Классификация способов сварки по физическим признакам.
Как следует из определения, для осуществления сварки необходимо создать условия для установления межатомных связей между соединяемыми частями, что может быть реализовано тремя способами. Соответственно, существует три класса способов сварки:
- термический класс(сварка плавлением) – за счет какого-либо источника тепла кромки соединяемых частей нагреваются до плавления – образуется сварочная ванна. При удалении источника нагрева металл сварочной ванны кристаллизуется и образуется сварной шов, соединяющий свариваемые части.
- механический класс (сварка давлением)–кромки соединяемых частей сближаются на расстояние, соответствующее межатомным связям, за счет использования механической энергии и давления.
- термомеханический класс – используется как нагрев (обычно до пластического состояния), так и давление.
Чаще других используется термический класс. При этом вид сварки определяется видом источника тепловой энергии (см. рис. 1):
- при дуговой сварке – электрическая дуга;
- при электрошлаковой сварке – электрическая дуга используется лишь в начальный момент, после расплавления шлака сварка производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный шлак;
- при газовой сварке –теплота сгорания газокислородной смеси;
- при электроннолучевой сварке – кинетическая энергия концентрированного потока электронов, движущегося с большой скоростью с раскаленного катода под действием высокого напряжения к аноду (изделию), при ударении о кромки изделия переходит в тепловую, расплавляющую кромки. Сварка в этом случае производится в вакууме, что снижает потери кинетической энергииэлектронов, а также обеспечивает защиту сварочной ванны;
- при плазменной сварке – высокотемпературная плазменная струя;
- при лазерной сварке – индуцированный световой луч от оптического квантового генератора (лазера);
- при термитной сварке –место сварки заливают горячими продуктами сгорания термитной смеси (чаще всего используется алюминиевый термит – смесь зерен алюминия и железной окалины); в результате реакции восстановления железа происходит разогрев до температуры до 30000С.
В механическом и термомеханическом классе(рис. 1):
- электроконтактная сварка – при пропускании электрического тока через соединяемые детали в месте контакта (из-за большого сопротивления) выделяется большое количество теплоты, достаточное для нагрева места соединения до пластического состояния или плавления; процесс сварки завершается сдавливанием деталей;
- газопрессовая сварка – нагрев кромок до пластического состояния газокислородным пламенем, сдавливание деталей;
- индукционная сварка – источником нагрева (до пластического состояния) является ток от высокочастотного генератора, затем – сдавливание (осадка);
- ультразвуковая сварка – за счет ультразвуковых волн, создаваемых вибраторами, происходит поворот зерен металла – выделяется тепло трения, происходит нагрев места контакта до пластического состояния, затем – осадка.
Классификация видов сварки по техническим признакам:
- По способу защиты:в воздухе, в вакууме, защитном газе, под флюсом, по флюсу.
Необходимость защиты расплавленного металла сварочной ванны от воздуха обусловлена тем, что в воздухе содержатся вредные примеси (кислород, азот), которые активно поглощаются расплавленным металлом и вызывают дефекты сварных швов.
По непрерывности процесса:непрерывные, прерывистые.
По степени механизации:ручные, механизированные, автоматизированные, автоматические.
По типу защитного газа:в активных газах, в инертных газах, в смеси газов.
Защитный газ выбирается в зависимости от материала сварной конструкции.
По характеру защиты металла в зоне сварки:со струйной защитой, в контролируемой атмосфере.
.
Контрольные вопросы:
1. За счет его могут устанавливаться межатомные связи между соединяемыми частями при сварке?
2. Какие источники тепла могут использоваться для сварки плавлением? Назовите соответствующие названия видов сварки.
3. Объясните принцип механического класса видов сварки. Чем отличается от него термомеханический класс?
4. С какой целью нужна защита сварочной ванны? Как может обеспечиваться эта защита?
Рисунок 1 – Классификация способов сварки
Рисунок 2 - Способы электродуговой сварки
Тема 1.2 Физическая сущность электросварки. Процесс образования сварного шва.
Физическая природа дуги.
Наиболее распространенным источником сварочного тепла при сварке плавлением является электрическая дуга.
Электрическая сварочная дуга- устойчивый длительный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жидкими электродами при высокой плотности тока, сопровождающийся выделением большого количества теплоты.
Сварочная дуга представляет собой столб газа, находящегося в состоянии плазмы, т.е. состоянии, при котором большинство атомов газа имеют положительный или отрицательный заряд. Плазма дуги характеризуется высокой электропроводностью и температурой (5000-120000С).
Условие существования дуги- ионизация газового зазора между электродамиблагодаря электрическому потенциалу,приложенному к ним.
В столбе дуги наблюдается неравномерное распределение электрического поля, поэтому межэлектродное пространство принято разделять на три зоны: катодную, столб дуги, анодную (рис. 2)
Рисунок 3 – Строение дуги
При установившемся процессе сварки в каждой зоне происходят различные физические процессы.
С разогретого катода выходят электроны (происходит процесс термоэлектронной эмиссии).
Катодная зона (iк = 10-4 - 10-5 см) - область, размер которой выбран условно так, чтобы электроны, разгоняющиеся при движении к аноду за счет приложенного напряжения, приобрели энергию, достаточную для ионизации.
Столб дуги-конусообразный проводник, заполненный плазмой.
Длина дуги - 2-4 мм –при ручной сварке металлическим плавящимся электродом;6-8 мм –при сварке под флюсом.
В столбе дуги происходят два противоположных процесса:
- ионизация -образование заряженных частиц;
- рекомбинация - потеря заряженных частиц.
Ионизация («электронным ударом») может происходить двумя способами:
· присоединением (внедрением) электрона к нейтральному атому – в результате за счет избытка электронов получается отрицательный ион («-И») – рисунок 4.
· выбиванием электрона с орбиты нейтрального атома – в результате образуются два свободных электрона и положительный ион («+И») – рисунок 5.
| - |
| ---___ |
| + |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| + |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| 2 |
| 3 |
1 – свободный электрон; 2 – нейтральный атом, имеющий положительное ядро (+) и два электрона (-); 3 – отрицательный ион.
Рисунок 4 - Схема ионизации по типу «присоединения»
| + |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| + |
| - |
| ---___ |
| 2 |
| - |
| ---___ |
| - |
| ---___ |
| 3 |
| - |
| ---___ |
1 – свободный электрон; 2 – нейтральный атом, имеющий положительное ядро (+) и два электрона (-); 3 – положительный ион.
Рисунок 5 - Схема ионизации по типу «выбивания»
В результате ионизации образуется плазма, а за счет приложенной разности потенциалов происходит электронно-ионный ток: отрицательные частицы (электроны и отрицательные ионы) движутся к аноду, а положительные ионы – к катоду.
Отрицательней частицы, разгоняясь в прианодной зоне(iа = 10-3 - 10-4 см), приобретают необходимую кинетическую энергию и при ударе об анод преобразуют её в тепловую энергию, разогревая анод.
Положительные ионы, разгоняясь в прикатодной зоне, приобретают необходимую кинетическую энергию и при ударе о катод преобразуют её в тепловую энергию, разогревая катод, создавая условия для термоэлектронной эмиссии. Таким образом, процесс сварки становится непрерывным.
Возбуждение сварочной дуги может выполняться двумя способами:
- замыканием электрода о деталь (касанием, «спичкой») – напряжение 60В. При соприкосновении электрода с изделием электрическая цепь замыкается и по ней проходит ток. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, электрический контакт возникает в точках, которые нагреваются и мгновенно расплавляются с образованием прослойки жидкого металла. При отводе электрода от изделия образуется шейка – повышается плотность тока и температура металла, происходит испарение металла – возникает ионизированный промежуток – сварочная дуга.
- электрическим пробоем воздушного промежутка, достигаемого приложением к электродам высокого напряжения (2000 – 3000В) с помощью специального прибора – осциллятора, создающего переменное напряжение с высокой частотой 50 – 150 кГц, не опасное для человека.
Контрольные вопросы:
1. Объясните условие существования дуги.
2. Что такое «ионизация»? Что такое «плазма»?
3. Назовите зоны дуги. Что происходит в каждой зоне?
4. Что такое «термоэлектронная эмиссия? За счет чего она происходит?
5. Почему процесс существования дуги длительный (непрерывный)?
6. Какими способами возбуждается сварочная дуга? Который из этих способов используется при автоматической сварке? Какую роль играет осциллятор?