Rozwój spawania łukiem elektrycznym
Historia spawania łukowego
Pierwsze praktyczne zastosowanie Tęcza w spawaniu elektrycznym metali uzyskano dopiero w 1882 r., kiedy N.N. Benardos stworzył w Petersburgu „Metodę łączenia i rozdzielania metali przez bezpośrednie działanie prądu elektrycznego”, którą nazwał „elektrohefajstosem”.
Zgodnie z wnioskami akademików N. S. Kurnakowa, O. D. Khvolsona i innych, istota tej metody polega na tym, że przetwarzany przedmiot jest podłączony do jednego bieguna, a węgiel do drugiego bieguna źródła prądu i powstaje łuk napięciowy między obrabianym przedmiotem a węgiel wywołuje działanie podobne do działania płomienia palnika, gdy metal jest podgrzewany i topiony. Do uchwytu wkłada się specjalną elektrodę węglową lub inną przewodzącą, a łuk podtrzymuje się ręką.
W latach 1888 - 1890 metodę wykorzystania ciepła łuku elektrycznego do spawania metali udoskonalił inżynier górnictwa N.G.Slavyanova, który zastąpił elektrodę węglową wyłącznie metalową i opracował półautomatyczne urządzenie do zasilania elektrody metalowej podczas jej spalania i utrzymywania łuku, które nazwał „topielnikiem”.
Istota sposobów spawanie łukiem elektrycznym, powstały w wyniku pracy utalentowanych inżynierów-wynalazców N.N. Benardosa i N.G. Slavyanova, pozostaje niezmieniony do dziś i można go scharakteryzować w następujący sposób: łuk elektryczny utworzony między elektrodą a połączonymi częściami produktu topi materiał podstawowy produkt swoim ciepłem topi elektrodę dostarczoną do strefy płomienia łukowego — materiał wypełniający, który w postaci kropli stopionego metalu wypełnia złącze i stapia się z metalem nieszlachetnym produktu. W takim przypadku całkowite wytwarzanie ciepła przez łuk jest regulowane poprzez wybór odpowiedniego trybu, którego głównym parametrem jest prąd.
W praktycznym zastosowaniu dokonano i nadal wprowadza się liczne ulepszenia metod, które nie zmieniają istoty procesów, ale podnoszą ich wartość praktyczną. Rozwój tworzonych metod spawania idzie w parze z rozwojem podstaw energetycznych technologii spawania w kierunku poprawy jakości i wydajności spawania.
Głównymi warunkami, które przyczyniły się do tego rozwoju były:
-
zapewnienie stabilnej pracy łuku;
-
uzyskanie odpowiedniej jakości i wytrzymałości połączenia.
Pierwszy warunek został spełniony poprzez stworzenie źródeł energii o charakterystyce określonej przez właściwości łuku elektrycznego w warunkach spawania.
Łuk, jako główne źródło ciepła i odbiorca energii podczas spawania, charakteryzuje się obciążeniem dynamicznym, w którym w odstępach czasu mierzonych w setnych częściach sekundy pojawiają się gwałtowne zmiany reżimu elektrycznego w obwodzie łuku.
Topienie elektrody i przenoszenie metalu z elektrody na przedmiot obrabiany powoduje gwałtowne wahania długości łuku i powtarzające się zwarcia źródła zasilania łuku (do 30 razy na sekundę) w bardzo krótkich odstępach czasu. W tym przypadku prąd i napięcie nie pozostają stałe, ale mają natychmiastowe zmiany od określonej wartości do maksimum i odwrotnie.
Takie nagłe zmiany obciążenia zaburzają stan równowagi układu łuku elektrycznego — obecne źródło… Aby łuk palił się przez długi czas przy określonej wartości prądu, nie wygasając i nie zamieniając się w inne formy wyładowań elektrycznych, konieczne jest, aby źródło prądu zasilającego łuk szybko reagowało na zmiany zachodzące w tryb łuku i zapewnia jego stabilną pracę.
Na wczesnym etapie rozwoju techniki spawania elektrycznego było to realizowane za pomocą wbudowanych rezystorów balastowych w celu ograniczenia prądu i sekwencyjnego uspokojenia łuku w głównym obwodzie maszyn elektrycznych. Następnie powstają specjalne źródła prądu o charakterystyce opadającej i małej bezwładności magnetycznej, które w pełni spełniają wymagania wynikające z właściwości łuku spawalniczego.
Równolegle z rozwojem elektrospawalnictwa prowadzone są badania pozwalające na ustalenie głównych parametrów statycznych charakterystyk łuku w warunkach spawania oraz badanie optymalnych warunków i głównych parametrów elektrycznych źródeł energii oraz ich wpływu na stabilność i ciągłość palenia się łuku podczas spawania.
W kolejnym okresie na podstawie badań statyki i dynamiki procesu w spawarkach elektrycznych opracowano klasyfikację układów i aparatury spawalniczej oraz stworzono ujednoliconą uogólnioną teorię spawarek.
Charakterystyka procesu spawania łukowego
Proces spawania łukiem elektrycznym jest bardzo złożonym zespołem zjawisk fizycznych, chemicznych i elektrycznych, zachodzących w sposób ciągły na wszystkich etapach w niezwykle krótkich odstępach czasu. W porównaniu z konwencjonalnymi procesami metalurgicznymi topienia metali, proces spawania jest inny:
-
mała objętość kąpieli ze stopionym metalem;
-
wysokie temperatury nagrzewania metalu, co przy dużych prędkościach i miejscowym nagrzewaniu prowadzi do dużych gradientów temperatury:
-
nierozerwalny związek między zastosowanym metalem a metalem nieszlachetnym, który jest niejako formą dla tego pierwszego.
W ten sposób ogrzany i stopiony metal w jeziorku spawalniczym o małej objętości jest otoczony znaczną masą metalu nieszlachetnego o niższej temperaturze. Okoliczność ta determinuje oczywiście wysokie szybkości nagrzewania i stygnięcia metalu, aw efekcie determinuje charakter i kierunek reakcji zachodzących w jeziorku spawalniczym.
Przechodząc przez szczelinę łukową, roztopiony dodatkowy metal jest wystawiony na działanie atmosfery łuku o bardzo wysokich temperaturach, co prowadzi do utlenienia metalu i absorpcji z niego gazów oraz obserwuje się aktywację gazów obojętnych (głównie azotu) w łuku, którego aktywność jest znikoma w konwencjonalnych procesach metalurgicznych.
Roztopiony metal w jeziorku spawalniczym jest również wystawiony na działanie atmosfery łuku, w której zachodzą reakcje fizyko-chemiczne między metalem, jego zanieczyszczeniami i pochłoniętymi przez niego gazami. W wyniku tych zjawisk, stopiwo ma zwiększoną zawartość tlenu i azotu, co jak wiadomo obniża właściwości mechaniczne metalu.
Kiedy metal przechodzi w łuk i pozostaje w stanie stopionym w miejscu zanieczyszczenia w żelazie, a także dodatkach stopowych palą się, co również pogarsza właściwości mechaniczne metalu. Gazy powstające podczas spalania zanieczyszczeń, a także te rozpuszczone w metalu podczas krzepnięcia stopionego metalu, mogą prowadzić do powstawania pustych przestrzeni i porów w osadzanym metalu.
Tym samym procesy zachodzące podczas spawania utrudniają uzyskanie wysokiej jakości stopiwa. Trudności te okazały się na tyle duże, że niemożliwe było uzyskanie spoiny o właściwościach zbliżonych do właściwości metalu spoiny, który jest głównym wskaźnikiem jakości spawania, bez podjęcia specjalnych środków.
Doskonalenie technologii spawania łukowego
Głównym środkiem zwiększającym jakość i wytrzymałość połączeń metalowych w dotychczasowych metodach spawania łukowego było zastosowanie specjalnych powłok — powłok na elektrodach.
W początkowym okresie funkcją takich powłok-powłok było ułatwienie zajarzenia i zwiększenie stabilności łuku dzięki ich działaniu jonizującemu. Później, wraz z rozwojem grubych lub wysokiej jakości powłok, których funkcją, oprócz zwiększenia stabilności łuku, jest poprawa składu chemicznego i struktury opawanego metalu, zauważalny jest znaczny wzrost jakości spawania. zauważony.
Rozwój specjalnych powłok na elektrodach umożliwił w ostatnich latach rozpowszechnienie stosowania podstawowych metod spawania i cięcia metali pod wodą. W tym przypadku celem powłok na elektrodach jest również (ze względu na ich wolniejsze spalanie niż elektroda) utrzymywanie osłony ochronnej wokół łuku oraz tworzenie pęcherzyka, w którym łuk spala się wraz z gazami uwalnianymi podczas spalania powłok .
Równocześnie z poprawą jakości połączenia spawanego obserwuje się wzrost wydajności spawania, który w spawaniu ręcznym uzyskuje się poprzez zwiększenie mocy łuku spawalniczego przy jednoczesnym zwiększeniu średnicy elektrody metalowej. Znaczący wzrost mocy i wzrost rozmiaru elektrod doprowadził do zastąpienia spawania ręcznego automatycznym.
Największe trudności w spawaniu automatycznym stwarzała kwestia powłok elektrodowych-powłok, bez których wysokiej jakości spawanie przy nowoczesnych wymaganiach jest prawie niemożliwe.
Udanym rozwiązaniem było podawanie powłoki z pokruszonego granulowanego topnika nie na elektrodę, ale na metal nieszlachetny.W tym przypadku łuk pali się pod warstwą topnika, dzięki czemu ciepło łuku jest efektywniej wykorzystywane, a szew jest chroniony przed działaniem powietrza. Ten dodatek był ulepszeniem podstawowego procesu spawania elektrodą metalową, co znacznie zwiększyło wydajność i poprawiło jakość spoiny.
Możliwość sterowania stanem cieplnym łączonych metali za pomocą nowoczesnych źródeł energii dla łuku spawalniczego umożliwia realizację wszystkich form przejściowych procesu łączenia ze stanu plastycznego do ciekłego, stopionego stanu materiałów. Ta okoliczność otwiera nowe możliwości łączenia ze sobą nie tylko różnych metali, ale także materiałów niemetalicznych.
Wraz z doskonaleniem procesów technologicznych spawania wzrasta wytrzymałość i niezawodność spawanych konstrukcji. W początkowym okresie, kiedy proces spawania odbywał się wyłącznie ręcznie, spawanie łukiem elektrycznym było stosowane we wszystkich rodzajach prac konserwatorskich i naprawczych.
Znaczenie spawania łukiem elektrycznym jako jednego z głównych i zaawansowanych procesów technologicznych w tej chwili jest niezaprzeczalne. Doświadczenie ze spawaniem w różnych gałęziach przemysłu wyraźnie pokazało, że ta metoda obróbki metali pozwala nie tylko zaoszczędzić metal (25 — 50%), ale także znacznie przyspieszyć produkcję prac wszelkiego rodzaju konstrukcji metalowych.
Rozwój mechanizacji i automatyzacji procesu, ukierunkowany na ciągły wzrost wydajności, połączony ze stałym wzrostem jakości i wytrzymałości spawania, dodatkowo poszerza zakres jego zastosowania.Obecnie spawanie łukiem elektrycznym jest wiodącym procesem technologicznym w produkcji wszelkiego rodzaju konstrukcji metalowych pracujących pod obciążeniami statycznymi i dynamicznymi w niskich i wysokich temperaturach.
Inne interesujące i przydatne artykuły na temat spawania elektrycznego: