Дуговая сварка — это процесс сварки , который используется для соединения металла с металлом с помощью электричества , чтобы создать достаточно тепла для расплавления металла, а расплавленные металлы, когда остывают, приводят к связыванию металлов. Это тип сварки, который использует сварочный источник питания для создания электрической дуги между металлическим стержнем (« электродом ») и основным материалом для расплавления металлов в точке контакта. Источники питания для дуговой сварки могут подавать как постоянный (DC), так и переменный (AC) ток на работу, при этом используются расходуемые или нерасходуемые электроды.
Зона сварки обычно защищена каким-либо типом защитного газа (например, инертным газом), паром или шлаком. Процессы дуговой сварки могут быть ручными, полуавтоматическими или полностью автоматизированными. Впервые разработанная в конце 19 века, дуговая сварка приобрела коммерческое значение в судостроении во время Второй мировой войны. Сегодня она остается важным процессом для изготовления стальных конструкций и транспортных средств.
Для подачи электроэнергии, необходимой для 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 связано с длиной дуги, а ток связан с количеством подводимого тепла. Источники питания постоянного тока чаще всего используются для ручных сварочных процессов, таких как газовая вольфрамовая 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 идеально неподвижно, и в результате длина дуги и, следовательно, напряжение имеют тенденцию колебаться. Источники питания постоянного напряжения поддерживают постоянное напряжение и изменяют ток, и в результате чаще всего используются для автоматизированных сварочных процессов, таких как газовая дуговая сварка металлическим электродом, дуговая сварка порошковой проволокой и дуговая сварка под флюсом. В этих процессах длина дуги поддерживается постоянной, поскольку любые колебания расстояния между проволокой и основным материалом быстро исправляются большим изменением тока. Например, если провод и основной материал окажутся слишком близко, ток быстро увеличится, что, в свою очередь, вызовет увеличение температуры и расплавление кончика провода, возвращая его к исходному разделительному расстоянию. [1] При нормальных условиях длины дуги источник постоянного тока с стержневым электродом работает при напряжении около 20 вольт. [2]
Направление тока, используемого при дуговой сварке, также играет важную роль в сварке. Процессы с расходуемым электродом, такие как сварка металлическим электродом в среде защитного газа и газовая дуговая сварка металлическим электродом, обычно используют постоянный ток, но электрод может быть заряжен как положительно, так и отрицательно. Как правило, положительно заряженный анод будет иметь большую концентрацию тепла (около 60%). [3] "Обратите внимание, что для сварки палкой в целом чаще всего используется полярность DC+. Она обеспечивает хороший профиль валика с более высоким уровнем проникновения. Полярность DC− приводит к меньшему проникновению и более высокой скорости расплавления электрода. Иногда ее используют, например, на тонком листовом металле в попытке предотвратить прожог". [4] "За немногими исключениями, электрод-положительная (обратная полярность) приводит к более глубокому проникновению. Электрод-отрицательная (прямая полярность) приводит к более быстрому расплавлению электрода и, следовательно, более высокой скорости осаждения". [5] Процессы с неплавящимся электродом, такие как газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом, могут использовать как постоянный ток (DC), так и переменный ток (AC). Однако при постоянном токе, поскольку электрод только создает дугу и не обеспечивает присадочный материал, положительно заряженный электрод вызывает неглубокие сварные швы, в то время как отрицательно заряженный электрод делает более глубокие сварные швы. [6] Переменный ток быстро перемещается между этими двумя, что приводит к сварным швам со средней глубиной проплавления. Один из недостатков переменного тока, тот факт, что дугу необходимо повторно зажигать после каждого перехода через ноль, был устранен с изобретением специальных силовых агрегатов, которые производят квадратную волну вместо обычной синусоиды , устраняя время низкого напряжения после перехода через ноль и минимизируя последствия этой проблемы. [7]
Рабочий цикл — это спецификация сварочного оборудования, которая определяет количество минут в течение 10-минутного периода, в течение которых данный дуговой сварщик может безопасно использоваться. Например, сварщик на 80 А с рабочим циклом 60% должен «отдыхать» не менее 4 минут после 6 минут непрерывной сварки. [8] Несоблюдение ограничений рабочего цикла может привести к повреждению сварщика. Сварщики коммерческого или профессионального уровня обычно имеют рабочий цикл 100%.
Одним из наиболее распространенных типов дуговой сварки является сварка защитным металлическим электродом (SMAW), которая также известна как ручная дуговая сварка металлическим электродом (MMAW) или сварка палкой. Электрический ток используется для зажигания дуги между основным материалом и расходуемым электродным стержнем или палкой . Электродный стержень изготавливается из материала, совместимого с основным материалом, который подвергается сварке, и покрыт флюсом, который выделяет пары, которые служат защитным газом и обеспечивают слой шлака, оба из которых защищают область сварки от атмосферного загрязнения. Сам сердечник электрода выступает в качестве присадочного материала, что делает отдельный присадочный материал ненужным. Процесс очень универсален, требует небольшого обучения оператора и недорогого оборудования. Однако время сварки довольно медленное, поскольку расходуемые электроды необходимо часто заменять, а шлак, остаток от флюса, необходимо откалывать после сварки. [9] Кроме того, этот процесс, как правило, ограничивается сваркой черных металлов, хотя специальные электроды сделали возможной сварку чугуна , никеля , алюминия , меди и других металлов. Универсальность метода делает его популярным в ряде областей применения, включая ремонтные работы и строительство. [10]
Газовая дуговая сварка металлическим электродом (GMAW), обычно называемая MIG (для металла/инертного газа ), представляет собой полуавтоматический или автоматический процесс сварки с непрерывно подаваемой расходной проволокой, действующей как электрод и присадочный металл, вместе с инертным или полуинертным защитным газом, протекающим вокруг проволоки для защиты места сварки от загрязнения. Источник постоянного напряжения, постоянного тока чаще всего используется с GMAW, но также используются постоянный переменный ток. С непрерывно подаваемыми присадочными электродами 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, GMAW вскоре стал экономично применяться для сталей . Сегодня GMAW широко используется в таких отраслях, как автомобильная промышленность, из-за его качества, универсальности и скорости. Из-за необходимости поддержания стабильной защитной газовой оболочки вокруг места сварки может быть проблематично использовать процесс GMAW в зонах с интенсивным движением воздуха, например, на открытом воздухе. [11]
Сварка порошковой проволокой (FCAW) — это разновидность метода GMAW. Проволока FCAW на самом деле представляет собой тонкую металлическую трубку, заполненную порошкообразными флюсовыми материалами. Иногда используется внешний защитный газ, но часто сам флюс полагается на то, чтобы обеспечить 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 слоем гранулированного флюса. Это повышает качество дуги, поскольку загрязняющие вещества в атмосфере блокируются флюсом. Шлак, образующийся на сварном шве, обычно отделяется сам по себе, а в сочетании с использованием непрерывной подачи проволоки скорость наплавки становится высокой. Условия работы значительно улучшены 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 автоматизирована. SAW возможна только в положениях 1F (плоский шов), 2F (горизонтальный шов) и 1G (плоская канавка).
Газовая дуговая сварка вольфрамом (GTAW) или сварка вольфрамом/инертным газом (TIG) — это ручной процесс сварки, в котором используется неплавящийся электрод из вольфрама , инертная или полуинертная газовая смесь и отдельный присадочный материал. Этот метод особенно полезен для сварки тонких материалов, он характеризуется стабильной дугой и высококачественными сварными швами, но требует значительных навыков оператора и может быть реализован только на относительно низких скоростях. Его можно использовать практически для всех свариваемых металлов, хотя чаще всего он применяется к нержавеющей стали и легким металлам. Его часто используют, когда качество сварных швов чрезвычайно важно, например, в велосипедной , авиационной и морской промышленности. [13]
Связанный процесс, плазменная дуговая сварка , также использует вольфрамовый электрод, но использует плазменный газ для создания дуги. Дуга более концентрирована, чем дуга GTAW, что делает поперечный контроль более критичным и, таким образом, в целом ограничивает технику механизированным процессом. Благодаря своему стабильному току, метод может использоваться в более широком диапазоне толщин материалов, чем процесс GTAW, и он намного быстрее. Его можно применять ко всем тем же материалам, что и GTAW, за исключением магния ; автоматизированная сварка нержавеющей стали является одним из важных применений этого процесса. Разновидностью процесса является плазменная резка , эффективный процесс резки стали. [14]
Другие процессы дуговой сварки включают сварку атомарным водородом , сварку угольной дугой , электрошлаковую сварку , электрогазовую сварку и дуговую приварку шпилек .
Некоторые материалы, особенно высокопрочные стали, алюминиевые и титановые сплавы, подвержены водородной хрупкости . Если электроды, используемые для сварки, содержат следы влаги, вода разлагается под воздействием тепла дуги, и высвобождающийся водород проникает в решетку материала, вызывая его хрупкость. Стержневые электроды для таких материалов со специальным покрытием с низким содержанием водорода поставляются в герметичной влагонепроницаемой упаковке. Новые электроды можно использовать прямо из банки, но если есть подозрение на поглощение влаги, их необходимо высушить путем прокаливания (обычно при температуре от 450 до 550 °C или от 840 до 1020 °F) в сушильной печи. Используемый флюс также должен быть сухим. [15]
Некоторые аустенитные нержавеющие стали и сплавы на основе никеля склонны к межкристаллитной коррозии . При воздействии температур около 700 °C (1300 °F) в течение слишком длительного времени хром реагирует с углеродом в материале, образуя карбид хрома и истощая кристаллические края хрома, ухудшая их коррозионную стойкость в процессе, называемом сенсибилизацией . Такая сенсибилизированная сталь подвергается коррозии в областях вблизи сварных швов, где температура-время были благоприятными для образования карбида. Этот вид коррозии часто называют распадом сварного шва.
Ножевая атака (KLA) — еще один вид коррозии, поражающий сварные швы, воздействующий на стали, стабилизированные ниобием . Ниобий и карбид ниобия растворяются в стали при очень высоких температурах. При некоторых режимах охлаждения карбид ниобия не выпадает в осадок, и сталь затем ведет себя как нестабилизированная сталь, образуя вместо этого карбид хрома. Это затрагивает только тонкую зону шириной в несколько миллиметров в непосредственной близости от сварного шва, что затрудняет его обнаружение и увеличивает скорость коррозии. Конструкции, изготовленные из таких сталей, должны быть нагреты в целом примерно до 1000 °C (1830 °F), когда карбид хрома растворяется и образуется карбид ниобия. Скорость охлаждения после этой обработки не важна. [16]
Неправильно подобранный для условий окружающей среды присадочный металл (материал электрода) может сделать их также чувствительными к коррозии . Существуют также проблемы гальванической коррозии , если состав электрода достаточно отличается от свариваемых материалов или сами материалы отличаются. Даже между различными марками никелевых нержавеющих сталей коррозия сварных соединений может быть сильной, несмотря на то, что они редко подвергаются гальванической коррозии при механическом соединении. [17]
Сварка может быть опасной и вредной для здоровья практикой без соблюдения надлежащих мер предосторожности. Однако с использованием новых технологий и надлежащей защиты риски получения травм или смерти, связанные со сваркой, можно значительно снизить.
Поскольку многие распространенные процедуры сварки 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 процессах сварки также представляет опасность взрыва и пожара; некоторые распространенные меры предосторожности включают ограничение количества кислорода в воздухе и хранение горючих материалов вдали от рабочего места. [18]
Воздействие яркости области сварки приводит к состоянию, называемому дуговым глазом , при котором ультрафиолетовый свет вызывает воспаление роговицы и может ожог сетчатки глаз. Сварочные очки и шлемы с темными лицевыми пластинами — намного темнее, чем в солнцезащитных очках или кислородно-топливных очках — надеваются для предотвращения этого воздействия. В последние годы были выпущены новые модели шлемов с лицевой пластиной, которая автоматически затемняется электронным способом. [19] Для защиты наблюдателей область сварки часто окружают прозрачные сварочные шторы. Эти шторы, изготовленные из поливинилхлоридной пластиковой пленки, защищают находящихся поблизости рабочих от воздействия ультрафиолетового света от 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, как правило, влияет на токсичность паров, причем более мелкие частицы представляют большую опасность. Кроме того, многие процессы производят различные газы (чаще всего углекислый газ и озон , но также и другие), которые могут оказаться опасными, если вентиляция недостаточна.
Хотя напряжение холостого хода дуговой сварочной машины может составлять всего несколько десятков вольт до примерно 120 вольт, даже эти низкие напряжения могут представлять опасность поражения электрическим током для операторов. Такие места, как корпуса судов, резервуары для хранения, металлические конструкционные стали или влажные зоны, обычно находятся под потенциалом заземления, и операторы могут стоять или отдыхать на этих поверхностях во время работы электрической дуги. Сварочные машины, работающие от систем распределения переменного тока, должны изолировать дуговую цепь от заземления, чтобы предотвратить повреждение изоляции в машине, подвергая операторов высокому напряжению. Обратный зажим сварочной машины расположен рядом с рабочей зоной, чтобы снизить риск того, что блуждающий ток пройдет большое расстояние, создавая опасность нагрева или поражения электрическим током, или вызывая повреждение чувствительных электронных устройств. [21] Операторы сварки внимательно устанавливают обратные зажимы, чтобы сварочный ток не мог проходить через подшипники электродвигателей, ролики конвейера или другие вращающиеся компоненты, что может привести к повреждению подшипников. Сварка на электрических шинах, подключенных к трансформаторам, представляет опасность «повышения» низкого сварочного напряжения до гораздо более высокого, поэтому могут потребоваться дополнительные заземляющие кабели.
Было обнаружено, что некоторые сварочные аппараты, использующие высокочастотный переменный ток, влияют на работу кардиостимулятора, если они находятся в пределах 2 метров от блока 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 Гемфри Дэви открыл короткие импульсные электрические дуги. [23] [24] Независимо от него 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 совместно со Станиславом Ольшевским в 1887 году. [29] В том же году французский изобретатель-электрик Огюст де Меританс также изобрел метод сварки угольной дугой, запатентованный в 1881 году, который успешно использовался для сварки свинца при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов . [30] Прогресс в дуговой сварке продолжился с изобретением металлических электродов в конце 19 века русским Николаем Славяновым (1888) и американцем CL Coffin . Около 1900 года AP Strohmenger выпустил в Великобритании покрытый металлический электрод, который давал более стабильную дугу. В 1905 году русский ученый Владимир Миткевич предложил использовать трехфазную электрическую дугу для сварки. В 1919 году сварка переменным током была изобретена CJ Holslag, но не стала популярной в течение следующего десятилетия. [31]
В это же время были разработаны и 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 продолжилась разработка металлических покрытий (известных как флюс ) для электрода, стабилизирующих дугу и защищающих основной материал от примесей. [33]
Во время Первой мировой войны сварка стала использоваться в судостроении Великобритании вместо заклёпанных стальных пластин. Американцы также стали более восприимчивы к новой технологии, когда этот процесс позволил им быстро ремонтировать свои корабли после немецкого нападения на гавань Нью-Йорка в начале войны. [34] Дуговая сварка была впервые применена к самолётам во время войны, и некоторые фюзеляжи немецких самолётов были построены с использованием этого процесса. [35] В 1919 году британский судостроитель Кэммелл Лэрд начал строительство торгового судна Fullagar с полностью сварным корпусом; [36] оно было спущено на воду в 1921 году. [37]
В 1920-х годах были достигнуты значительные успехи в технологии сварки, включая введение в 1920 году автоматической сварки, при которой электродная проволока подавалась непрерывно. Защитный газ стал предметом, которому уделялось большое внимание, поскольку ученые пытались защитить сварные швы от воздействия кислорода и азота в атмосфере. Пористость и хрупкость были основными проблемами, и разработанные 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 много новых методов сварки. Сварка под флюсом была изобретена в 1930 году и продолжает пользоваться популярностью и сегодня. В 1932 году русский, Константин Хренов, успешно реализовал первую подводную электродуговую сварку . Газовая вольфрамовая дуговая сварка , после десятилетий разработки, была окончательно усовершенствована в 1941 году, а газовая металлическая дуговая сварка последовала в 1948 году, что позволило быстро сваривать цветные металлы, но требовало дорогостоящих защитных газов. Используя расходуемый электрод и атмосферу углекислого газа в качестве защитного газа, она быстро стала самым популярным процессом дуговой сварки металлическим электродом. В 1957 году дебютировал процесс дуговой сварки порошковой проволокой , в котором самозащитный проволочный электрод мог использоваться с автоматическим оборудованием, что привело к значительному увеличению скорости сварки. В том же году была изобретена плазменная дуговая сварка . Электрошлаковая сварка была выпущена в 1958 году, а за ней в 1961 году последовал ее двоюродный брат, электрогазовая сварка . [40]