§ 2. Основные виды дуговой сварки

1. Классификация способов дуговой сварки. Электрическая дуговая сварка впервые была применена в России. В 1882 г. русский изобрета­тель Н. Н. Бенардос использовал дугу, которую в 1802 г. открыл В. В. Петров, для сварки металлов угольным электродом, а в 1888 г. Н. Г. Славянов предложил способ дуговой сварки металлическим элект­родом. В зависимости от способа включения в сварочную цепь основного и присадочного металла и характера воздействия на них сварочной дуги различают следующие основные виды дуговой сварки: неплавящимся угольным электродом, или способ Бенардоса, плавящимся металлическим электродом, или способ Славянова, и плавящимися металлическими элект­родами с использованием трехфазной дуги.

2. По способу Бенардоса (рис. VI, а) дуга постоянного тока при прямой полярности (минус на электроде, плюс — на изделии) горит меж­ду угольным или графитовым электродом 3 и свариваемым изделием /. Присадочный металл 2 в сварочную цепь не включен, и поэтому дуга пря­мое действие оказывает на основной металл и косвенное — на присадоч­ный. При обратной полярности, когда электрод становится анодом (плюс на электроде), а изделие — катодом (минус на изделии), угольная дута становится неустойчивой, и происходит науглероживание металла. Свар­ка по способу Бенардоса применяется преимущественно при исправле­нии пороков в чугунных и бронзовых отливках и при наплавке порошко­образными твердыми сплавами быстроизнашивающихся деталей.

3. По способу Славянова (рис. У.1, б) дуга постоянного (при прямой или обратной полярности) или переменного тока горит между плавящим­ся металлическим электродом 2 и свариваемым изделием /, которые вклю­чены в сварочную цепь и на которые она оказывает прямое действие. Электрод, включенный в сварочную цепь, значительно интенсивнее нагре­вается и быстрее плавится, так как поверхность его торца непосредственно бомбардируют электрически заряженные частицы. Расплавляясь дугой, электрод одновременно является и присадочным металлом, который по­стоянно пополняет сварочную ванну.

По объему промышленного применения дуговая сварка по способу Славянова занимает одно из первых мест.

4. При сварке трехфазной дугой (рис. У.1, в) к разным фазам трех- фазного тока в сварочную цепь включены два изолированных один от

другого электрода 2 и свариваемое изделие/. Дуга возбуждается между каждым электродом и изделием и между электродами, следовательно, одновременно возникают три дуги. При этом на каждый из электродов и на основной металл две дуги оказывают прямое действие, а одна дуга — кос­венное.

Сварка трехфазной дугой по производительности в 2—3 раза превыша­ет дуговую сварку по способу Славянова. Этот метод преимущественно используют при автоматической сварке металла большой толщины.

§ 3. Сварочная дуга и ее свойства

1. Физическая сущность дуги. Сварочная дуга представляет собой мощ- ный электрический разряд в газах, сопровождаемый выделением значи- тельного количества тепла и света. С физической точки зрения — это сложный ионный и электронный процесс переноса электрических зарядов через ионизированный воздушный промежуток. Ионизация газового про- межутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмис- сией с горячего катода.

Для разогрева катода между ним и анодом, подключенными к источ­нику сварочного тока, производят кратковременное короткое замыка­ние. После отрыва электрода от изделия с разогретого катода, каким при сварке постоянным током может быть и электрод и изделие (при перемен­ном токе полярность постоянно изменяется), под воздействием электри­ческого поля начинается электронная эмиссия. Электроны, вылетевшие с поверхности катода, направляются к аноду и, сталкиваясь на своем пути с молекулами и атомами воздуха, ионизируют их. Образуемые в воздуш­ном промежутке отрицательные ионы и электроны перемещаются к ано­ду, а положительные ионы — к катоду. На поверхности катода и анода осуществляется нейтрализация заряженных частиц и преобразование электрической энергии в тепловую.

цв

50

щ

30 20 Ю

2. Электрические свойства дуги. К основным параметрам, характери- зующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Зави- симость между напряжением и током при установившемся стационарном состоянии дуги выражается статической вольт-амперной характеристи- кой ее (рис. У.2, а). Как видно, она может быть падающей /, жесткой // и возрастающей ///. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы сварочного тока. Дугу с возрастающей характе-

ристикой применяют при автоматической сварке под флюсом на повышен­ных плотностях тока и при сварке в защитных газах плавящимся элек­тродом. Дуга с падающей характеристикой мало­устойчива и имеет огра­ниченное применение. Зависимость между

напряжением и длиной дуги, имеющей жесткую характеристику, выража­ется следующей эмпирической формулой:

1/_а = а + Ы_а,

где 1/д — напряжение на дуге, В; /_д — длина дуги, мм; а и Ь — коэффи­циенты, зависящие от рода материала электрода, состава газовой среды и т. п.

При сварке стальными электродами в атмосфере воздуха а — 10 В, а Ь = 2 В/мм.

3. Строение дуги и ее тепловые свойства. Сварочная дуга (рис. У.2, б) состоит из трех частей: катодной, анодной и столба дуги. Почти все прост­ранство занимает столб дуги /, в котором происходят процессы иониза­ции и перемещения заряженных частиц к катоду и аноду. Температура столба дуги достигает 6000—7000 °С. Он окружен ореолом 2, который представляет собой раскаленную смесь паров электродного и свариваемого металлов и продуктов реакции этих паров с окружающей газовой средой.

Тепловая мощность дуги определяется по формуле

Ч = ЯсУо Дж/с (0,24Х1у_св- кал/с),

где К — коэффициент несинусоидальности напряжения и тока; с/_д — напряжение дуги В; /_св — сварочный ток, А.

Для постоянного тока К = 1, а при переменном токе изменяется от 0,7 до 0,97.

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. При питании дуги постоянным током большее количество тепла, примерно 42—43 %, выделяется на аноде, около 36—38 — на ка­тоде и приблизительно 20—21 % — в столбе дуги. Поэтому температура анода несколько выше температуры катода.