Электродуговая и газовая сварка

Сварки металлов с применением электрической дуги — один из наиболее распространенных методов. Электродуговая сварка обладает множеством достоинств: она проста, универсальна, не требует дорогостоящего оборудования и мастеров высокой квалификации. С помощью этого метода возможна сварка чугуна, алюминия, меди, стали и любого другого металла.

Электродуговая и газовая сварка

В данном материале мы кратко расскажем, что такое электродуговая сварка и какие существуют виды электродуговой сварки.

Общая информация

Что такое электродуговая сварка? На картинке ниже вы можете видеть наглядную схему. По сути, ключевой элемент — электрическая дуга. Она образуется следующим образом: необходим источник, способный выдавать большое значение тока при относительно небольшом напряжении. Это напряжение подается на свариваемый металл и на электрод одновременно. В результате между электродом и металлом образовывается электрическая дуга.

Электродуговая и газовая сварка

В данном случае энергия электрического тока преобразовывается в тепловую энергию, за счет чего металл плавится, и сварщик может сформировать шов. Благодаря этой особенности температура нагрева может достигать нескольких тысяч градусов по Цельсию. Этой температуры достаточно для работы практически со всеми известными металлами. Отсюда такая универсальность электродуговой сварки.

Технология электродуговой сварки заключается в том, что помимо металла под действием высокой температуры также плавится электрод. В ходе этого процесса образуется сварочная ванна или сварочная зона. Здесь протекают все основные сварочные процессы: металл взаимодействует с электродом, образуется шлак и так далее.

Как мы упоминали выше, электродуговая сварка металлов выполняется с помощью электродов (их также называются стержнями). Электроды могут быть плавящимися и неплавящимися. Плавящийся электрод, как вы можете догадаться, плавится под воздействием температуры. А неплавящийся нет. По этой причине с неплавящимися стержнями нужно дополнительно использовать присадочную проволоку.

Электродуговая и газовая сварка

Присадочная проволока продается в бобинах, которые заправляются в специальный механизм подачи. Также проволоку можно подать в сварочную зону вручную. Она необходима для полноценного формирования сварочного шва.

У электродуговой сварки есть один существенный недостаток — дуга горит нестабильно и требует большого внимания при работе с ней. Чтобы упростить работу были придуманы плавящиеся электроды с особым составом, который может включать в себя натрий, калий и прочие элементы. Благодаря им дуга проще зажигается, горит стабильнее. Но этого недостаточно, чтобы справиться с еще одним недостатком дуговой сварки.

Мы говорим про окисление шва. Дело в том, что шов, взаимодействуя с кислородом, активно окисляется и теряет свои положительные свойства. Он становится хрупким и пористым, возрастает вероятность образования трещин. Чтобы справиться с этой проблемой можно использовать специальные защитные газы. К ним относится аргон, углекислый газ, гелий и различные смеси из этих газов.

Электродуговая сварка с применением защитных газов требует использования особых сварочных аппаратов, которые оснащены системой подачи газа. У вас не получится сварить металл с газом, если вы решили выполнить работу с помощью бюджетного компактного инвертора. Так что заранее определитесь, какой сварочный аппарат вам нужен.

В работе можно использовать и переменный, и постоянный ток. Мы рекомендуем использовать постоянный ток, поскольку наша практика показала, что металл меньше разбрызгивается, шов получается ровнее и качественнее. На переменном токе в основном работают только профессионалы своего дела, которые четко осознают, зачем им нужны именно такие настройки сварочного аппарата.

Особенности дуги

Говоря про электродуговую сварку не лишним будет рассказать вам об электрической дуге, как о самом главном элементе. Мы уже разобрались, что электрическая дуга формируется в момент первого взаимодействия электрода с металлом. Чтобы вам было проще понять представьте, что формирование дуги похоже на кратковременный разряд тока. Понятие электрической дуги очень обширно, так что применительно к сварке ее называют просто сварочной дугой.

Электродуговая и газовая сварка

Вместе с тем, сварочная дуга — это основной элемент всей электрической цепи во время сварки. Она может быть сжатой, косвенной и прямой. Сжатая дуга — это гибрид из косвенной и прямой, но при этом сжатой в струе газа. Она используется для резки или сварки тугоплавких металлов. Дуга косвенного действия формируется между двумя электродами, при этом металлическая деталь, которую вы собираетесь варить, не включается в электрическую цепь. Дуга прямого действия самая распространенная. Она образуется между электродом и металлом.

Виды электродуговой сварки

Теперь, когда мы разобрались с определением и особенностями сварочной дуги, приступим к классификации методов электродуговой сварки.

Самый распространенный метод — ручная электродуговая сварка (РДС). Она используется для сварки всех видов металлов, в том числе черных и цветных. Ключевая особенность РДС — обязательная необходимость защищать сварочную зону от кислорода. С этой задачей неплохо справляются плавящиеся электроды со специальным покрытием. Под воздействием высокой температуры покрытие плавится, образуя защитный слой на поверхности шва, и защищая его от пагубного влияния кислорода.

Технология ручной электродуговой сварки крайне проста, поэтому она получила широкое распространение среди домашних сварщиков. Электрод подсоединяется к держаку и его конец нагревается, когда им постукивают или чиркают о поверхность металла. Этот процесс зажигает дугу, замыкается электрическая цепь.

Затем электрод медленно отводят от поверхности металла примерно на пол сантиметра. На расстоянии между электродом и металлом появляется видимая дуга. Если расстояние меньше 5 миллиметров, то такая дуга называется короткой. Мы рекомендуем использовать именно короткую дугу в своей работе, но это требует опыта и частой практики, поскольку не так уж просто непрерывно вести электрод на расстоянии менее пол сантиметра.

Читайте также:  Что можно делать ручным фрезером по дереву

Электродуговая и газовая сварка

Но это не единственный метод. Также есть сварка под флюсом, сварка неплавящимся электродом в среде защитного газа и сварка с применением порошковой проволоки. Технологический процесс электродуговой сварки с применением любого из этих методов мало отличается от РДС. Единственное отличие — используемые в работе комплектующие и оборудование. Сама же дуга и ее характеристики остаются неизменными. Давайте подробнее разберем каждый метод.

Начнем со сварки применением флюса. Флюс — это вещество, выпускаемое в жидком, порошкообразном, пастообразном и кристаллическом виде, которое подается в сварочную зону и выполняет роль защиты шва от кислорода. Также флюс обеспечивает стабильное горение дуги и несколько упрощает формирование шва. Зачастую для работы с флюсом используют автоматический сварочный аппарат, который сам подает флюс в сварочную зону. Но вы можете и вручную нанести защитное вещество на поверхность металла. С помощью этого метода можно без особых трудностей варить металл любой толщины.

Второй метод — сварка с применением неплавящихся электродов. Они могут быть вольфрамовыми, угольные или графитовыми. Такой метод требует использования защитных газов и проволоки, об этом мы писали выше. С помощью такого метода возможна качественная сварка чугуна, алюминия, никеля, меди и прочих металлов. Такой способ зачастую используют профессиональные сварщики, которым доверили ответственную работу. Шов получается очень качественным и аккуратным. Также вы сможете сварить металлы любой толщины с достаточно быстрой скоростью.

Последний вид электродуговой сварки — сварка с применением порошковой проволоки. Этот метод очень интересный. Здесь при формировании шва в зону сварки подают специальную порошковую проволоку, но от обычной она существенно отличается. Сама порошковая проволока представляет собой полую трубку, которая заполнена флюсом. При плавлении этой проволоки флюс высвобождается и также плавится, образуя тот же защитный слой, что и при работе с обычным порошковым или кристаллическим флюсом.

Вместо заключения

Теперь вы знаете, что такое электродуговая сварка. Сварщик электродуговой обязан знать не только основы самого сварочного процесса, но и быть ознакомленным с основными нормативными документами, должен уметь читать чертежи и проводить первичный контроль качества. Технологический процесс электродуговой сварки не так уж сложен, как может показаться на первый взгляд. Все, что от вас необходимо — это правильно зажигать дугу, следить за ее стабильность и работать с оптимальной скоростью. Этого уже будет достаточно для успешного старта. Желаем удачи в работе!

СВАРКА, общее название более 50 разных технологических процессов создания неразъемного соединения металлических деталей. Один из старейших способов сварки, в настоящее время редко применяемый, – кузнечная сварка, при которой соединение деталей осуществляется за счет их совместного деформирования. Современные процессы сварки – электродуговая, газовая сварка, сварка сопротивлением, пайка твердым и др. – основаны на местном сплавлении соединяемых деталей.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА

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.

Главная роль дугового разряда – преобразование электрической энергии в теплоту. При температуре ок. 5500 ° С газ в разряде представляет собой смесь ионизованных частиц, определяющих поведение присадочного металла. Характер дугового разряда зависит от присадочного металла, основного металла, защитной среды, параметров электрической цепи и других факторов.

Электродуговая и газовая сварка

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. При любых условиях дугового разряда существует определенная длина дуги, отвечающая оптимальным условиям сварки.

Ручная дуговая сварка с защитой зоны сварки.

Этот наиболее распространенный вид электросварки применяется для сварки мягкой и легированных сталей, чугуна, нержавеющих сталей и в некоторых случаях цветных металлов. Электрод имеет вид стержня диаметром 1,5–10 мм, закрепляемого в ручном электрододержателе.

При прикосновении электрода к свариваемой металлической детали замыкается цепь тока, и конец электрода нагревается. Если затем электрод отвести на 3–5 мм от детали, то устанавливается дуговой разряд, за счет которого далее и поддерживается ток. Интенсивный локальный нагрев вызывает расплавление основного металла (металла детали) вблизи дуги разряда. Конец электрода тоже расплавляется, и металл электрода вливается в расплавленную «сварочную ванну» основного металла.

Сварщик, следя за тем, чтобы дуговой промежуток не изменялся, ведет электродом вдоль состыкованных кромок свариваемых деталей. При прохождении электрода образуется расплавленная сварочная ванна из основного металла и металла электрода, которая затем сразу же затвердевает. В результате однократного прохождения дуги по контуру сварки образуется сварочный валик.

Сварщик должен иметь на голове специальный щиток со стеклянными светофильтрами для защиты лица, головы и шеи от сварочных брызг, а глаз – от слепящего света. Кроме того, необходимы специальные перчатки из теплоизолирующего и негорючего материала с крагами, а также фартук. Описанный способ сварки довольно универсален и применяется как в цеховых, так и в полевых условиях для сварки деталей толщиной от 1,5 мм до 15 см и более.

Электродуговая и газовая сварка

Ключом к успеху такой технологии явилось создание густого флюса – обмазки, окружающей металлический электрод. Флюс защищает дугу и сварочную ванну от загрязнения газами, содержащимися в атмосферном воздухе, добавляет раскислители для очистки сварочного металла, повышает стабильность плазмы дугового разряда и в некоторых случаях обеспечивает подвод легирующих компонентов, а также порошкообразного основного металла для ускорения наплавки сварочного металла.

Сварка под флюсом.

Этот способ сварки аналогичен предыдущему, но отличается от него тем, что электродом служит проволока, подаваемая с катушки и подводимая к месту сварки через слой флюса, наносимый по мере продвижения держателя электрода или сварочной головки. Сама дуга при этом не видна. Процесс сварки допускает почти полную автоматизацию и может обеспечивать высокую производительность при большой толщине свариваемых деталей.

Читайте также:  Какими электродами варят нержавейку

Скорость сварки при такой технологии больше, но требуется время для подготовки деталей к сварке. Поэтому сварка под флюсом экономически оправдана только при большом объеме работ.

Газоэлектрическая сварка расплавляемым электродом.

Этот вид сварки охватывает ряд родственных технологий, подобных сварке под флюсом. Роль флюса в них играет газ, выходящий из сварочного сопла и охватывающий конец электрода, дугу и сварочную ванну. Можно получать разные характеристики дуги, используя аргон, гелий, углекислый газ или смесь перечисленных газов и вводя при необходимости малые добавки кислорода. Главные преимущества таких технологий – возможность сварки химически активных металлов (алюминия, магния, нержавеющей стали, меди, никеля), чистота, возможность визуального контроля, большая скорость и удобство сварки в трудных положениях. Диапазон толщин – от самых малых до очень больших. Для сварочного сопла может быть предусмотрено водяное охлаждение.

Важные разновидности такой технологии – дуговая сварка методом опирания и варианты импульсно-дуговой сварки. Эти разновидности позволяют получать некоторые специфические характеристики сварки за счет изменения условий переноса металла через дугу. Они дают некоторые преимущества при сварке тонких листов в любом положении, а также деталей большого поперечного сечения в вертикальном и навесном положениях.

Сварка вольфрамовым электродом в инертном газе.

Этот метод отличается от предыдущих тем, что в нем используется короткий нерасплавляемый вольфрамовый электрод. Под действием тепла от дугового разряда плавится основной металл вблизи дуги. Присадочный металл, если он необходим, подводится отдельно в виде стержня или проволоки, сматываемой с катушки. Зона сварки обдувается извне инертным газом (аргоном или гелием) для защиты от атмосферного воздуха.

Такой метод допускает точный контроль как при ручной, так и при механизированной сварке некоторых металлов (алюминия, магния, никеля, нержавеющей стали) и сложных контуров. Параметры сварочной машины выбираются с учетом свариваемого металла и требований к изделию. Например, при сварке алюминия и магния сварочной машиной переменного тока цепь сварочного тока должна быть дополнена высокочастотной цепью стабилизации дуги, либо следует использовать источник тока с большим напряжением разомкнутой цепи.

Дуговая сварка трубчатым электродом.

При таком методе (другое название которого – сварка порошковой проволокой) дуга создается между свариваемой деталью и непрерывным трубчатым электродом, наполненным флюсом. Материал электрода служит присадочным металлом, а продукты разложения флюса обеспечивают защиту сварочной зоны.

Сварка сжатой дугой (плазменная сварка). Метод аналогичен сварке вольфрамовым электродом в инертном газе, но дуга (плазменный столб) ограничивается сварочным соплом, благодаря чему существенно повышается ее температура. Дуга создается либо между плазменной горелкой и свариваемой деталью, либо в самой плазменной горелке. Теплом разряда расплавляется основной металл вблизи дуги и отдельно подводимый присадочный металл. Поток горячей плазмы обеспечивает некоторую защиту; при необходимости над зоной сварки можно создавать дополнительный поток защитного газа.

ГАЗОВАЯ СВАРКА

Самый известный вид газовой сварки – ручная ацетилено-кислородная сварка. При таком методе за счет контролируемого сжигания ацетилена в кислороде достигается температура пламени ок. 3000 ° С. Газы обычно подводятся к сварочной горелке по гибким шлангам от газовых баллонов высокого давления, снабженных редукционным клапаном, понижающим давление. Сварщик держит в одной руке горелку, а в другой – присадочный пруток. Его глаза должны быть защищены от слепящего света и брызг очками с тонированными стеклами. Метод особенно подходит для сварки стальных трубопроводов малого диаметра, а также для присоединения арматуры к трубопроводам, для ремонтных работ, пайки-сварки и пайки твердым.

При пайке-сварке сварное соединение получают нагреванием до температуры выше 360 ° С основного и присадочного цветного металла, температура плавления которого ниже, чем у основного металла. Пайка-сварка применяется главным образом для чугуна, стали и медных сплавов. Сварочные прутки обычно латунные или бронзовые. Поскольку температура при пайке-сварке не очень высока, сварка бронзой весьма рекомендуется в тех случаях, когда недопустима деформация свариваемого изделия.

Оборудованием газовой сварки можно пользоваться для резки стальных элементов толщиной 10–15 см и более. Существует также специальное оборудование для подводной резки. При т.н. резке кислородным копьем нагретая сталь окисляется и выдувается из образующейся узкой прорези тонкой струей кислорода, подводимого под высоким давлением.

СВАРКА СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Сварке сопротивлением (контактной сварке) мы обязаны огромными количествами товаров массового производства из листовых металлов – автомобильных кузовов, хозяйственно-бытового оборудования, железнодорожных вагонов, электровакуумных приборов, электронных компонентов и т.д. Чаще всего применяемые виды сварки сопротивлением – точечная, роликовая шовная и рельефная.

Точечная сварка сопротивлением.

При таком методе края соединяемых металлических листов складывают внакрой с достаточно большой нахлесткой, чтобы можно было сжать их двумя электродными стержнями (с регулируемым усилием сжатия) на время прохождения импульса тока большой силы. Место контакта двух тесно сжатых поверхностей сильно нагревается проходящим током, и в этом месте происходит их сплавление с образованием сварной точки. Если сварка выполнена правильно, то при испытании сварного соединения оно разрушается не по сварочной границе.

Роликовая шовная сварка сопротивлением.

В этом случае электроды имеют вид роликов, вращающихся при прохождении между ними соединения внахлестку. На ролики периодически подаются импульсы тока требуемой частоты, так что последовательность перекрывающихся сварных точек образует непрерывный плотный сварной шов.

Рельефная сварка сопротивлением.

Метод аналогичен точечной сварке, но сваривание происходит на выступах основного металла, созданных штампованием или обработкой резанием, либо в точках контакта деталей сборки.

Во всех технологиях сварки сопротивлением первостепенное значение имеет точный контроль характеристик источника питания и согласование во времени импульсов тока с приложением давления. Своим успехом этот метод в значительной мере обязан разработке высокоэффективных электродных материалов.

Сварка сопротивлением применяется в основном для тонких элементов (до 5–6 мм). Скорость сварки очень велика: одна сварная точка может быть получена за два периода переменного тока, т.е. за 1/30 с. Сварочное оборудование эффективно только при большом объеме работ.

Читайте также:  При какой температуре паяется полипропилен

ПАЙКА ТВЕРДЫМ

Пайка твердым позволяет соединять детали сложной формы, которые не поддаются сварке другими методами. Отличительной особенностью пайки твердым является применение присадочных металлов с температурой плавления более низкой, чем для металла соединяемых деталей, но не ниже 360 ° С. Кроме того, такая пайка требует тщательной подгонки соединяемых деталей, чтобы расплавленный присадочный металл втекал в зазор под действием капиллярных сил; это возможно лишь в том случае, если выбранный присадочный металл способен смачивать основной. Как правило, необходим флюс, растворяющий нежелательные окислы и способствующий смачиванию. Нагревание может осуществляться газовой горелкой, проходящим током (сопротивлением), индукционным нагревателем, в печи, погружением в горячую ванну, инфракрасными лампами и пр. Технология пайки твердым хорошо разработана в применении к задачам авиакосмической промышленности.

ДРУГИЕ ВИДЫ СВАРКИ

Диффузионная сварка.

При диффузионной сварке соединяемые поверхности сдавливают и нагревают (но не до расплавления металла), обычно в вакууме. Сварной шов образуется в результате диффузии одного материала в другой, вызванной нагревом и сдавливанием. Применение такой технологии экономически оправдано только тогда, когда требуется изготавливать детали из дорогостоящих материалов (титана, циркония и т.д.) с очень малыми допусками на размеры. Основные области применения диффузионной сварки – авиакосмическая, электронная, инструментальная промышленность, ядерные технологии.

Сварка электронным лучом.

Нагрев осуществляется в вакуумной камере концентрированным пучком электронов высокой энергии. Метод пригоден практически для любых металлов. Такой сваркой обычно выполняются плотные соединения встык и внахлестку.

Сварка взрывом.

Тепло выделяется локально за счет трения между соединяемыми поверхностями. Движение вызывается контролируемым взрывом, который с огромной силой сжимает контактирующие поверхности. В зоне сварки происходят взаимопроникновение волнообразной формы и частичное сплавление. Метод применяется для плакирования таких металлов, как сталь, инородным материалом, например алюминием. См. также МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ.

Сварка трением.

Разогрев поверхностей происходит за счет вращения одной из них, прижимаемой к другой, неподвижной. При последующем резком прижатии поверхностей деталей локализованный нагрев приводит к их сплавлению.

Высокочастотная сварка.

Кромки свариваемых деталей разогревают токами высокой частоты, подводимыми индукционно или контактами, а затем детали сжимают. Присадочный металл не используется. Метод применяется в основном для изготовления труб и фасонных изделий из сортовой стали.

Лазерная сварка.

Разогрев производится сфокусированным лазерным лучом. Метод подобен сварке электронным лучом, но имеет свои преимущества. Лазерный луч применяется также для резки металлов и других материалов. См. также ЛАЗЕР.

Сварка ультразвуком.

Сваривание происходит под действием ультразвукового луча в месте соединения предварительно сжатых деталей. Точечным или непрерывным швом свариваются тонкие алюминиевые и медные фольги, а также пластиковые пленки. Сварочным инструментом служит ультразвуковой излучатель, преобразующий электрические колебания в механические. Используется для запечатывания упаковочной алюминиевой фольги и пластиковой пленки. Исполнение быстрое и экономичное.

ТИПЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ИХ ИСПЫТАНИЯ

Чаще всего применяются сварные соединения встык, внахлестку, угловые и втавр. Все они могут выполняться со сварными швами разного вида – с разделкой кромок, угловыми, точечными и роликовыми.

Для обеспечения высокого качества сварного шва и высокой прочности сварного сечения необходим жесткий контроль. Свойства сварного сечения можно определять такими методами, как испытания на растяжение, на изгиб и на удар. К неразрушающим методам испытаний относятся рентгеновская, гамма-, ультразвуковая дефектоскопия, магнитно-порошковый и акустический методы, метод вихревых токов и испытания на плотность.

Глизманенко Д.Л. Сварка и резка металлов. М., 1975
Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки. М., 1975
Багрянский К.В. Теория сварочных процессов. Киев, 1976
Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. М., 1979

Процессы сварки плавлением являются наиболее распространенными до настоящего времени, электродуговая сварка занимает ведущее место.

Для получения сварочной дуги нужна электрическая цепь со специальным источником питания. Дуга горит между электродом и изделием. Для питания дуги используется переменный или постоянный ток от трансформаторов или преобразователей, выпрямителей, агрегатов.

При дуговой сварке плавящимся электродом шов образуется за счет расплавления электрода и свариваемого металла. При сварке неплавящимся электродом шов заполняется металлом свариваемых частей, но иногда — присадочным металлом, подаваемым в зону дуги со стороны. К плавящимся электродам относятся стальные, медные, алюминиевые, к неплавящимся — угольные, графитовые, вольфрамовые.

Сущность электродуговой сварки в том, что свариваемый металл плавится теплом дуги.

При сварке постоянным током количество тепла на электродах разное, поэтому в сварке введено понятие полярности — прямой и обратной. При горении дуги и плавлении свариваемого и электродного металла требуется защита расплава сварочной ванны во взаимодействии с кислородом и азотом воздуха, которая приводит кухудшению механических свойств металла шва. Поэтому защищают зону дуги, сварочную ванну, а также электродный стержень. По способу защиты металла от воздуха дуговую сварку разделяют на следующие способы: покрытыми электродами, в защитных газах, под флюсом, порошковой самозащитной проволокой.

Длиной сварочной дуги называют расстояние между концом электрода и поверхностью кратера (углубления) сварочной ванны.

По степени механизации сварочного процесса дуговая сварка подразделяется на ручную, полуавтоматическую (механизированную) и автоматическую.

Дуговая сварка широко применяется во всех отраслях промышленности и строительстве.

Газовая сварка. Технологические процессы, выполняемые с применением газового пламени, называются газопламенной обработкой металлов (ГОМ). В настоящее время в качестве горючих газов при ГОМ применяют ацетилен, сжиженные газы на основе пропан-бутановых смесей, природный газ, в качестве окислителя — кислород или воздух. Газовую сварку применяют, в основном, для стыковых соединений как более простых, а также иногда — угловых или с отбортовкой. В последнее время газовую сварку преимущественно применяют при ремонте, а также на тех работах, где ее использование или наиболее рационально, или незаменимо.