Дуговая сварка — это процесс сварки , который используется для соединения металлов с металлом с использованием электричества , чтобы создать достаточно тепла для плавления металла, а расплавленные металлы, когда остынут, приводят к слипанию металлов. Это тип сварки, при котором используется сварочный источник питания для создания электрической дуги между металлическим стержнем (« электродом ») и основным материалом для плавления металлов в точке контакта. Источники питания для дуговой сварки могут подавать на изделие как постоянный (DC), так и переменный (AC) ток, при этом используются плавящиеся или неплавящиеся электроды.
Зона сварки обычно защищается каким-либо защитным газом (например, инертным газом), паром или шлаком. Процессы дуговой сварки могут быть ручными, полуавтоматическими или полностью автоматизированными. Дуговая сварка, впервые разработанная в конце XIX века, стала коммерчески важной в судостроении во время Второй мировой войны. Сегодня это остается важным процессом изготовления стальных конструкций и транспортных средств.
Для подачи электрической энергии, необходимой для процессов дуговой сварки, можно использовать ряд различных источников питания. Наиболее распространенной классификацией являются источники питания постоянного тока и источники питания постоянного напряжения . При дуговой сварке напряжение напрямую зависит от длины дуги, а ток — от количества подводимого тепла. Источники питания постоянного тока чаще всего используются для процессов ручной сварки, таких как газовая вольфрамовая дуговая сварка и дуговая сварка защитным металлом, поскольку они поддерживают относительно постоянный ток даже при изменении напряжения. Это важно, поскольку при ручной сварке может быть сложно удерживать электрод совершенно устойчиво, и в результате длина дуги и, следовательно, напряжение имеют тенденцию колебаться. Источники питания постоянного напряжения поддерживают постоянное напряжение и изменяют ток и, как следствие, чаще всего используются для автоматизированных сварочных процессов, таких как газовая дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой и дуговая сварка под флюсом. В этих процессах длина дуги поддерживается постоянной, поскольку любое колебание расстояния между проволокой и основным материалом быстро компенсируется большим изменением тока. Например, если проволока и основной материал окажутся слишком близко, ток будет быстро увеличиваться, что, в свою очередь, приведет к увеличению нагрева и плавлению кончика проволоки, возвращая его на исходное расстояние разделения. [1] При нормальной длине дуги источник постоянного тока со стержневым электродом работает при напряжении около 20 Вольт. [2]
Направление тока, используемого при дуговой сварке, также играет важную роль в сварке. В процессах плавящимся электродом, таких как дуговая сварка защитным металлом и газовая дуговая сварка, обычно используется постоянный ток, но электрод может заряжаться как положительно, так и отрицательно. Как правило, положительно заряженный анод будет иметь большую концентрацию тепла (около 60%). [3] «Обратите внимание, что для контактной сварки в целом чаще всего используется полярность DC+. Она обеспечивает хороший профиль валика с более высоким уровнем провара. Полярность DC- приводит к меньшему проплавлению и более высокой скорости плавления электрода. иногда используется, например, на тонком листовом металле, чтобы предотвратить прожоги». [4] «За некоторыми исключениями, положительная полярность электрода (обратная полярность) приводит к более глубокому проникновению. Отрицательная полярность (прямая полярность) приводит к более быстрому плавлению электрода и, следовательно, к более высокой скорости осаждения». [5] В процессах с неплавящимся электродом, таких как газовая вольфрамовая дуговая сварка, может использоваться как постоянный ток (DC), так и переменный ток (AC). Однако при использовании постоянного тока, поскольку электрод только создает дугу и не подает присадочный материал, положительно заряженный электрод вызывает неглубокие сварные швы, а отрицательно заряженный электрод создает более глубокие сварные швы. [6] Между этими двумя точками быстро перемещается переменный ток, что приводит к образованию сварных швов со средней проплавляемостью. Один из недостатков переменного тока, тот факт, что дуга должна заново зажигаться после каждого пересечения нуля, был устранен с помощью изобретения специальных блоков питания, которые создают прямоугольную волну вместо обычной синусоидальной волны , устраняя время низкого напряжения после пересечений нуля и минимизации последствий проблемы. [7]
Рабочий цикл — это спецификация сварочного оборудования, которая определяет количество минут в течение 10-минутного периода, в течение которого данный сварочный аппарат может безопасно использоваться. Например, сварщик на 80 А с рабочим циклом 60% должен «отдохнуть» не менее 4 минут после 6 минут непрерывной сварки. [8] Несоблюдение ограничений рабочего цикла может привести к повреждению сварочного аппарата. Сварщики коммерческого или профессионального уровня обычно имеют рабочий цикл 100%.
Одним из наиболее распространенных видов дуговой сварки является дуговая сварка в защитной среде (SMAW), которая также известна как ручная дуговая сварка (MMAW) или контактная сварка. Электрический ток используется для зажигания дуги между основным материалом и стержнем или стержнем расходуемого электрода . Стержень электрода изготовлен из материала, совместимого со свариваемым основным материалом, и покрыт флюсом, выделяющим пары, служащие защитным газом и образующие слой шлака, которые защищают зону сварки от атмосферных загрязнений. . Сам сердечник электрода действует как наполнитель, поэтому отдельный наполнитель не нужен. Этот процесс очень универсален, требует небольшой подготовки оператора и недорогого оборудования. Однако время сварки довольно медленное, поскольку плавящиеся электроды необходимо часто заменять, а шлак, остатки флюса, необходимо удалять после сварки. [9] Кроме того, этот процесс обычно ограничивается сваркой черных металлов, хотя специальные электроды сделали возможной сварку чугуна , никеля , алюминия , меди и других металлов. Универсальность метода делает его популярным во многих сферах применения, включая ремонтные работы и строительство. [10]
Газовая дуговая сварка металлом (GMAW), обычно называемая MIG (для металла/инертного газа ), представляет собой полуавтоматический или автоматический процесс сварки, в котором плавящаяся проволока непрерывно подается в качестве электрода и присадочного металла, а также инертного или полуавтоматического металла. Инертный защитный газ обтекал проволоку, защищая место сварки от загрязнения. С GMAW чаще всего используется источник постоянного напряжения и постоянного тока, но также используется постоянный переменный ток . Благодаря непрерывной подаче присадочных электродов GMAW обеспечивает относительно высокую скорость сварки; однако более сложное оборудование снижает удобство и универсальность по сравнению с процессом SMAW. Первоначально разработанный для сварки алюминия и других цветных металлов в 1940-х годах, метод GMAW вскоре стал экономически выгодным для стали . Сегодня GMAW широко используется в таких отраслях, как автомобильная промышленность, благодаря своему качеству, универсальности и скорости. Из-за необходимости поддерживать стабильную защиту защитного газа вокруг места сварки может быть проблематично использовать процесс GMAW в местах с интенсивным движением воздуха, например, на открытом воздухе. [11]
Дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW) является разновидностью метода GMAW. Проволока FCAW на самом деле представляет собой тонкую металлическую трубку, заполненную порошкообразными флюсами. Иногда используется подаваемый извне защитный газ, но часто сам флюс обеспечивает необходимую защиту от атмосферы. Этот процесс широко используется в строительстве из-за высокой скорости сварки и портативности.
Сварка под флюсом (SAW) — это высокопроизводительный процесс сварки, при котором дуга зажигается под покровным слоем гранулированного флюса. Это повышает качество дуги, поскольку поток загрязняющих веществ в атмосфере блокируется. Шлак, образующийся на сварном шве, обычно удаляется сам по себе, а в сочетании с использованием непрерывной подачи проволоки скорость наплавки становится высокой. Условия труда значительно улучшаются по сравнению с другими процессами дуговой сварки, поскольку флюс скрывает дугу и не образуется дым. Этот процесс широко используется в промышленности, особенно для крупных изделий. [12] Поскольку дуга не видна, она обычно автоматизируется. SAW возможна только в положениях 1F (плоское скругление), 2F (горизонтальное скругление) и 1G (плоская канавка).
Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) или сварка вольфрам/инертный газ (TIG) — это ручной процесс сварки, в котором используется неплавящийся электрод из вольфрама , смеси инертных или полуинертных газов и отдельного присадочного материала. Этот метод особенно полезен для сварки тонких материалов. Он характеризуется стабильной дугой и высоким качеством сварных швов, но требует значительных навыков оператора и может осуществляться только на относительно низких скоростях. Его можно использовать практически для всех свариваемых металлов, хотя чаще всего его применяют для нержавеющей стали и легких металлов. Его часто используют, когда качество сварных швов чрезвычайно важно, например, в велосипедах , самолетах и морских судах. [13]
В родственном процессе, плазменно-дуговой сварке , также используется вольфрамовый электрод, но для создания дуги используется плазменный газ . Дуга более концентрированная, чем дуга GTAW, что делает поперечный контроль более важным и, таким образом, обычно ограничивает метод механизированным процессом. Благодаря стабильному току этот метод можно использовать в более широком диапазоне толщин материала, чем процесс GTAW, и он намного быстрее. Его можно применять ко всем тем же материалам, что и GTAW, за исключением магния ; Автоматическая сварка нержавеющей стали является одним из важных применений этого процесса. Разновидностью этого процесса является плазменная резка , эффективный процесс резки стали. [14]
Другие процессы дуговой сварки включают атомно-водородную сварку , угольную дуговую сварку , электрошлаковую сварку , электрогазовую сварку и дуговую сварку шпилек .
Некоторые материалы, особенно высокопрочные стали, алюминиевые и титановые сплавы, подвержены водородному охрупчиванию . Если электроды, используемые для сварки, содержат следы влаги, вода под воздействием тепла дуги разлагается и выделившийся водород попадает в решетку материала, вызывая его хрупкость. Стержневые электроды для таких материалов со специальным маловодородным покрытием поставляются в герметичной влагонепроницаемой упаковке. Новые электроды можно использовать прямо из банки, но если есть подозрение на поглощение влаги, их необходимо высушить путем запекания (обычно при температуре от 450 до 550 °C или от 840 до 1020 °F) в сушильном шкафу. Используемый флюс также должен оставаться сухим. [15]
Некоторые аустенитные нержавеющие стали и сплавы на основе никеля склонны к межкристаллитной коррозии . При слишком длительном воздействии температуры около 700 °C (1300 °F) хром вступает в реакцию с углеродом в материале, образуя карбид хрома и истощая края кристаллов хрома, ухудшая их коррозионную стойкость в процессе, называемом сенсибилизацией . Такая сенсибилизированная сталь подвергается коррозии в областях вблизи сварных швов, где температура и время были благоприятны для образования карбида. Этот вид коррозии часто называют разрушением сварного шва.
Ножевая атака (KLA) — еще один вид коррозии, поражающий сварные швы, поражающие стали, стабилизированные ниобием . Ниобий и карбид ниобия растворяются в стали при очень высоких температурах. При некоторых режимах охлаждения карбид ниобия не выделяется, и тогда сталь ведет себя как нестабилизированная сталь, образуя вместо этого карбид хрома. Это затрагивает только тонкую зону шириной в несколько миллиметров в самой близости от сварного шва, что затрудняет обнаружение и увеличивает скорость коррозии. Конструкции из таких сталей необходимо нагревать в целом примерно до 1000 ° C (1830 ° F), когда карбид хрома растворяется и образуется карбид ниобия. Скорость охлаждения после этой обработки не имеет значения. [16]
Присадочный металл (материал электродов), неправильно выбранный для условий окружающей среды, также может сделать их чувствительными к коррозии . Существуют также проблемы гальванической коррозии , если состав электродов существенно отличается от свариваемых материалов или сами материалы отличаются. Даже между различными марками нержавеющих сталей на основе никеля коррозия сварных соединений может быть серьезной, несмотря на то, что при механическом соединении они редко подвергаются гальванической коррозии. [17]
Сварка может быть опасной и вредной для здоровья практикой без надлежащих мер предосторожности; однако при использовании новых технологий и надлежащей защиты риски травм или смерти, связанные со сваркой, могут быть значительно снижены.
Поскольку многие распространенные сварочные процедуры включают открытую электрическую дугу или пламя, риск ожогов от тепла и искр является значительным. Чтобы предотвратить их, сварщики носят защитную одежду в виде толстых кожаных перчаток и защитных курток с длинными рукавами, чтобы избежать воздействия сильного тепла, пламени и искр. Использование сжатых газов и пламени во многих сварочных процессах также представляет опасность взрыва и пожара; некоторые общие меры предосторожности включают ограничение количества кислорода в воздухе и хранение горючих материалов вдали от рабочего места. [18]
Воздействие яркого света на область сварного шва приводит к состоянию, называемому дуговым глазом , при котором ультрафиолетовый свет вызывает воспаление роговицы и может вызвать ожог сетчатки глаз. Чтобы предотвратить такое воздействие, надевают сварочные очки и шлемы с темными лицевыми пластинами (намного темнее, чем у солнцезащитных очков или кислородных очков ). В последние годы были выпущены новые модели шлемов с лицевой панелью, которая автоматически затемняется с помощью электроники. [19] Чтобы защитить посторонних, зону сварки часто окружают прозрачные сварочные шторы. Эти шторы, изготовленные из поливинилхлоридной пластиковой пленки, защищают находящихся рядом рабочих от воздействия ультрафиолетового излучения электрической дуги. [20]
Сварщики также часто подвергаются воздействию опасных газов и твердых частиц. Такие процессы, как дуговая сварка порошковой проволокой и дуговая сварка защитным металлом, производят дым , содержащий частицы различных типов оксидов . Размер рассматриваемых частиц имеет тенденцию влиять на токсичность дыма, при этом более мелкие частицы представляют большую опасность. Кроме того, во многих процессах образуются различные газы (чаще всего углекислый газ и озон , но есть и другие), которые могут оказаться опасными при недостаточной вентиляции.
Хотя напряжение холостого хода аппарата дуговой сварки может составлять всего от нескольких десятков до примерно 120 В, даже такое низкое напряжение может представлять опасность поражения электрическим током для операторов. Такие места, как корпуса судов, резервуары для хранения, металлические конструкции из стали или влажные помещения, обычно находятся под потенциалом земли, и операторы могут стоять или отдыхать на этих поверхностях во время работы электрической дуги. Сварочные аппараты, работающие от систем распределения переменного тока, должны изолировать дуговую цепь от заземления, чтобы предотвратить повреждение изоляции в аппарате и воздействие на операторов высокого напряжения. Обратный зажим сварочного аппарата расположен рядом с рабочей зоной, чтобы снизить риск прохождения блуждающего тока на большие расстояния, что может привести к перегреву или поражению электрическим током, а также к повреждению чувствительных электронных устройств. [21] Операторы сварки должны внимательно устанавливать возвратные зажимы, чтобы сварочный ток не мог проходить через подшипники электродвигателей, конвейерные ролики или другие вращающиеся компоненты, что может привести к повреждению подшипников. Сварка электрических шин, подключенных к трансформаторам , представляет опасность «повышения» низкого сварочного напряжения до гораздо более высокого напряжения, поэтому могут потребоваться дополнительные заземляющие кабели.
Было обнаружено, что некоторые сварочные аппараты, в которых используется высокочастотная составляющая переменного тока, влияют на работу кардиостимулятора, когда они находятся в пределах 2 метров от источника питания и 1 метра от места сварки. [22]
Хотя примеры кузнечной сварки восходят к бронзовому и железному векам , дуговая сварка вошла в практику гораздо позже.
В 1800 году Хамфри Дэви открыл короткие импульсные электрические дуги. [23] [24] Независимо русский физик Василий Петров открыл непрерывную электрическую дугу в 1802 году [24] [25] [26] [27] и впоследствии предложил ее возможные практические применения, включая сварку. [28] Дуговая сварка была впервые разработана, когда Николай Бенардос представил дуговую сварку металлов с использованием угольного электрода на Международной выставке электричества в Париже в 1881 году, которая была запатентована вместе со Станиславом Ольшевским в 1887 году . [29] В том же году французы изобретатель электротехники Огюст де Меритенс также изобрел метод угольной дуговой сварки, запатентованный в 1881 году, который успешно использовался для сварки свинца при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов . [30] Развитие дуговой сварки продолжилось с изобретением металлических электродов в конце 19 века россиянином Николаем Славяновым (1888 г.) и американцем К. Л. Коффином . Около 1900 года А.П. Строменгер выпустил в Великобритании металлический электрод с покрытием, который давал более стабильную дугу. В 1905 году русский учёный Владимир Миткевич предложил использовать для сварки трёхфазную электрическую дугу. В 1919 году С. Дж. Холслаг изобрел сварку переменным током, но она не стала популярной еще десять лет. [31]
В это же время были разработаны конкурирующие сварочные процессы, такие как контактная сварка и кислородно-топливная сварка ; [32] , но оба, особенно последний, столкнулись с жесткой конкуренцией со стороны дуговой сварки, особенно после того, как продолжали разрабатываться металлические покрытия (известные как флюс ) для электрода, стабилизирующие дугу и защищающие основной материал от примесей. [33]
Во время Первой мировой войны в судостроении Великобритании вместо клепаных стальных листов стали использовать сварку . Американцы также стали более восприимчивы к новой технологии, когда этот процесс позволил им быстро отремонтировать свои корабли после нападения Германии в гавани Нью-Йорка в начале войны. [34] Дуговая сварка впервые была применена к самолетам во время войны, и с использованием этого процесса были построены фюзеляжи некоторых немецких самолетов. [35] В 1919 году британский судостроитель Каммелл Лэрд начал строительство торгового судна « Фуллагар» с полностью сварным корпусом; [36] она была спущена на воду в 1921 году. [37]
В 1920-е годы были достигнуты значительные успехи в технологии сварки, включая внедрение в 1920 году автоматической сварки, при которой электродная проволока подавалась непрерывно. Защитный газ стал предметом пристального внимания, поскольку ученые пытались защитить сварные швы от воздействия кислорода и азота в атмосфере. Пористость и хрупкость были основными проблемами, и предложенные решения включали использование водорода , аргона и гелия в качестве сварочной атмосферы. [38] В течение следующего десятилетия дальнейшие достижения позволили сваривать химически активные металлы, такие как алюминий и магний . Это, в сочетании с разработками в области автоматической сварки, переменного тока и флюсов, способствовало значительному расширению дуговой сварки в 1930-х годах, а затем во время Второй мировой войны . [39]
В середине века было изобретено множество новых методов сварки. Сварка под флюсом была изобретена в 1930 году и продолжает пользоваться популярностью по сей день. В 1932 году россиянин Константин Хренов успешно осуществил первую подводную электродуговую сварку . Газовая вольфрамовая дуговая сварка , после десятилетий разработок, была окончательно усовершенствована в 1941 году, а в 1948 году последовала газовая дуговая сварка металлов , позволяющая быстро сваривать цветные материалы , но требующая дорогих защитных газов. Использование плавящегося электрода и атмосферы углекислого газа в качестве защитного газа быстро стало самым популярным процессом дуговой сварки металлом. В 1957 году дебютировал процесс дуговой сварки порошковой проволокой , в котором самозащитный проволочный электрод можно было использовать с автоматическим оборудованием, что привело к значительному увеличению скорости сварки. В этом же году была изобретена плазменно-дуговая сварка . Электрошлаковая сварка появилась в 1958 году, а в 1961 году за ней последовала ее двоюродная сестра, электрогазовая сварка .