Дуговая сварка в среде защитного металла ( SMAW ), также известная как ручная дуговая сварка металлом ( MMA или MMAW ), дуговая сварка под флюсом [1] или неофициально как контактная сварка , представляет собой процесс ручной дуговой сварки , в котором используется плавящийся электрод , покрытый флюсом для проложить сварной шов.
Электрический ток в виде переменного или постоянного тока от источника сварочного тока используется для образования электрической дуги между электродом и соединяемыми металлами . Заготовка и электрод плавятся, образуя ванну расплавленного металла ( сварочную ванну ), которая охлаждается, образуя соединение. По мере укладки сварного шва флюсовое покрытие электрода распадается, выделяя пары, которые служат защитным газом , и образуя слой шлака , которые защищают область сварного шва от атмосферных загрязнений.
Благодаря универсальности процесса и простоте оборудования и эксплуатации, дуговая сварка в защитных металлах является одним из первых и самых популярных сварочных процессов в мире. Он доминирует над другими сварочными процессами в сфере технического обслуживания и ремонта, и хотя популярность дуговой сварки порошковой проволокой растет, SMAW продолжает широко использоваться при строительстве тяжелых стальных конструкций и в промышленном производстве. Этот процесс используется в основном для сварки железа и сталей (включая нержавеющую сталь ), но этим методом также можно сваривать сплавы алюминия , никеля и меди . [2]
После открытия короткоимпульсной электрической дуги в 1800 году Хамфри Дэви [3] [4] и непрерывной электрической дуги в 1802 году Василием Петровым [4] [5] электросварка практически не развивалась, пока Огюст де Меритенс не разработал угольная дуговая горелка, запатентованная в 1881 году. [1]
В 1885 году Николай Бенардос и Станислав Ольшевский разработали углеродно-дуговую сварку , [6] получив американские патенты 1887 года, демонстрирующие элементарный электрододержатель. В 1888 году плавящийся металлический электрод был изобретен Николаем Славяновым . Позже, в 1890 году, К. Л. Коффин получил патент США № 428 459 на свой метод дуговой сварки, в котором использовался металлический электрод. В этом процессе, как и в случае SMAW, в сварной шов в качестве наполнителя наносится расплавленный электродный металл. [7]
Около 1900 года Артур Перси Строменгер и Оскар Чельберг выпустили первые покрытые электроды. Строменгер использовал покрытие из глины и извести для стабилизации дуги, а Чельберг погружал железную проволоку в смесь карбонатов и силикатов для покрытия электрода. [8] В 1912 году Строменгер выпустил электрод с толстым покрытием, но высокая стоимость и сложные методы производства помешали этим ранним электродам завоевать популярность. В 1927 году разработка процесса экструзии снизила стоимость покрытия электродов, позволив производителям производить более сложные смеси покрытий, предназначенные для конкретных применений. В 1950-х годах производители ввели в состав флюсового покрытия железный порошок, что позволило увеличить скорость сварки. [9]
В 1945 году Карл Кристиан Масден описал автоматизированный вариант SMAW, ныне известный как гравитационная сварка. [10] Он ненадолго приобрел популярность в 1960-х годах после того, как получил огласку по поводу его использования на японских верфях, хотя сегодня его применение ограничено. Другой малоиспользуемый вариант процесса, известный как сварка петард , был разработан примерно в то же время Джорджем Хафергутом в Австрии . [11] В 1964 году в лаборатории Белла была разработана лазерная сварка с намерением использовать эту технологию в качестве средства связи. Благодаря большой силе энергии в сочетании с небольшой областью фокусировки этот лазер стал мощным источником тепла для резки и обработки. [12]
Для зажигания электрической дуги электрод соприкасается с заготовкой путем очень легкого прикосновения электрода к основному металлу. Затем электрод слегка оттягивают назад. Это инициирует дугу и, следовательно, плавление заготовки и плавящегося электрода, а также вызывает попадание капель электрода с электрода в сварочную ванну . Зажигание дуги, которое сильно зависит от состава электрода и заготовки, может оказаться самым сложным навыком для новичков. Ориентация электрода к заготовке является тем местом, где больше всего спотыкаются; если электрод держать под перпендикулярным углом к заготовке, наконечник, скорее всего, прилипнет к металлу, в результате чего электрод приварится к заготовке, что приведет к ее очень быстрому нагреву. Кончик электрода должен располагаться под меньшим углом к заготовке, чтобы сварочная ванна могла вытекать из дуги. По мере плавления электрода флюсовое покрытие распадается, выделяя защитные газы, защищающие зону сварного шва от кислорода и других атмосферных газов. Кроме того, флюс обеспечивает расплавленный шлак, который покрывает наполнитель по мере его перемещения от электрода к сварочной ванне. Попав в сварочную ванну, шлак всплывает на поверхность и защищает сварной шов от загрязнения по мере его затвердевания. После затвердевания его необходимо отколоть, чтобы обнажить готовый сварной шов. По мере продвижения сварки и плавления электрода сварщик должен периодически прекращать сварку, чтобы удалить оставшийся огарок электрода и вставить новый электрод в электрододержатель. Эта деятельность в сочетании со скалыванием шлака сокращает время, которое сварщик может потратить на накладку сварного шва, что делает SMAW одним из наименее эффективных процессов сварки. В общем, фактор оператора, или процент времени, затрачиваемого оператором на накладку сварного шва, составляет примерно 25%. [13]
Используемая технология сварки зависит от электрода, состава заготовки и положения свариваемого соединения. Выбор электрода и положения сварки также определяет скорость сварки. Плоские сварные швы требуют минимальных навыков оператора и могут выполняться электродами, которые быстро плавятся, но медленно затвердевают. Это обеспечивает более высокие скорости сварки. [ нужна цитата ]
Наклонная, вертикальная или перевернутая сварка требует от оператора большей квалификации и часто требует использования электрода, который быстро затвердевает, чтобы предотвратить вытекание расплавленного металла из сварочной ванны. Однако обычно это означает, что электрод плавится медленнее, что увеличивает время, необходимое для наложения сварного шва. [14]
Наиболее распространенные проблемы качества, связанные с SMAW, включают разбрызгивание сварных швов, пористость, плохое проваривание, неглубокое проплавление и растрескивание. [ нужна цитата ]
Сварочные брызги, не влияя на целостность сварного шва, портят его внешний вид и увеличивают затраты на очистку. Услуги вторичной отделки часто требуются из-за эстетичного внешнего вида, вызванного появлением брызг расплава. [15] Это может быть вызвано слишком высоким током, длинной дугой или перегоранием дуги — состоянием, связанным с постоянным током, характеризующимся отклонением электрической дуги от сварочной ванны под действием магнитных сил. Дуговой разряд также может вызвать пористость сварного шва, а также загрязнение шва, высокую скорость сварки и длинную сварочную дугу, особенно при использовании электродов с низким содержанием водорода. [16]
Дефекты прочности сварного шва делают сварные швы склонными к растрескиванию. Пористость сварного шва может привести к серьезному ослаблению и часто обнаруживается только с помощью современных методов неразрушающего контроля . Пористость возникает, когда газы, образующиеся при сварке, недостаточно защищают расплавленный металл сварного шва. Передержанный сварной валик поглощает азот, кислород и водород из атмосферы; эти газы образуют крошечные пустоты в сварном валике и выделяются при охлаждении сварного шва. Плохое проваривание также влияет на прочность сварного шва и часто хорошо видно. Это вызвано низким током, загрязнением поверхностей суставов или использованием неподходящего электрода. [ нужна цитация ] Неглубокие сварные швы слабее, и их можно уменьшить, уменьшив скорость сварки, увеличив силу тока или используя электрод меньшего размера.
Другие факторы склонности к растрескиванию включают высокое содержание углерода, сплавов или серы в основном материале, особенно если не используются электроды с низким содержанием водорода и предварительный нагрев. Кроме того, заготовки не должны быть чрезмерно скованы, поскольку это создает остаточные напряжения в заготовках (и особенно в сварном шве), поскольку они расширяются и сжимаются из-за нагрева и охлаждения. По мере того как сварной шов остывает и сжимается, это остаточное напряжение может вызвать растрескивание сварного шва. [17]
Сварка SMAW, как и другие методы сварки, может быть опасной и вредной для здоровья, если не принять надлежащие меры предосторожности. В процессе используется открытая электрическая дуга, что представляет собой риск ожогов, которые предотвращаются средствами индивидуальной защиты в виде толстых кожаных перчаток и курток с длинными рукавами. Кроме того, яркость области сварного шва может привести к состоянию, называемому дуговым ожогом или вспышкой, при котором ультрафиолетовый свет вызывает воспаление роговицы и может обжечь сетчатку глаз. Чтобы предотвратить такое воздействие, носят сварочные маски с темными лицевыми панелями, а в последние годы были произведены новые модели касок с лицевой панелью, которая самотемнеет при воздействии большого количества ультрафиолетового света. Для защиты посторонних лиц, особенно в промышленных условиях, зону сварки часто окружают полупрозрачные сварочные шторы. Эти шторы, изготовленные из поливинилхлоридной пластиковой пленки, защищают находящихся рядом рабочих от воздействия ультрафиолетового излучения электрической дуги, но не должны использоваться для замены фильтрующего стекла, используемого в касках. [18]
Кроме того, испаряющийся металл и флюсы подвергают сварщиков воздействию опасных газов и твердых частиц . Образующийся дым содержит частицы различных типов оксидов . Размер рассматриваемых частиц имеет тенденцию влиять на токсичность дыма, при этом более мелкие частицы представляют большую опасность. Кроме того, могут образовываться такие газы, как углекислый газ и озон , что может оказаться опасным при недостаточной вентиляции. Некоторые из новейших сварочных масок оснащены вентилятором с электроприводом, который помогает рассеивать вредные пары. [19]
Дуговая сварка в среде защитного металла — один из самых популярных сварочных процессов в мире, на который в некоторых странах приходится более половины всей сварки. Благодаря своей универсальности и простоте он особенно доминирует в сфере технического обслуживания и ремонта, а также широко используется при строительстве стальных конструкций и в промышленном производстве. В последние годы его использование сократилось, поскольку дуговая сварка порошковой проволокой получила распространение в строительной отрасли, а дуговая сварка металлическим газом стала более популярной в промышленных условиях. Однако из-за низкой стоимости оборудования и широкой применимости этот процесс, вероятно, останется популярным, особенно среди любителей и малого бизнеса, где специализированные сварочные процессы неэкономичны и не нужны. [20]
SMAW часто используется для сварки углеродистой стали , низко- и высоколегированной стали , нержавеющей стали, чугуна и ковкого чугуна . Хотя он менее популярен для цветных металлов, его можно использовать для никеля, меди и их сплавов и, в редких случаях, для алюминия. Толщина свариваемого материала в нижней части ограничивается в первую очередь навыками сварщика, но редко опускается ниже 1,5 мм (0,06 дюйма). Верхнего предела не существует: при правильной подготовке шва и использовании нескольких проходов можно соединять материалы практически неограниченной толщины. Кроме того, в зависимости от используемого электрода и квалификации сварщика, SMAW можно использовать в любом положении. [21]
Экранированное оборудование для дуговой сварки металлом обычно состоит из источника сварочного тока постоянного тока и электрода с электрододержателем, зажимом заземления и сварочных кабелей (также известных как сварочные провода), соединяющих их. [22]
Источник питания, используемый в SMAW, имеет постоянный выходной ток, гарантируя, что ток (и, следовательно, тепло) остается относительно постоянным, даже если расстояние дуги и напряжение изменяются. Это важно, поскольку большинство применений SMAW выполняются вручную и требуют, чтобы оператор держал резак. Поддерживать достаточно стабильное расстояние между дугами сложно, если вместо этого используется источник постоянного напряжения, поскольку это может вызвать резкие перепады температуры и затруднить сварку. Однако, поскольку ток не поддерживается абсолютно постоянным, опытные сварщики, выполняющие сложные сварные швы, могут изменять длину дуги, чтобы вызвать незначительные колебания тока. [23]
Предпочтительная полярность системы SMAW зависит, прежде всего, от используемого электрода и желаемых свойств сварного шва. Постоянный ток с отрицательно заряженным электродом (DCEN) вызывает накопление тепла в основном материале, [24] увеличивая скорость плавления электрода и уменьшая глубину сварного шва. Изменение полярности так, чтобы электрод был заряжен положительно (DCEP), а заготовка - отрицательно, увеличивает проплавление сварного шва. При переменном токе полярность меняется более 100 раз в секунду, создавая равномерное распределение тепла и обеспечивая баланс между скоростью плавления электрода и проплавлением. [25]
Обычно оборудование, используемое для SMAW, состоит из понижающего трансформатора , а для моделей постоянного тока — выпрямителя , преобразующего переменный ток в постоянный. Поскольку мощность, обычно подаваемая на сварочный аппарат, представляет собой переменный ток высокого напряжения, сварочный трансформатор используется для уменьшения напряжения и увеличения тока. В результате вместо 220 В при 50 А , например, мощность, подаваемая трансформатором, составляет около 17–45 В при токе до 600 А. Для достижения этого эффекта можно использовать ряд различных типов трансформаторов, в том числе несколько катушек и инверторных аппаратов, каждый из которых использует свой метод управления сварочным током. Тип с несколькими катушками регулирует ток либо путем изменения количества витков в катушке (в трансформаторах ответвительного типа), либо путем изменения расстояния между первичной и вторичной катушками (в трансформаторах с подвижной катушкой или подвижным сердечником). Инверторы, которые меньше по размеру и, следовательно, более портативны, используют электронные компоненты для изменения характеристик тока. [26]
Электрические генераторы и генераторы переменного тока часто используются в качестве портативных источников сварочного тока, но из-за более низкого КПД и большей стоимости они реже применяются в промышленности. Техническое обслуживание также имеет тенденцию быть более сложным из-за сложности использования двигателя внутреннего сгорания в качестве источника энергии. Однако в каком-то смысле они проще: в использовании отдельного выпрямителя нет необходимости, поскольку они могут обеспечивать как переменный, так и постоянный ток. [27] Однако агрегаты с приводом от двигателя наиболее практичны при полевых работах, где сварку часто приходится выполнять на открытом воздухе и в местах, где сварщики трансформаторного типа непригодны для использования из-за отсутствия источника питания, который можно было бы преобразовать. [ нужна цитата ]
В некоторых агрегатах генератор переменного тока по существу такой же, как и в портативных генераторных установках, используемых для подачи электроэнергии от сети, модифицированный для выработки более высокого тока при более низком напряжении, но при этом на частоте сети 50 или 60 Гц. В агрегатах более высокого качества используется генератор с большим количеством полюсов, который подает ток более высокой частоты, например 400 Гц. Меньшее время, в течение которого высокочастотный сигнал находится около нуля, значительно облегчает зажигание и поддержание стабильной дуги, чем при использовании более дешевых комплектов с частотой сети или устройств с питанием от сети. [ нужна цитата ]
Выбор электрода для SMAW зависит от ряда факторов, включая материал сварного шва, положение сварки и желаемые свойства сварного шва. Электрод покрыт металлической смесью, называемой флюсом, которая при разложении выделяет газы для предотвращения загрязнения сварного шва, вводит раскислители для очистки сварного шва, вызывает образование шлака, защищающего сварку, улучшает стабильность дуги и содержит легирующие элементы для улучшения сварного шва. качество сварки. [28] Электроды можно разделить на три группы: электроды, предназначенные для быстрого плавления, называются электродами «быстрого заполнения», электроды, предназначенные для быстрого затвердевания, называются электродами «быстрого замораживания», а промежуточные электроды называются электродами «наполнения-замораживания». или электроды «быстрого следования». Электроды с быстрым наполнителем предназначены для быстрого плавления, что позволяет максимально увеличить скорость сварки, в то время как электроды с быстрым замораживанием поставляют присадочный металл, который быстро затвердевает, что делает возможной сварку в различных положениях, предотвращая значительное смещение сварочной ванны до затвердевания. [29]
Состав сердечника электрода обычно аналогичен, а иногда и идентичен составу основного материала. Но несмотря на то, что существует ряд возможных вариантов, небольшая разница в составе сплава может сильно повлиять на свойства получаемого сварного шва. Это особенно верно для легированных сталей, таких как стали HSLA . Аналогичным образом, электроды с составом, аналогичным составу основных материалов, часто используются для сварки цветных металлов, таких как алюминий и медь. [30] Однако иногда желательно использовать электроды с материалами сердцевины, существенно отличающимися от основного материала. Например, электроды из нержавеющей стали иногда используются для сварки двух деталей из углеродистой стали и часто используются для сварки деталей из нержавеющей стали с деталями из углеродистой стали. [31]
Покрытия электродов могут состоять из ряда различных соединений, включая рутил , фторид кальция , целлюлозу и железный порошок. Рутиловые электроды, покрытые 25–45 % TiO 2 , характеризуются удобством использования и хорошим внешним видом получаемого сварного шва. Однако они создают сварные швы с высоким содержанием водорода, что способствует охрупчиванию и растрескиванию. Электроды, содержащие фторид кальция (CaF 2 ), иногда называемые основными или низководородными электродами, гигроскопичны и должны храниться в сухих условиях. Они дают прочные сварные швы, но с грубой и выпуклой поверхностью соединения. Электроды , покрытые целлюлозой, особенно в сочетании с рутилом, обеспечивают глубокий провар сварного шва, но из-за их высокого содержания влаги необходимо использовать специальные процедуры для предотвращения чрезмерного риска растрескивания. Наконец, железный порошок является распространенной добавкой для покрытия, которая увеличивает скорость заполнения электродом сварного соединения почти в два раза. [32]
Чтобы идентифицировать различные электроды, Американское общество сварщиков создало систему, которая присваивает электродам четырех- или пятизначные номера. Покрытые электроды, изготовленные из мягкой или низколегированной стали, имеют префикс E , за которым следует их номер. Первые две или три цифры числа указывают предел прочности металла сварного шва в тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi). Предпоследняя цифра обычно определяет допустимые положения сварки с помощью электрода, обычно используя значения 1 (обычно электроды с быстрой заморозкой, подразумевающие сварку во всех положениях) и 2 (обычно электроды с быстрым заполнением, подразумевающие только горизонтальную сварку). Сварочный ток и тип покрытия электрода указываются двумя последними цифрами вместе. Когда это применимо, используется суффикс для обозначения легирующего элемента, вносимого электродом. [33]
Распространенные электроды включают E6010, быстрозамораживаемый, всепозиционный электрод с минимальной прочностью на разрыв 60 тысяч фунтов на квадратный дюйм (410 МПа ), который работает с использованием DCEP и обеспечивает глубокое проплавление сварного шва мощной дугой, способной прожигать легкую ржавчину или оксиды. на заготовке. E6011 аналогичен, за исключением того, что его флюсовое покрытие позволяет использовать его с переменным током в дополнение к DCEP. E7024 — это электрод быстрого заполнения, используемый в основном для выполнения плоских или горизонтальных угловых швов с использованием переменного тока, DCEN или DCEP. Примерами заполняющих электродов являются E6012, E6013 и E7014, каждый из которых обеспечивает компромисс между высокой скоростью сварки и сваркой во всех положениях. [34]
Хотя SMAW — это почти исключительно процесс ручной дуговой сварки, существует один заметный вариант процесса, известный как гравитационная сварка или гравитационная дуговая сварка. Он представляет собой автоматизированную версию традиционного процесса дуговой сварки в среде защитного металла, в которой используется электрододержатель, прикрепленный к наклонной планке по длине сварного шва. После запуска процесс продолжается до тех пор, пока не израсходуется электрод, что позволяет оператору управлять несколькими системами гравитационной сварки. Используемые электроды (часто E6027 или E7024) густо покрыты флюсом, обычно имеют длину 71 см (28 дюймов) и толщину около 6,35 мм (0,25 дюйма). Как и при ручной SMAW, используется источник сварочного тока постоянного тока либо постоянного, либо переменного тока отрицательной полярности. Из-за роста использования полуавтоматических сварочных процессов, таких как дуговая сварка порошковой проволокой, популярность гравитационной сварки упала, поскольку ее экономическое преимущество перед такими методами часто минимально. Другие методы, связанные с SMAW, которые используются еще реже, включают сварку петардой, автоматический метод выполнения стыковых и угловых сварных швов, и сварку массивным электродом, процесс сварки крупных компонентов или конструкций, которые могут выдержать до 27 кг (60 фунтов) сварного металла в час. [11]
