Существует два вида соединений: разъемные и неразъемные. К разъемным соединениям относят болтовые, шпоночные, зубчатые, ременные и др.; к неразъемным – заклепка, клейка, пайка, и сварка.
Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамитом, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы. Сущность сварки заключается в сближении соединяемых поверхностей на такое расстояние, что бы между ними возникли атомно-молекулярные силы сцепления. Это расстояние соизмеримо с параметрами кристаллических решеток этих металлов и примерно равны 4∙10-8 см. Если свариваемые поверхности были бы идеально гладкими и чистыми (ювенильными), их можно было сблизить на такие расстояния и обеспечить сварку. Но так как идеальных поверхностей в природе не существует (они есть только в наших мыслях), то в реальных условиях сближению поверхностей препятствуют микронеровности, загрязнения, окисные и органические пленки, адсорбированные газы и т.д. Для получения качественного соединения необходимо устранить причины, препятствующие сближению контактирующих поверхностей. С этой целью применяют нагрев или давление.
Исходя из этого, различают два вида сварки: сварка плавлением и сварка давлением. Ручная электродуговая сварка относится к сварки плавлением, где источником теплоты является электрическая дуга.
Дуга – мощный стабильный электрический разряд между электродом и основным материалом в ионизированной газовой среде. С физической точки зрения – это сложный ионный и электронный процесс переноса электрических зарядов через ионизированный воздушный промежуток. Ионизация газового промежутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмиссией с горячего катода, это происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3─6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание (рис. 1, а) выполняется для разогрева торца электрода 1 (катода) и заготовки 2 (анода). При коротком замыкании происходит соприкосновение торца электрода с изделием. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, контакт происходит не по всей его плоскости. В точках контакта плотность тока достигает весьма больших величин и под действием выделившегося тепла в этих точках металл мгновенно расплавляется. В момент отвода электрода от изделия зона расплавленного металла – жидкий мостик – растягивается, сечение уменьшается, а температура металла увеличивается. Затем жидкий мостик металла разрывается, происходит быстрое испарение металла. В этот момент с разогретого торца электрода под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3 (рис. 1, б). Электроны, вылетевшие с поверхности катода (электрода), с большой скоростью пролетая сквозь воздушный промежуток, направляются к аноду и, сталкиваясь на своем пути с молекулами газов и паров металла, расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные частицы, так называемые ионы 4. Воздушный промежуток ионизируется. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная их ионизация. В результате, дуговой промежуток становится электропроводимым. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда в столбе дуги 6 (рис. 1, в). Процесс возникновения и развития дуги длится доли секунды.
а б в
Рис. 1. Зажигание дуги при сварке
Электрическая дуга является концентрированным источником тепла с очень высокой температурой. Температура в зоне столба дуги при сварке достигает 6000─7000оС в зависимости от плотности сварочного тока.
Тепловая мощность дуги, Дж/с определяется по формуле:
Q = K·Iсв·Uд,
где К – коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для постоянного тока К = 1, а при переменном токе изменяется от 0,7 до 0,97); U д - напряжение дуги, В; I св – сварочный ток, А.
Однако не все тепло дуги расходуется на плавление присадочного и основного металлов: примерно 50% идет на нагрев изделия; около 30 % – на нагрев электрода и почти 20% составляют потери тепла в окружающее пространство. Поэтому при питании дуги постоянным током температура анодного 7 и катодного 5 пятен соответственно равны 2600°С и 2400°С.
В связи с тем, что на аноде выделяется больше тепла, различают сварку постоянным током с прямой и обратной полярностью. Если анодом является деталь, а катодом электрод, то процесс называется с прямой полярностью. Если наоборот – сварка с обратной полярностью. Последнее применяется очень редко: при сварке тонких листов, наплавке и при использовании электродов с тугоплавким покрытием.
Рис.2. Статическая характеристика дуги постоянной длины
|
Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость напряжения от силы тока дуги (рис. 2). Эта характеристика имеет три участка: I – падающий, II – жесткий, III – возрастающий. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение. В области жесткой характеристики II, при повышении тока напряжение сохраняет постоянную величину. Такая дуга получила самое широкое применение. Её применяют при ручной и автоматической сварке, а также при сварке в среде защитных газов неплавящимся электродом. Дуга с возрастающей характеристикой используется при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом.
Напряжение при зажигании дуги из соображений безопасности не должно превышать 80 В и обычно оно находится в пределах 50−70 В. Для устойчивого горения открытой дуги в большинстве случаев достаточно напряжения 18−30В в зависимости от длины дуги и типа электрода.
