчайшее применение, так как технология позволила производить неразъёмное соединение металлов, причём шов по прочности не уступает массиву материала. Это обстоятельство объясняется непрерывностью образованных структур и наличием молекулярных сцеплений между деталями.

В основе процесса лежит воздействие высокой температуры. Теоретически, подобные межатомные соединения материалов можно получить приложением высокого давления (механический метод). Но этот финт годится только для мягких металлов, типа свинца, а в случае с твёрдой сталью требуется плавление.

Электрическая дуга

Подходящий температурный режим в несколько тысяч градусов может обеспечить электрическая дуга. По сути, это короткое замыкание между двумя достаточно приближенными друг к другу электродами. Напряжение, подаваемое на электроды, увеличивают, пока не произойдёт пробой воздуха, который является изолятором. Пробой является эмиссией электронов одного из них (катода), которые, разогреваемые током, выходят и движутся к ионизированным атомам второго (анода). Дальше всё происходит очень быстро: появляется искрение (разряд) — электрическая цепь импульсно замыкается — воздух зазора ионизируется — образовывается плазма (особое состояние газа) — сопротивление воздушной прослойки падает — ток усиливается ещё больше — дуга разогревается, становится проводником и замыкает цепь. Этот процесс называется «розжигом» дуги. Теперь остаётся её стабилизировать, это делается установлением необходимого расстояния между электродами и поддержанием заданных характеристик энергоснабжения.

Процесс сваривания металлов

Электрическая дуга при металлообработке может действовать «косвенно» — если она организовывается между независимыми от основного металла электродами. Но чаще дуга разжигается «прямо» — между деталью, которая является частью электрической цепи, и электродом (для этого сварщик «крокодилом» подключает «массу»). Итак, от сварочного аппарата ток (переменный или постоянный) подводится к заготовке, дуга разгорается и своим теплом оплавляет кромки свариваемых деталей. Образуется так называемая «сварочная ванна», где металл некоторое время находится в жидком состоянии. Сюда же попадает расплав, капающий с торца стержня электрода, а его горящее покрытие обеспечивает газовую защиту вокруг дуги (о ней будет далее) и текучую шлаковую ванну. По мере удаления дуги от рабочей зоны, металл отвердевает, и формируется шов, а на его поверхности образуется панцирь, корка из всплывшего шлака.

Сварочные проблемы и их решение

Это мы упрощённо рассмотрели распространённую технологию, при которой применяется плавящийся стержень-электрод или проволока-присадка, но бывают варианты и с неплавящимся электродом (угольный, графитовый, вольфрамовый) — например, при аргоновой сварке, где шов заполняют отрезками плавящейся проволоки. Вообще, выбор правильного электрода, как и способа сварки — дело крайне важное, от которого зависит, будет ли шов достаточно надёжным, будет ли он по своим механическим свойствам соответствовать основному металлу. Речь идёт не о диаметре, хотя и тут нужно думать, так как не всё зависит от толщины (ещё важна специфика материала, форма кромок деталей, характер энергии, пространственного положения сваривания). Электроды и проволока различных марок могут в той или иной степени лучше подходить для работ с различной «длиной» дуги, «глубиной» проплавления. Их обмазка/шихта может не только кардинально влиять на процесс сварки, но и менять свойства шва, его химический состав.

В процессе сварочная ванна должна быть защищена от воздействия воздуха, чтобы исключить окисление металла. Для этого в рабочей зоне создают особую среду. Есть два варианта действия. Первое — технология MIG-MAG, когда из специального баллона подаётся газ (аргон, гелий, CO2). Второе — сжиганием обмазки электрода, при которой образуется защитный шлаковый или шлакогазовый «купол». Электродные покрытия при горении связывают кислород и выводят его из шва. Кроме этого, содержащиеся в них вещества помогают ионизировать дугу (стабилизируют, упрощают розжиг), легируют и рафинируют металл шва, вносимыми веществами улучшая его физические свойства.

Сварка является довольно капризным процессом с точки зрения стабильности электроснабжения, ибо требуемый температурный режим напрямую зависит от параметров тока. Для получения качественного результата здесь нужно обеспечить устойчивость электрической дуги. Только стабильная дуга позволит избежать появления дефектов шва, особенно в начале и конце сваривания (розжиг и затухание). Выходит, что важнейший момент — характеристики тока, подаваемого от источника. Чем массивнее свариваемые детали, тем глубже должно быть плавление, тем большего диаметра применяют электрод, и больше мощности и силы нужно для работы. Выбор силы тока всегда актуален для оператора (зачастую её удаётся определить лишь опытным путём), иногда она регулируется в процессе, в некоторых случаях — жёстко фиксируется. Есть одна особенность: дуга, получаемая от источника постоянного тока, горит стабильнее, без прерываний. От «постоянной» энергии нет смены полярности, образуется меньше брызг металла, шов получается во всех отношениях качественнее. А вот сварка переменным током является несколько сложнее, так как необходимо иметь серьёзные навыки в поддержании оптимальной дуги, добиться высокого качества в этом случае — очень непросто. Однако, в отличие от других материалов, алюминий и его сплавы «любят», когда их варят переменным током.

Заметим, что человеческий фактор в процессе сваривания металлов стоит на первом месте. Кроме выбора режима работы и типа присадки, мастеру необходимо зажечь и поддержать дугу, выбирая её длину, он должен правильно перемещать электрод (и дугу) по линии наложения шва, плавно расплавляя кромки деталей. Во многом именно от твёрдой руки сварщика зависит, насколько чётко будет распределён расплав, насколько красивым, однородным и прочным будет шов.

Купить сварочный аппарат в Алматы

Источник: rmnt.ru


Вернуться на уровень выше