Дуговая сварка

Дуговая сварка - это процесс сварки, который используется для соединения металла с металлом с использованием электричества, чтобы создать достаточно тепла для плавления металла, а расплавленные металлы, когда они остынут, приводят к связыванию металлов. Это тип сварки, при котором используется источник сварочного тока для создания электрической дуги между металлической палкой (« электродом ») и основным материалом для плавления металлов в точке контакта. Сварщики могут использовать как постоянный (DC), так и переменный (AC) ток, а также расходуемые или неплавящиеся электроды.

Газовая дуговая сварка металлическим электродом
"> Файл: Мужчина сваривает металлическую конструкцию в недавно построенном доме в Бангалоре, Индия. WebmВоспроизвести медиа
Мужчина сваривает металлическую конструкцию в недавно построенном доме в Бангалоре, Индия.

Зона сварки обычно защищена каким-либо защитным газом , паром или шлаком. Процессы дуговой сварки могут быть ручными, полуавтоматическими или полностью автоматизированными. Дуговая сварка, впервые разработанная в конце XIX века, стала коммерчески важной в судостроении во время Второй мировой войны. Сегодня это остается важным процессом изготовления стальных конструкций и транспортных средств.

Сварочный аппарат с приводом от двигателя, способный выполнять сварку на переменном и постоянном токе.
Дизельный сварочный генератор (электрогенератор слева), используемый в Индонезии .

Для подачи электрической энергии, необходимой для процессов дуговой сварки, можно использовать несколько различных источников питания. Наиболее распространенная классификация - это источники питания постоянного тока и источники питания постоянного напряжения . При дуговой сварке напряжение напрямую связано с длиной дуги, а сила тока связана с количеством подводимого тепла. Источники питания постоянного тока чаще всего используются для процессов ручной сварки, таких как дуговая сварка вольфрамовым электродом и дуговая сварка в среде защитного металла, поскольку они поддерживают относительно постоянный ток даже при изменении напряжения. Это важно, потому что при ручной сварке может быть трудно удерживать электрод идеально устойчивым, и в результате длина дуги и, следовательно, напряжение имеют тенденцию колебаться. Источники питания с постоянным напряжением поддерживают постоянное напряжение и изменяют ток, и, как следствие, чаще всего используются для автоматизированных сварочных процессов, таких как дуговая сварка металлическим газом, дуговая сварка порошковой проволокой и дуговая сварка под флюсом. В этих процессах длина дуги поддерживается постоянной, так как любые колебания расстояния между проволокой и основным материалом быстро устраняются за счет большого изменения тока. Например, если проволока и основной материал подойдут слишком близко, ток будет быстро увеличиваться, что, в свою очередь, приведет к увеличению тепла и расплавлению кончика проволоки, возвращая его на исходное расстояние разделения. [1]

Направление тока, используемого при дуговой сварке, также играет важную роль при сварке. В процессах с плавящимся электродом, таких как дуговая сварка в защитном металлическом корпусе и дуговая сварка в газовой среде, обычно используется постоянный ток, но электрод может заряжаться либо положительно, либо отрицательно. Как правило, положительно заряженный анод будет иметь более высокую концентрацию тепла (около 60%). [2] «Обратите внимание, что для сварки штангой в целом чаще всего используется полярность постоянного тока +. Это обеспечивает хороший профиль шва с более высоким уровнем проплавления. Полярность постоянного тока приводит к меньшему провару и более высокой скорости плавления электрода. иногда используется, например, на тонком листе металла, чтобы предотвратить прожог ». [3] «За некоторыми исключениями, положительный электрод (обратная полярность) приводит к более глубокому проникновению. Отрицательный электрод (прямая полярность) приводит к более быстрому плавлению электрода и, следовательно, более высокой скорости осаждения». [4] В процессах с использованием неплавящихся электродов, таких как сварка газовой вольфрамовой дугой, можно использовать как постоянный ток (DC), так и переменный ток (AC). Однако при постоянном токе, поскольку электрод создает только дугу и не обеспечивает присадочный материал, положительно заряженный электрод вызывает неглубокие сварные швы, а отрицательно заряженный электрод - более глубокие сварные швы. [5] Между ними быстро проходит переменный ток, что приводит к сварке со средней проплавкой. Один из недостатков переменного тока, тот факт, что дуга должна повторно зажигаться после каждого перехода через ноль, был устранен с помощью изобретения специальных блоков питания, которые создают прямоугольную форму волны вместо нормальной синусоидальной волны , устраняя время низкого напряжения после нулевые переходы и минимизация последствий проблемы. [6]

Рабочий цикл - это спецификация сварочного оборудования, которая определяет количество минут в течение 10-минутного периода, в течение которых данный аппарат для дуговой сварки может безопасно использоваться. Например, сварщик на 80 А с рабочим циклом 60% должен «отдыхать» не менее 4 минут после 6 минут непрерывной сварки. [7] Несоблюдение ограничений рабочего цикла может привести к повреждению сварщика. Сварщики промышленного или профессионального уровня обычно имеют 100% рабочий цикл.

Дуговая сварка защищенным металлом

Одним из наиболее распространенных видов дуговой сварки является дуговая сварка в защитном металлическом корпусе (SMAW), также известная как ручная дуговая сварка металлическим электродом (MMAW) или сварка стержнем. Электрический ток используется , чтобы ударить дугу между материалом основы и плавящимся электродом стержнем или палкой . Электродный стержень изготовлен из материала, совместимого с основным свариваемым материалом, и покрыт флюсом, который выделяет пары, которые служат в качестве защитного газа и образуют слой шлака, которые защищают зону сварки от атмосферного загрязнения. . Сам сердечник электрода действует как присадочный материал, поэтому необходимость в отдельном наполнителе отпадает. Этот процесс очень универсален, требует небольшого обучения операторов и недорогого оборудования. Однако время сварки довольно велико, поскольку расходные электроды необходимо часто заменять, а шлак, остатки флюса, необходимо удалять после сварки. [8] Кроме того, процесс обычно ограничивается сваркой черных металлов, хотя специальные электроды сделали возможной сварку чугуна , никеля , алюминия , меди и других металлов. Универсальность метода делает его популярным в целом ряде приложений, включая ремонтные работы и строительство. [9]

Газовая дуговая сварка металлическим электродом (GMAW), обычно называемая MIG (для металла / инертного газа ), представляет собой полуавтоматический или автоматический процесс сварки с непрерывно подаваемой расходной проволокой, действующей как электрод и присадочный металл, а также инертный или полуавтоматический инертный защитный газ обтекал проволоку, чтобы защитить место сварки от загрязнения. Постоянное напряжение, источник питания постоянного тока чаще всего используется с GMAW, но постоянный ток переменный ток используются как хорошо. Благодаря непрерывной подаче присадочных электродов GMAW обеспечивает относительно высокие скорости сварки; однако более сложное оборудование снижает удобство и универсальность по сравнению с процессом SMAW. Первоначально разработанный для сварки алюминия и других цветных металлов в 1940-х годах, GMAW вскоре стал экономично применяться для стали . Сегодня GMAW широко используется в таких отраслях, как автомобильная промышленность, благодаря своему качеству, универсальности и скорости. Из-за необходимости поддерживать стабильную оболочку из защитного газа вокруг места сварки, может быть проблематично использовать процесс GMAW в областях с сильным движением воздуха, например на открытом воздухе. [10]

Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW) - это разновидность метода GMAW. Проволока FCAW на самом деле представляет собой тонкую металлическую трубку, заполненную порошкообразным флюсом. Иногда используется защитный газ, подаваемый извне, но часто сам флюс используется для создания необходимой защиты от атмосферы. Этот процесс широко используется в строительстве из-за высокой скорости сварки и портативности.

Сварка под флюсом (SAW) - это высокопроизводительный сварочный процесс, при котором дуга зажигается под покровным слоем гранулированного флюса. Это повышает качество дуги, поскольку загрязняющие вещества в атмосфере блокируются флюсом. Шлак, образующийся на сварном шве, обычно снимается сам по себе, и в сочетании с использованием непрерывной подачи проволоки скорость наплавки высока. Рабочие условия значительно улучшаются по сравнению с другими процессами дуговой сварки, поскольку флюс скрывает дугу и не образуется дыма. Этот процесс обычно используется в промышленности, особенно для крупногабаритных изделий. [11] Поскольку дуга не видна, она обычно автоматизирована. Пила возможна только в положениях 1F (плоская кромка), 2F (горизонтальная кромка) и 1G (плоская канавка).

Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) или сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG) - это процесс ручной сварки, в котором используется неплавящийся электрод из вольфрама , смеси инертного или полуинертного газа и отдельного присадочного материала. Этот метод, особенно полезный для сварки тонких материалов, характеризуется стабильной дугой и высококачественными сварными швами, но требует значительных навыков оператора и может выполняться только на относительно низких скоростях. Его можно использовать практически для всех свариваемых металлов, хотя чаще всего применяется для нержавеющей стали и легких металлов. Его часто используют, когда качество сварных швов чрезвычайно важно, например, в велосипедных , авиационных и морских установках. [12]

В родственном процессе, плазменной сварке , также используется вольфрамовый электрод, но для создания дуги используется плазменный газ . Дуга более концентрированная, чем дуга GTAW, что делает поперечный контроль более критичным и, таким образом, в целом ограничивает технику механизированным процессом. Благодаря стабильному току этот метод может использоваться для материалов с более широким диапазоном толщины, чем процесс GTAW, и работает намного быстрее. Его можно применять ко всем тем же материалам, что и GTAW, за исключением магния ; Автоматическая сварка нержавеющей стали - одно из важных применений этого процесса. Разновидностью процесса является плазменная резка , эффективный процесс резки стали. [13]

Другие процессы дуговой сварки включают атомно-водородную сварку , углеродную дуговую сварку, электрошлаковую сварку , электрогазовую сварку и дуговую сварку шпилек .

Некоторые материалы, особенно высокопрочные стали, алюминий и титановые сплавы, подвержены водородной хрупкости . Если электроды, используемые для сварки, содержат следы влаги, вода разлагается под действием тепла дуги, и выделяющийся водород попадает в решетку материала, вызывая его хрупкость. Электроды для таких материалов со специальным маловодородным покрытием поставляются в герметичной влагозащищенной упаковке. Новые электроды можно использовать прямо из банки, но при подозрении на поглощение влаги их необходимо высушить путем запекания (обычно при температуре от 450 до 550 ° C или от 840 до 1020 ° F) в сушильном шкафу. Используемый флюс также должен быть сухим. [14]

Некоторые аустенитные нержавеющие стали и сплавы на основе никеля склонны к межкристаллитной коррозии . При длительном воздействии температур около 700 ° C (1300 ° F) хром вступает в реакцию с углеродом в материале, образуя карбид хрома и истощая края кристаллов хрома, ухудшая их коррозионную стойкость в процессе, называемом сенсибилизацией . Такая сенсибилизированная сталь подвергается коррозии в областях вблизи сварных швов, где температура и время были благоприятными для образования карбида. Этот вид коррозии часто называют распадом сварного шва.

Knifeline attack (KLA) - это еще один вид коррозии сварных швов, поражающих стали, стабилизированные ниобием . Карбид ниобия и ниобия растворяется в стали при очень высоких температурах. При некоторых режимах охлаждения карбид ниобия не осаждается, и тогда сталь ведет себя как нестабилизированная сталь, вместо этого образуя карбид хрома. Это влияет только на тонкую зону шириной несколько миллиметров в непосредственной близости от сварного шва, что затрудняет обнаружение и увеличивает скорость коррозии. Конструкции из таких сталей должны быть нагреты в целом примерно до 1000 ° C (1830 ° F), когда карбид хрома растворяется и образуется карбид ниобия. Скорость охлаждения после такой обработки значения не имеет. [15]

Неправильно подобранный присадочный металл (материал электродов) для условий окружающей среды также может сделать их коррозионно- чувствительными. Также возникают проблемы гальванической коррозии, если состав электрода достаточно отличается от свариваемых материалов или сами материалы не похожи друг на друга. Даже между разными марками нержавеющих сталей на основе никеля коррозия сварных соединений может быть серьезной, несмотря на то, что они редко подвергаются гальванической коррозии при механическом соединении. [16]

Контрольный список безопасности при сварке

Сварка может быть опасной и вредной для здоровья практикой без надлежащих мер предосторожности; однако при использовании новых технологий и надлежащей защиты риск травм или смерти, связанных со сваркой, может быть значительно снижен.

Опасность нагрева, пожара и взрыва

Поскольку во многих обычных сварочных процедурах используется открытая электрическая дуга или пламя, существует значительный риск ожогов от тепла и искр . Чтобы предотвратить их, сварщики носят защитную одежду в виде толстых кожаных перчаток и защитных курток с длинными рукавами, чтобы избежать воздействия сильной жары, огня и искр. Использование сжатых газов и пламени во многих сварочных процессах также создает опасность взрыва и пожара; некоторые общие меры предосторожности включают ограничение количества кислорода в воздухе и хранение горючих материалов вдали от рабочего места. [17]

Повреждение глаз

Сварочный кожух с автоматическим затемнением, картридж 90 × 110 мм и зона обзора 3,78 × 1,85

Воздействие яркого света на область сварного шва приводит к состоянию, называемому дуговым глазом, при котором ультрафиолетовый свет вызывает воспаление роговицы и может обжечь сетчатку глаз. Сварочные очки и шлемы с темными лицевыми пластинами - намного темнее, чем очки в солнечных очках или кислородно-топливных очках - носят для предотвращения этого воздействия. В последние годы были произведены новые модели шлемов с лицевой панелью, которая автоматически самозатемняется с помощью электроники. [18] Чтобы защитить посторонних, зону сварки часто окружают прозрачные сварочные завесы. Эти занавески, сделанные из полиэтиленовой пленки поливинилхлорида , защищают находящихся поблизости рабочих от воздействия ультрафиолетового излучения электрической дуги. [19]

Вдыхаемый материал

Сварщики также часто подвергаются воздействию опасных газов и твердых частиц. При таких процессах, как дуговая сварка порошковой проволокой и дуговая сварка защитным металлом, образуется дым, содержащий частицы различных типов оксидов . Размер рассматриваемых частиц имеет тенденцию влиять на токсичность паров, при этом более мелкие частицы представляют большую опасность. Кроме того, многие процессы производят различные газы (чаще всего углекислый газ и озон , но также и другие), которые могут оказаться опасными при недостаточной вентиляции.

Помехи для кардиостимуляторов

Было обнаружено, что некоторые сварочные аппараты, в которых используется высокочастотный компонент переменного тока, влияют на работу кардиостимулятора в пределах 2 метров от блока питания и 1 метра от места сварки. [20]

Николай Бенардос

Хотя примеры кузнечной сварки восходят к эпохе бронзы и железного века , дуговая сварка стала применяться гораздо позже.

В 1800 году Хэмфри Дэви открыл короткие импульсные электрические дуги. [21] [22] Независимо русский физик Василий Петров открыл непрерывную электрическую дугу в 1802 году [22] [23] [24] [25] и впоследствии предложил ее возможные практические применения, включая сварку. [26] Дуговая сварка была впервые разработана, когда Николай Бенардос представил дуговую сварку металлов углеродным электродом на Международной выставке электричества в Париже в 1881 году, которая была запатентована вместе со Станиславом Ольшевским в 1887 году. [27] В том же году французская Изобретатель электротехники Огюст де Меритенс также изобрел метод сварки угольной дугой, запатентованный в 1881 году, который успешно использовался для сварки свинца при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов . [28] Достижения в области дуговой сварки продолжились с изобретением металлических электродов в конце 19 века русским Николаем Славяновым (1888 г.) и американцем К. Л. Гробом . Примерно в 1900 году компания AP Strohmenger выпустила в Великобритании металлический электрод с покрытием, который давал более стабильную дугу. В 1905 году русский ученый Владимир Миткевич предложил использовать для сварки трехфазную электрическую дугу. В 1919 году сварка на переменном токе была изобретена CJ Holslag, но не стала популярной в течение следующего десятилетия. [29]

В то же время были разработаны конкурирующие сварочные процессы, такие как контактная сварка и кислородно-топливная сварка ; [30], но оба, особенно последний, столкнулись с жесткой конкуренцией со стороны дуговой сварки, особенно после того , как продолжалась разработка металлических покрытий (известных как флюс ) для электрода для стабилизации дуги и защиты основного материала от примесей. [31]

Молодая женщина занимается дуговой сваркой на заводе по производству боеприпасов в Австралии, 1943 год.

Во время Первой мировой войны в судостроении Великобритании начали использовать сварку вместо клепанных стальных листов. Американцы также стали более восприимчивыми к новой технологии, когда процесс позволил им быстро отремонтировать свои корабли после нападения Германии в гавани Нью-Йорка в начале войны. [32] Дуговая сварка была впервые применена к самолетам во время войны, и фюзеляжи некоторых немецких самолетов были построены с использованием этого процесса. [33] В 1919 году британский кораблестроитель Каммелл Лэрд начал строительство торгового судна «Фуллагар» с полностью сварным корпусом; [34] она была спущена на воду в 1921 году. [35]

В течение 1920-х годов в технологии сварки были достигнуты большие успехи, включая введение в 1920 году автоматической сварки, при которой электродная проволока подавалась непрерывно. Защитный газ стал предметом пристального внимания, поскольку ученые пытались защитить сварные швы от воздействия кислорода и азота в атмосфере. Пористость и хрупкость были основными проблемами, и разработанные решения включали использование водорода , аргона и гелия в качестве сварочной атмосферы. [36] В течение следующего десятилетия дальнейшие успехи позволили сварку химически активных металлов, таких как алюминий и магний . Это, в сочетании с разработками в области автоматической сварки, переменного тока и флюсов, привело к значительному развитию дуговой сварки в 1930-х годах, а затем во время Второй мировой войны . [37]

В середине века было изобретено много новых методов сварки. Сварка под флюсом была изобретена в 1930 году и продолжает оставаться популярной сегодня. В 1932 году россиянин Константин Хренов успешно осуществил первую подводную электродуговую сварку . Газовая вольфрамовая дуговая сварка после десятилетий развития была окончательно доведена до совершенства в 1941 году, а в 1948 году последовала газовая дуговая сварка металлическим электродом , позволившая быстро сваривать цветные материалы, но требуя дорогостоящих защитных газов. Используя расходный электрод и атмосферу двуокиси углерода в качестве защитного газа, он быстро стал самым популярным процессом дуговой сварки металла. В 1957 году дебютировал процесс дуговой сварки порошковой проволокой, в котором самозащитный проволочный электрод можно было использовать с автоматическим оборудованием, что привело к значительному увеличению скорости сварки. В том же году была изобретена плазменная сварка . Электрошлаковая сварка была выпущена в 1958 году, а в 1961 году последовала ее родственница - электрогазовая сварка [38].

  • Сварщик  - Торговец, специализирующийся на сплавлении материалов.
  • Робот-сварка
  • Датчики для дуговой сварки
  • Гарантия качества сварных швов

Заметки

  1. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 246-249
  2. ^ "Сварка металлургии: физика дуги и поведение сварочной ванны" (PDF) . Canteach .
  3. ^ «Полярность постоянного и переменного тока для SMAW» . Линкольн Электрик . Проверено 20 ноября 2017 года .
  4. ^ «AC / DC: понимание полярности» . Проверено 20 ноября 2017 года .
  5. ^ Lincoln Electric 1994 , стр. 5.4.5
  6. ^ Weman 2003 , стр. 16
  7. ^ Что означает «рабочий цикл» сварщика? http://www.zena.net/htdocs/FAQ/dutycycle.shtml
  8. ^ Weman 2003 , стр. 63
  9. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 103
  10. ^ Lincoln Electric 1994 , стр. 5.4.3
  11. ^ Weman 2003 , стр. 68
  12. ^ Weman 2003 , стр. 31 год
  13. ^ Weman 2003 , стр. 37-38
  14. ^ Отогнать влаги и получить лучшие Швы архивации 15 марта 2006, в Wayback Machine
  15. ^ Межкристаллитной коррозии архивации 2006-04-21 в Wayback Machine
  16. ^ Гальваническая коррозия
  17. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 52-62
  18. ^ http://ohsonline.com/articles/2005/10/through-a-glass-darkly.aspx
  19. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 42, 49-51
  20. ^ Марко, Дэвид; Эйзингер, Джордж; Хейс, Дэвид Л. (1992). «Тестирование рабочей среды на электромагнитные помехи». Стимуляция Clin Electrophysiol . 15 (11 Pt 2): 2016–22. DOI : 10.1111 / j.1540-8159.1992.tb03013.x . PMID  1279591 .
  21. ^ Герта Айртон. Электрическая дуга , стр. 20 и 94 . Д. Ван Ностранд Ко., Нью-Йорк, 1902 год.
  22. ^ а б Андерс, А. (2003). «Отслеживание происхождения науки о дуговой плазме-II. Ранние непрерывные разряды» . IEEE Transactions по науке о плазме . 31 (5): 1060–9. Bibcode : 2003ITPS ... 31.1060A . DOI : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
  23. ^ "Дуговой разряд" [электрическая дуга], Большая советская энциклопедия[ Большая Советская Энциклопедия ] (на русском языке)
  24. ^ Лазарев, ПП (декабрь 1999), "Исторический очерк 200 лет развития естественных наук в России" ( на русском языке ) , УФН , 42 (1247): 1351-1361, Bibcode : 1999PhyU ... 42.1247L , doi : 10.1070 / PU1999v042n12ABEH000750 , архив (PDF) из оригинала 11.02.2011.
  25. ^ Ши, Уильям Р., изд. (1983). Математизированная природа: исторические и философские примеры в классической современной натурфилософии . Дордрехт: Рейдел. п. 282. ISBN. 978-90-277-1402-2.
  26. ^ "Encyclopedia.com. Полный словарь научной биографии" . Сыновья Чарльза Скрибнера. 2008 . Проверено 9 октября 2014 года .
  27. ^ «Начало дуговой сварки под флюсом» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 04 марта 2016 года.
  28. ^ Хоулдкрофт, PT (1973) [1967]. «Глава 3: Дуговая сварка в защитном флюсе». Сварочные процессы . Издательство Кембриджского университета. п. 23. ISBN 978-0-521-05341-9.
  29. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 5-6
  30. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 6
  31. ^ Weman 2003 , стр. 26 год
  32. ^ "Weld It!" . Журнал ВРЕМЯ . 1941-12-15 . Проверено 7 ноября 2008 .
  33. ^ Lincoln Electric 1994 , стр. 1.1-5
  34. ^ Временная шкала Королевских военно-морских и мировых событий
  35. ↑ Тематические исследования по судостроению, заархивированные 3 февраля 2009 года, на Wayback Machine.
  36. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 7
  37. ^ Lincoln Electric 1994 , стр. 1.1-6
  38. ^ Cary & Helzer 2005 , стр. 9

Источники

  • Кэри, Говард Б.; Хелцер, Скотт К. (2005), Современные сварочные технологии , Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Pearson Education, ISBN 978-0-13-113029-6
  • Калпакджян, Серопе; Шмид, Стивен Р. (2001), Производство и технология , Прентис-Холл, ISBN 978-0-201-36131-5
  • Lincoln Electric (1994), Руководство по процедуре дуговой сварки , Кливленд, Огайо: Lincoln Electric, ISBN 978-99949-25-82-7
  • Weman, Klas (2003), Справочник по сварочным процессам , Нью-Йорк: CRC Press, ISBN 978-0-8493-1773-6

  • ASM International (общество) (2003). Тенденции исследований в области сварки. Парк материалов, Огайо : ASM International. ISBN  0-87170-780-2
  • Блант, Джейн и Найджел С. Балчин (2002). Здоровье и безопасность при сварке и родственных процессах. Кембридж : Вудхед. ISBN  1-85573-538-5 .
  • Хикс, Джон (1999). Конструкция сварных соединений. Нью-Йорк : Промышленная пресса. ISBN  0-8311-3130-6 .

  • Видео о вспышке дуги (25:39) от Национального института охраны труда США