Реферат на тему электродуговая сварка

Обновлено: 06.07.2024

Сущность процесса дуговой электросварки заключается в том, что для расплавления свариваемых деталей и присадочного материала используется тепло, развиваемое электрической дугой, возникающей в свариваемом месте или подводимой к нему извне.

Способы дуговой электрической сварки, следовательно, можно разделить на две основные группы:

1) сварка дугой прямого действия и

2) сварка дугой косвенного действия.

В первом случае изделие включается в электрическую сварочную цепь и дуга возбуждается и горит между изделием и электродом.

Во втором случае дуга горит между двумя электродами, и источник сварочного тока к изделию не присоединяется.

И в первом, и во втором случаях можно применять как металлические, так и угольные электроды. Следовательно, по материалу применяемых для сварки электродов может иметь место:

1) сварка угольным (или двумя угольными) электродом и

2) сварка металлическим электродом (или двумя металлическими электродами) .

Первым электрическую дугу для сварки металлов применил русский инженер Н. Н. Бенардос в 1882 г.; при сварке по способу Бенардоса используется тепло, развиваемое дугой, возникающей между основным металлом и подводимым к месту сварки угольным электродом. Схема сварки по этому способу, т. е. сварки угольным электродом, показана на фиг. 356, а. Дуга 3 расплавляет основной металл 1. Если требуется пополнить ванну расплавленного металла, в дугу вводится конец прутка присадочного материала 4. При способе Бенардоса обычно применяется постоянный ток. Угольный электрод 2 присоединяется к отрицательному полюсу, металл — к положительному.

В 1888 г. другим русским инженером — Н. Г. Славяновым был предложен способ электродуговой сварки, при котором угольный электрод заменяется металлическим. Схема сварки по способу Славянова, т. е. сварки металлическим электродом, показана на фиг. 356,б; при этом способе металлический электрод одновременно является и присадочным металлом. При способе Славянова может применяться как постоянный, так и переменный ток.

Существует также способ, при котором основной металл не включается в электрическую цепь и дуга является не зависимой от основного металла. На фиг. 356, в показана схема разработанного также Н. Н. Бенардосом способа сварки независимой дугой, или угольной дугой косвенного действия. Между электродами 1 возникает дуга 2, отклоняемая в сторону основного металла 3 действием электромагнита 4; 5 — присадочный пруток. В современных электрододержателях для сварки независимой дугой электромагнит 4 отсутствует, так как дуга и без последнего отклоняется собственным магнитным полем сварочного контура. Объясняется отклонение дуги тем, что плотность силовых линий магнитного потока, охватывающего дугу внутри угла, образованного электродами, больше, чем плотность снаружи этого угла.

Способ сварки угольной дугой косвенного действия в настоящее время почти не имеет практического применения. Способ сварки металлической дугой косвенного действия применяют для сварки стали небольшой толщины (от 0,5 мм) и цветных металлов. Способ сварки угольной дугой прямого действия имеет ограниченное применение; способ Славянова, т. е. дуговая сварка металлической дугой, является наиболее распространенным из всех способов сварки вообще.

Для возникновения электрической дуги при помощи короткого замыкания необходима сравнительно небольшая разность потенциалов, которая составляет около 45 в при постоянном токе и около 60 в при переменном; после возбуждения дуги напряжение падает. Для возбуждения сварочной дуги электрод замыкается на изделие на очень короткий промежуток времени (около 1 /₁₀ секунды), но достаточный для нагрева конца электрода и изделия. При коротком замыкании вследствие омического сопротивления нагреваются в месте соприкосновения (контакта) как конец электрода, так и часть изделия добела; после прекращения короткого замыкания (т. е. отдергивания электрода) отрицательный электрод (например, угольный электрод на фиг. 356, а) начинает выделять электроны, которые с большой скоростью устремляются к положительному электроду (т. е. к изделию на фиг. 356, а) и бомбардируют его. Кинетическая энергия электронов переходит в теплрвую, и место столкновения электронов с анодом, т. е. с изделием (на фиг. 356, а) сильно нагревается. Положительно заряженные ионы, находящиеся в газовом промежутке между электродами (в столбе дуги), притягиваются катодом и, ударяясь о него, нагревают его; в результате нагрева катод сохраняет способность к дальнейшему выделению электронов, и, таким образом, дуга будет поддерживаться.

При переменном токе условия возникновения и поддержания дуги остаются теми же, что и при постоянном, с той разницей, что в этом случае вследствие периодического изменения напряжения происходят перерывы течения тока и, следовательно, уменьшается ионизация газового пространства между электродами; уменьшение степени ионизации газового промежутка уменьшает стабильность дуги.

При питании дуги переменным током и пользовании металлическим электродом зажигание дуги затрудняется вследствие больших потерь тепла как в электроде, так и в основном металле; для улучшения условий зажигания дуги, питаемой переменным током, необходимо поддержание ионизации газового промежутка между электродами и после затухания дуги. Одним из средств,

применяемых для этого, является покрытие (обмазка) металлических электродов легко ионизирующимися веществами, как мел, поташ и др.

Напряжение между электродами, необходимое для горения дуги, зависит от длины дуги, материала электрода, силы тока, характера и давления газовой среды; оно может быть определено из эмпирической формулы

где l— длина дуги в мм;

I — сила тока в а;

а, Ь, с и d коэфициенты, зависящие от материала электродов, характера

и давления газовой среды, рода тока.

Так как последний член этого уравнения при значительных силах тока, применяемых при сварке, имеет небольшую величину, написанное выше уравнение можно представить в упрощенном виде:

Таким образом, напряжение мало зависит от силы тока и находится в прямой зависимости от длины дуги.

На фиг. 357 показана зависимость между напряжением и силой тока для дуги между металлическими (стальными) электродами при длине дуги 5 мм; из этого графика видно, что напряжение при одинаковых прочих условиях зависит главным образом от длины дуги; так, для дуги длиной 5 мм напряжение при силе тока, начиная с 30 а, перестает заметно изменяться. Это можно видеть и из формулы v =а +. bl, если подставить в нее соответствующие разбираемому случаю величины: для железных электродов и воздушной среды а — 15,5 и b — 2,5; тогда v = 15,5 + 2,5·5 = 28.

Дуга, образовавшаяся между электродом 1 и основным металлом 2, расплавляет основной металл; в расплавленном металле непосредственно под дугой образуется углубление—кратер 3 (фиг. 358). Расстояние от конца электрода

до дна кратера называется длиной дуги; при сварке металлическим электродом оно не должно превосходить 3—4 мм, так как при более длинной дуге сильно увеличивается взаимодействие между расплавленным металлом электрода и воздухом, ведущее к понижению механических качеств наплавленного металла 5. При угольном электроде дугу поддерживают длиной не менее 15—20 мм, так как при короткой дуге наплавленный металл сильно науглероживается.

Мероприятия по снижению влияния вредных факторов при ручной дуговой сварке.

Мероприятия по снижению влияния трех основных опасных факторов

Оценка факторов рабочей среды с учетом принятых мер

Безопасность труда – это такое состояние его условий, при котором исключено негативное воздействие на работающих людей опасных и вредных производственных факторов. В наш век, век научно-технического прогресса, когда особенностью производства является применение самых разнообразных технологических процессов, сложных по своей физико-химической основе, использование высокотоксичных, легковоспламеняющихся веществ, различного рода излучений, а также внедрение новых материалов, которые часто недостаточно изучены с точки зрения негативных последствий их применения, особенно остро стоит вопрос о безопасности. И, несмотря на внедрение новых, более современных и безопасных для человека технологий, остается много отраслей, где травматизм являет собой значительную проблему. Таким образом, можно сказать, что уровень производственного травматизма в России сегодня в первую очередь определяется технологическим уровнем производства.

Одна из отраслей, где вопрос о безопасности технологического процесса является наиболее актуальным, является отрасль металлообработки, где не последнее место занимает процесс сварки.

Сваркой называют технологический процесс получения механически неразъемных соединений, характеризующихся непрерывностью структур – структурной непрерывной связью.

Это технологический процесс, с помощью которого изготавливаются все основные конструкции гидротехнических сооружений, паровых и атомных электростанций, автодорожные, городские и железнодорожные мосты, вагоны, наводные и подводные корабли, строительные металлоконструкции, всевозможные подъемные краны и многие другие изделия.

Многообразие свариваемых конструкций и свойств материалов, используемых для изготовления, заставляют применять различные способы сварки, разнообразные сварочные источники теплоты. Для сварочного нагрева и формирования сварного соединения используются: энергия, преобразованная в тепловую посредством дугового разряда, электронного луча, квантовых генераторов; джоулево тепло, выделяемое протекающим током по твёрдому или жидкому проводнику; химическая энергия горения, механическая энергия, энергия ультразвука и других источников.

Все эти способы требуют разработки, производства и правильной эксплуатации разнообразного оборудования, в ряде случаев с применением аппаратуры, точно дозирующей энергию, со сложными схемами, иногда с использованием технической электроники и кибернетики.

Описание процесса электродуговой сварки

Электродуговая сварка – наиболее широко применяемая группа процессов сварочной технологии.

При электродуговой сварке кромки соединяемых деталей расплавляются электрическим дуговым разрядом. Для сварки необходим сильноточный источник питания низкого напряжения, к одному зажиму которого присоединяется свариваемая деталь, а к другому – сварочный электрод. Электрическая дуга представляет собой устойчивый длительный электрический разряд между двумя электродами в ионизированной газовой среде. Дуга состоит из анодной области, катодной области и столба. Главная роль дугового разряда – преобразование электрической энергии в теплоту. Температура дуги на оси газового столба достигает 6000. 7500°С, что позволяет расплавить практически все металлы и сплавы. На поверхностях анода и катода температура дуги снижается до 3500 – 4000 0 С. Столб дуги окружен пламенем (ореолом). Из-за большого концентрации тепла и высоких температур при сварке тонкого или легкоплавкого металла, а также чувствительных к перегреву высокоуглеродистых, нержавеющих и легированных сталей электрическую дугу питают током обратной полярности. То есть минус источника тока подключают к изделию.

В результате очень высоких температур дуги возникают опасные факторы: интенсивное излучение сварочной дуги в оптическом диапазоне (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное) и интенсивное тепловое (инфракрасное) излучение свариваемых изделий и сварочной ванны.

Интенсивность излучения и его спектральный состав зависят от мощности дуги, применяемых сварочных материалов, защитных и плазмообразующих газов и т.п. При отсутствии защиты возможно поражение органов зрения (электроофтальмия, катаракта и т.п.) и кожных покровов (эритемы, ожоги и т.п.). А интенсивность инфракрасного (теплового) излучения зависит от температуры предварительного подогрева изделий, их габаритов и конструкций, а также от температуры и размеров сварочной ванны. При отсутствии средств индивидуальной защиты воздействие теплового излучения может приводить к нарушениям терморегуляции вплоть до теплового удара. Контакт с нагретым металлом может вызвать ожоги.

Электрическая дуга возникает в результате сильного нагрева торца электрода (катода), который под действием электрического поля начинает испускать свободные электроны (электронная эмиссия). В дуговом промежутке образуются положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы. Положительные ионы – это атомы, потерявшие электроны; отрицательные ионы – это частицы, присоединившие электроны. В образовании дуги главную роль играют положительные ионы. Процесс образования ионов называют ионизацией; газ в дуговом промежутке, содержащий ионы, становится ионизированным, а дуговой промежуток – электропроводным.

Длина дуги. При горении дуги на поверхности свариваемого изделия образуется ванна расплавленного металла (сварочная ванна) с углублением – кратером. Расстояние от конца электрода до поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Длина дуги при ручной дуговой сварке металлическим электродом составляет от 2 до 6 мм. Практически можно считать нормальной дугу, длина которой приблизительно равна диаметру электродного стержня. Длинной называется дуга, длина которой более 1-1,5 диаметра электрода.

Сварку обычно выполняют короткой дугой. При сварке длинной дугой происходит сильное разбрызгивание, окисление капель расплавленного металла, что ведет к пористости шва и плохому сплавлению наплавленного и основного металлов. Так же искры, брызги и выбросы расплавленного металла и шлака могут явиться причиной ожогов.

При сварке угольным электродом длина дуги может достигать 15-20 мм. Напряжение дугового разряда связано прямой зависимостью с длиной дуги: чем длиннее дуга, тем выше напряжение разряда. Точная форма этой зависимости определяется условиями разряда – наличием или отсутствием защитной газовой атмосферы, свойствами покрытого электрода, наличием и свойствами флюса и т.д.

Температура дуги зависит от силы тока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения электрода, — плотности тока. Чем она больше, тем выше температура дуги. При ручной дуговой сварке плавящимся электродом плотность тока от 10 до 20 А/мм 2 и напряжение 18. 20 В. Этим способом можно сваривать и наплавлять углеродистые и легированные стали всех марок толщиной от 1 м и выше, чугун и цветные металлы, а также наплавлять твердые сплавы.

В ремонтной практике для сварочных работ используют переменный и постоянный ток . Сварочная дуга на переменном токе малой плотности горит неустойчиво. Чтобы повысить стабильность дуги, увеличивают плотность тока. По этой причине при сварке мелких деталей возрастает опасность их прожигания, однако из-за простоты источников питания сварку на переменном токе применяют достаточно широко. При сварке на постоянном токе дуга горит стабильно. Это позволяет использовать малые токи и сваривать тонкие детали, кроме того, можно изменять полярность тока. Поэтому, несмотря на более сложное и дорогое оборудование источников питания, постоянный ток применяют в практике все шире.

Производительность сварки характеризуют количеством расплавленного электродного металла в единицу времени.

Под действием высокой температуры в зоне сварки молекулы кислорода и азота, попадающие из воздуха, частично распадаются на атомы. Кислород образует оксиды железа и способствует выгоранию ценных легирующих элементов (марганца, кремния и др.), тем самым резко ухудшая свойства наплавленного слоя. Азот образует нитриды, которые увеличивают твердость, снижают пластичность и способствуют образованию коробления и трещин. Водород, попадающий в зону сварки из влаги и ржавчины, способствует образованию пор и трещин. Чтобы уменьшить вредное воздействие этих элементов, место сварки зачищают, а зону сварки защищают нейтральными газами и шлаками. После сварки используются для зачистки швов ручные пневматические инструменты. Они являются источником локальной вибрации, что может привести к развитию вибрационной болезни у сварщика. Выделение сварочного аэрозоля, газов, пыли также является опасным фактором, т. к. наносит вред дыхательной системе рабочих.

Певмоприводы, вентиляторы, плазмотроны, источники питания, ультразвуковые генераторы, электроды могут быть источниками шума и ультразвука, что также негативно сказывается на рабочих.

Сварщик испытывает психологические нагрузки, которые заключаются в необходимости непрерывного наблюдения за зоной сварки, в напряжении зрения, высоких требований к точности движения и перемещения электрода.

Высокие требования к органам зрения связаны с необходимостью тщательного наблюдения за разделкой, сварочной ванной и кристаллизующимся металлом.

Выполнение ручной сварки часто сопровождается повышенным статическим напряжением. Сварку выполняют часто в вынужденной позе, сидя на корточках, лежа на боку и спине и т.д., что вызывает сильное напряжение мышц рук и тела.

Мероприятия по снижению влияния вредных факторов при ручной дуговой сварке.

Мероприятия по снижению влияния трех основных опасных факторов

Оценка факторов рабочей среды с учетом принятых мер

Описание процесса электродуговой сварки

Электродуговая сварка – наиболее широко применяемая группа процессов сварочной технологии.

При электродуговой сварке кромки соединяемых деталей расплавляются электрическим дуговым разрядом. Для сварки необходим сильноточный источник питания низкого напряжения, к одному зажиму которого присоединяется свариваемая деталь, а к другому – сварочный электрод. Электрическая дуга представляет собой устойчивый длительный электрический разряд между двумя электродами в ионизированной газовой среде. Дуга состоит из анодной области, катодной области и столба. Главная роль дугового разряда – преобразование электрической энергии в теплоту. Температура дуги на оси газового столба достигает 6000. 7500°С, что позволяет расплавить практически все металлы и сплавы. На поверхностях анода и катода температура дуги снижается до 3500 – 4000 0С. Столб дуги окружен пламенем (ореолом). Из-за большого концентрации тепла и высоких температур при сварке тонкого или легкоплавкого металла, а также чувствительных к перегреву высокоуглеродистых, нержавеющих и легированных сталей электрическую дугу питают током обратной полярности. То есть минус источника тока подключают к изделию.

Температура дуги зависит от силы тока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения электрода, — плотности тока. Чем она больше, тем выше температура дуги. При ручной дуговой сварке плавящимся электродом плотность тока от 10 до 20 А/мм2 и напряжение 18. 20 В. Этим способом можно сваривать и наплавлять углеродистые и легированные стали всех марок толщиной от 1 м и выше, чугун и цветные металлы, а также наплавлять твердые сплавы.

В ремонтной практике для сварочных работ используют переменный и постоянный ток. Сварочная дуга на переменном токе малой плотности горит неустойчиво. Чтобы повысить стабильность дуги, увеличивают плотность тока. По этой причине при сварке мелких деталей возрастает опасность их прожигания, однако из-за простоты источников питания сварку на переменном токе применяют достаточно широко. При сварке на постоянном токе дуга горит стабильно. Это позволяет использовать малые токи и сваривать тонкие детали, кроме того, можно изменять полярность тока. Поэтому, несмотря на более сложное и дорогое оборудование источников питания, постоянный ток применяют в практике все шире.

Замечательный русский изобретатель Н.Г.Славянов был по образованию инженером, металлургом.

Последняя четверть прошлого века явилась периодом становления электротехники-науки о процессах, связанных с практическим применением электрических явлений. 30-летний руководитель орудийных и механических производств на одном из крупнейших в России пушечных заводов в Перми, Н.Г.Славянов увидел в электротехнике будущее металлургии, обработки металлов. Он глубоко изучил эту область науки.

Через шесть лет после открытия Н.Н.Бенардосом дуговой сварки, в 1888 году Н.Г.Славянов творчески развил эту идею, разработав и применив сварку металлическим электродом. Впервые в мире этот способ был внедрен Славяновым на Пермском заводе.

Он сконструировал и опробовал автоматическое приспособление для регулировки длины дуги. Это был прообраз современных сварочных аппаратов. Изобретение обессмертило его имя и имеет огромное значение и по сей день.

Так Славяновым была написана одна из страниц истории важнейшей области техники – дуговой сварки металлов, находящей самое широкое применение в современной промышленности и строительстве.

Что такое дуга.

Дуга представляет собой электрический разряд в газе между электродами, к которым подведено напряжение источника тока. Ток в дуге обусловлен так называемыми свободными электронами и положительными и отрицательными заряженными частицами вещества – ионами. Процесс образования этих частиц называется ионизацией. В средней части дуги расположен столб дуги, ярко светящейся и имеющей температуру около 6000 градусов по Цельсию. Столб заканчивается на электродах катодным и анодным пятнами, через которые проходит весь ток дуги. Плотность тока на пятнах весьма велика, благодаря чему в этих зонах происходит интенсивное нагревание до температуры испарения материала электродов. Столб дуги окружает пламя – раскалённые пары и газы, температура которых резко падает по мере удаления от столба. Дугу перемещают при сварке в ручную или механически вдоль кромок соединяемых деталей, благодаря чему достигается непрерывное плавление их и образование соединения – сварного шва. Глубиной проплавления называется наибольшая глубина расплавления основного металла в сечении шва.

Распространение дуговой сварки.

Особенно широкое распространение получила дуговая сварка Н.Г.Славянова. Сущность этого способа заключается в том, что электрическая дуга возбуждается между свариваемой деталью и металлическим электродом, который плавится в процессе горения дуги и заполняет тем самым сварной шов. Одновременно плавятся корки свариваемых деталей. Такой процесс называется сваркой металлическим электродом.

Зависимости от способа дуговой сварки.

В зависимости от способа дуговой сварки, т.е. от материала применяемого электрода, свойства электрической дуги меняются. Так, при горении дуги между свариваемым металлическим изделием и угольным электродом дуги имеет большую длину и несколько иную форму чем дуга, горящая между изделием и металлическим электродом. В последнем случае явления, происходящие в дуге, значительно сложнее, так как в дуговом промежутке помимо паров, образуемых при сгорании электрода, присутствуют капли расплавленного и пары сгорающего в дуге электродного покрытия. Если дуговая сварка по способу Бенардоса производится голым угольным электродом, то при сварке по способу Славянова на плавящийся металлический электрод обычно наносится покрытие, в зависимости от состава и толщины наносимого слоя может быть ионизирующим либо так называемым качественным, т.е. обеспечивающим получение повышенного качества наплавленного металла.

Ионизирующие покрытия наносятся на электрод слоем, не прерывающим по толщине 0,3-0,5 мм; в состав этих покрытий входят обычно вещества, ионизирующие дуговой промежуток, т.е. способствующие устойчивому горению дуги даже при питании её от источника переменного тока. Ионизирующее покрытие никакой защиты металла от воздуха не осуществляется.

Качественные покрытия наносятся на электрод слоем, достигающим по толщине 1,5 – 3 мм; в состав этих покрытий входит шлакообразующие и газообразующие вещества, защищающие жидкую ванну и капли электродного металла от окружающего воздуха; вещества, способствующие ионизации дуги, а также некоторые легирующие элементы, улучшающие механические свойства наплавленного металла. За счет правильного подбора электродных покрытий сварной шов во многих случаях получает механические свойства более высокие, чем основной свариваемый металл.

Сварка угольным электродом стали, а также чугуна и цветных металлов производится с применением флюса, наносимого на присадочные стержни и на кромки свариваемых деталей.

Различают сварку током примой и обратной полярности. Прямая полярность – это когда положительный вывод источника сварочного тока присоединён к свариваемым изделиям, а отрицательный – к электрододержателю. При этом в дуговом разрядном промежутке изделие являются анодом, а электрод – катодом.

В дуге действует механические силы, направленные вдоль столба дуги (дутье). Под действием этих сил в жидком металле сварочной ванны образуется лунка, так называемый кратер. В конце швов при затвердевании металла в результате его усадки также образуется углубление, которое называется конечным кратером. Конечный кратер при необходимости либо заваривают, повторно расплавляя металл в этом месте, либо шов выходят на планку, которая удаляется после сварки. При сварке шин с этой же цели швы выводятся в лунке угольных брусков, формующих стыки шин с торцов.

Разновидности сварки.

Сварка под слоем флюса.

Стремление повысить производительность электродуговой сварки, улучшить качество швов и одновременно облегчить труд сварщиков привело к созданию автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса.

Сущность процесса автоматической сварки заключается в следующим: голая электродная проволока с катушки подаётся в зону дуги автоматической головкой, двигающейся вдоль шва; впереди головки из бункера по трубе на свариваемые кромке подаётся флюс, покрывающий поверхность металла в зоне шва слоем толщиной 50 –60 мм. Электрическая дуга горит под слоем флюса в создаваемом ею газом пузыре, окруженном средой расплавленного флюса.

Благодаря некоторому давлению флюса на поверхность жидкой ванны в процессе сварки устраняется разбрызгивание металла и получается хорошее формирование шва, даже при очень больших токах, достигающих 1000 – 200 А. Расплавляемая в процессе сварки и затем затвердевающая часть флюса образует на поверхности шва шлаковую корку. Неиспользованная же, т.е. нерасплавленная, часть флюса отсасывается обратно в бункер и затем повторно используется при сварке.

Читайте также: