Дуговая сварка - Arc welding

Газовая дуговая сварка металла
Мужчина сваривает металлическую конструкцию в недавно построенном доме в Бангалоре, Индия

Дуговая сварка это сварка процесс, который используется для присоединения металл к металлу с помощью электричество чтобы создать достаточно тепла, чтобы расплавить металл, а расплавленные металлы при охлаждении приводят к связыванию металлов. Это тип сварки, в котором используется источник питания для сварки создать электрическая дуга между металлической палкой ("электрод ") и основной материал для плавления металлов в точке контакта. Сварщики могут использовать либо непосредственный (DC) или чередование (AC) ток, а также расходуемые или неплавящиеся электроды.

Зона сварки обычно защищена каким-либо типом защитный газ, пар или шлак. 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.

Источники питания

Сварочный аппарат с приводом от двигателя, способный выполнять сварку постоянным и переменным током.
Дизельный сварочный генератор (электрогенератор слева), используемый в Индонезия.

Для обеспечения электрической энергией, необходимой для процессов дуговой сварки, можно использовать несколько различных источников питания. Самая распространенная классификация - постоянная Текущий источники питания и постоянные Напряжение Источники питания. При дуговой сварке напряжение напрямую связано с длиной дуги, а сила тока связана с количеством подводимого тепла. Источники питания постоянного тока чаще всего используются для процессов ручной сварки, таких как дуговая сварка вольфрамовым электродом и дуговая сварка в среде защитного металла, поскольку они поддерживают относительно постоянный ток даже при изменении напряжения. Это важно, потому что при ручной сварке может быть трудно удерживать электрод идеально устойчивым, и, как следствие, длина дуги и, следовательно, напряжение имеют тенденцию колебаться. Источники питания с постоянным напряжением поддерживают постоянное напряжение и изменяют ток, поэтому они 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 остается постоянной, так как любые колебания расстояния между проволокой и основным материалом быстро устраняются за счет большого изменения тока. Например, если проволока и основной материал подойдут слишком близко, ток будет быстро увеличиваться, что, в свою очередь, приведет к увеличению тепла и оплавлению кончика проволоки, возвращая его на исходное расстояние разделения.[1]

Направление тока, используемого при дуговой сварке, также играет важную роль при сварке. В процессах с плавящимся электродом, таких как дуговая сварка в защитном металлическом корпусе и газовая дуговая сварка, обычно используется постоянный ток, но электрод может заряжаться как положительно, так и отрицательно. В целом положительно заряженный анод будет иметь большую концентрацию тепла (около 60%).[2] «Обратите внимание, что для сварки штучной сваркой в ​​целом чаще всего используется полярность постоянного тока +. Она обеспечивает хороший профиль шва с более высоким уровнем проплавления. Полярность постоянного тока приводит к меньшему провару и более высокой скорости плавления электрода. например, на тонком листе металла, чтобы предотвратить прожог ».[3] «За некоторыми исключениями, положительный электрод (обратная полярность) приводит к более глубокому проникновению. Отрицательный электрод (прямая полярность) приводит к более быстрому оплавлению электрода и, следовательно, более высокой скорости осаждения».[4] В процессах с использованием неплавящихся электродов, таких как сварка газовой вольфрамовой дугой, можно использовать как постоянный ток (DC), так и переменный ток (AC). Однако при постоянном токе, поскольку электрод создает только дугу и не обеспечивает присадочный материал, положительно заряженный электрод вызывает неглубокие сварные швы, а отрицательно заряженный электрод - более глубокие сварные швы.[5] Между ними быстро проходит переменный ток, что приводит к сварным швам со средней проплавкой. Один из недостатков переменного тока, тот факт, что дуга должна повторно зажигаться после каждого перехода через нуль, был устранен с помощью изобретения специальных блоков питания, которые производят прямоугольная волна узор вместо обычного синусоидальная волна, что исключает время низкого напряжения после перехода через ноль и сводит к минимуму влияние проблемы.[6]

Рабочий цикл представляет собой спецификацию сварочного оборудования, определяющую количество минут в течение 10-минутного периода, в течение которых данный аппарат для дуговой сварки может безопасно использоваться. Например, сварщик на 80 А с рабочим циклом 60% должен находиться в состоянии «отдыха» не менее 4 минут после 6 минут непрерывной сварки.[7] Несоблюдение ограничений рабочего цикла может привести к повреждению сварщика. Сварщики промышленного или профессионального уровня обычно имеют 100% рабочий цикл.

Методы расходуемых электродов

Основные статьи: Дуговая сварка защищенным металлом, Газовая дуговая сварка металла, Порошковая сварка, и Сварка под флюсом
Дуговая сварка защищенным металлом

Одним из наиболее распространенных видов дуговой сварки является дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW), которая также известна как ручная дуговая сварка металлическим электродом (MMAW) или сварка стержнем. Электрический ток используется для зажигания дуги между основным материалом и стержнем плавящегося электрода или палка. Электродный стержень изготовлен из материала, совместимого с основным свариваемым материалом, и покрыт флюсом, который выделяет пары, которые служат в качестве защитного газа и образуют слой шлака, которые защищают зону сварки от атмосферного загрязнения. . Сам сердечник электрода действует как наполнитель, поэтому отдельный наполнитель не нужен. Этот процесс очень универсален, требует небольшого обучения операторов и недорогого оборудования. Однако время сварки довольно велико, поскольку расходные электроды необходимо часто заменять, а шлак, остатки флюса, необходимо удалять после сварки.[8] Кроме того, процесс обычно ограничивается сваркой черных металлов, хотя специальные электроды сделали возможной сварку чугун, никель, алюминий, медь и другие металлы. Универсальность метода делает его популярным в целом ряде приложений, включая ремонтные работы и строительство.[9]

Газовая дуговая сварка металла (GMAW), обычно называемый МИГ (за металл / инертный газ), представляет собой полуавтоматический или автоматический процесс сварки, при котором непрерывно подаваемая расходная проволока действует как электрод и присадочный металл, а инертный или полуинертный защитный газ обтекает проволоку для защиты места сварки от загрязнения. Постоянное напряжение, источник постоянного тока чаще всего используется с GMAW, но постоянный Текущий также используется переменный ток. Благодаря непрерывной подаче присадочных электродов GMAW обеспечивает относительно высокие скорости сварки; однако более сложное оборудование снижает удобство и универсальность по сравнению с процессом SMAW. Первоначально разработан для сварки алюминий и других цветных металлов в 1940-х годах, GMAW вскоре стал экономично применяться для стали. Сегодня GMAW широко используется в таких отраслях, как Автомобильная индустрия за качество, универсальность и скорость. Из-за необходимости поддерживать стабильную оболочку из защитного газа вокруг места сварки может быть проблематичным использование процесса GMAW в областях с сильным движением воздуха, например на открытом воздухе.[10]

Порошковая сварка (FCAW) - это разновидность метода GMAW. Проволока FCAW представляет собой тонкую металлическую трубку, заполненную порошкообразным флюсом. Иногда используется защитный газ, подаваемый извне, но часто сам флюс используется для создания необходимой защиты от атмосферы. Этот процесс широко используется в строительстве из-за высокой скорости сварки и портативности.

Сварка под флюсом (SAW) - это высокопроизводительный сварочный процесс, при котором дуга зажигается под покровным слоем гранулированного флюса. Это увеличивает качество дуги, поскольку загрязняющие вещества в атмосфере блокируются флюсом. Шлак, образующийся на сварном шве, обычно снимается сам по себе, и в сочетании с использованием непрерывной подачи проволоки скорость наплавки высока. Рабочие условия значительно улучшаются по сравнению с другими процессами дуговой сварки, поскольку флюс скрывает дугу и не образуется дыма. Этот процесс обычно используется в промышленности, особенно для крупногабаритных изделий.[11] Поскольку дуга не видна, она обычно автоматизирована. Пила возможна только в положениях 1F (плоская кромка), 2F (горизонтальная кромка) и 1G (плоская канавка).

Методы использования неплавящихся электродов

Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) или вольфрам / инертный газ (TIG) сварка - это процесс ручной сварки, в котором используется неплавящийся электрод, изготовленный из вольфрам, смесь инертных или полуинертных газов и отдельный наполнитель. Этот метод, особенно полезный для сварки тонких материалов, характеризуется стабильной дугой и высококачественными сварными швами, но требует значительных навыков оператора и может выполняться только на относительно низких скоростях. Его можно использовать практически для всех свариваемых металлов, хотя чаще всего применяется для нержавеющая сталь и легкие металлы. Он часто используется, когда качество сварных швов чрезвычайно важно, например, в велосипед, авиационное и морское применение.[12]

Связанный процесс, плазменная сварка, также использует вольфрамовый электрод, но использует плазменный газ сделать дугу. Дуга более концентрированная, чем дуга GTAW, что делает поперечный контроль более критичным и, таким образом, в целом ограничивает технику механизированным процессом. Благодаря стабильному току, этот метод может использоваться для материалов с более широким диапазоном толщины, чем процесс GTAW, и работает намного быстрее. Его можно применять ко всем тем же материалам, что и GTAW, кроме магний; Автоматическая сварка нержавеющей стали - одно из важных применений этого процесса. Вариант процесса плазменная резка, эффективный процесс резки стали.[13]

Другие процессы дуговой сварки включают: атомно-водородная сварка, сварка угольной дугой, электрошлаковая сварка, электрогазовая сварка, и дуговая сварка шпилек.

Проблемы с коррозией

Основные статьи: Хрупкость водорода и Гальваническая коррозия

Некоторые материалы, особенно высокопрочные стали, алюминий и титановые сплавы, подвержены хрупкость водорода. Если электроды, используемые для сварки, содержат следы влаги, вода разлагается под действием тепла дуги и выделяющийся водород попадает в решетку материала, вызывая его хрупкость. Электроды для таких материалов со специальным низководородным покрытием поставляются в герметичной влагонепроницаемой упаковке. Новые электроды можно использовать прямо из банки, но при подозрении 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 быть сухим.[14]

Немного аустенитный нержавеющая сталь и никель -основан сплавы склонны к межкристаллитная коррозия. При длительном воздействии температур около 700 ° C (1300 ° F) хром реагирует с углерод в материале, образуя карбид хрома и истощение краев кристаллов хромом, ухудшение их коррозионной стойкости в процессе, называемом сенсибилизация. Такая сенсибилизированная сталь подвергается коррозии в областях вблизи сварных швов, где температура и время были благоприятными для образования карбида. Этот вид коррозии часто называют распадом сварного шва.

Knifeline атака (KLA) - это еще один вид коррозии, поражающей сварные швы, ударные стали, стабилизированные ниобий. Ниобий и карбид ниобия растворяется в стали при очень высоких температурах. При некоторых режимах охлаждения карбид ниобия не осаждается, и тогда сталь ведет себя как нестабилизированная сталь, вместо этого образуя карбид хрома. Это затрагивает только тонкую зону шириной несколько миллиметров в непосредственной близости от сварного шва, что затрудняет обнаружение и увеличивает скорость коррозии. Конструкции из таких сталей должны быть нагреты в целом до примерно 1000 ° C (1830 ° F), когда карбид хрома растворяется и образуется карбид ниобия. Скорость охлаждения после такой обработки не имеет значения.[15]

Неправильно подобранный для условий окружающей среды присадочный металл (электродный материал) может их коррозия -чувствительный. Есть также вопросы гальваническая коррозия если состав электрода достаточно отличается от свариваемых материалов или материалы сами по себе не похожи. Даже между разными марками нержавеющих сталей на никелевой основе, коррозия сварные соединения могут быть тяжелыми, несмотря на то, что они редко подвергаются гальванической коррозии при механическом соединении.[16]

Вопросы безопасности

Контрольный список безопасности при сварке

Сварка может быть опасной и вредной для здоровья занятием без надлежащих мер предосторожности; однако при использовании новой технологии и надлежащей защиты риск травм или смерти, связанных со сваркой, может быть значительно снижен.

Опасность нагрева, пожара и взрыва

Поскольку многие стандартные сварочные процедуры связаны с открытой электрической дугой или пламенем, существует риск ожогов от тепла и искры имеет значение. Чтобы предотвратить их, сварщики носить защитная одежда в виде тяжелых натуральная кожа перчатки и защитные куртки с длинными рукавами, чтобы избежать воздействия сильной жары, огня и искр. Использование сжатых газов и пламени во многих сварочных процессах также создает опасность взрыва и пожара; некоторые общие меры предосторожности включают ограничение количества кислорода в воздухе и хранение горючих материалов вдали от рабочего места.[17]

Повреждение глаз

Сварочный кожух с автоматическим затемнением, картридж 90 × 110 мм и зона обзора 3,78 × 1,85

Воздействие яркости области сварного шва приводит к состоянию, называемому дуга глаз в котором ультрафиолетовый свет вызывает воспаление роговица и может сжечь сетчатка глаз. Сварочные очки и шлемы с темными лицевыми панелями - намного темнее, чем в солнечные очки или же кислородно-топливные очки - носятся для предотвращения этого воздействия. В последние годы были выпущены новые модели шлемов с лицевой панелью, автоматически затемняющейся электронным способом.[18] Чтобы защитить посторонних, зону сварки часто окружают прозрачные сварочные завесы. Эти шторы, сделанные из поливинил хлорид полиэтиленовая пленка, защищающая находящихся рядом рабочих от воздействия ультрафиолетового излучения электрической дуги.[19]

Вдыхаемый материал

Сварщики также часто подвергаются воздействию опасных газов и частицы иметь значение. Такие процессы, как дуговая сварка порошковой проволокой и дуговая сварка в среде защитного металла, производят курить содержащие частицы различных типов оксиды. Размер рассматриваемых частиц имеет тенденцию влиять на токсичность дымов, более мелкие частицы представляют большую опасность. Кроме того, многие процессы производят различные газы (чаще всего диоксид углерода и озон, но и другие), что может оказаться опасным при недостаточной вентиляции.

Помехи для кардиостимуляторов

Было обнаружено, что некоторые сварочные аппараты, в которых используется высокочастотный компонент переменного тока, влияют на работу кардиостимулятора в пределах 2 метров от блока питания и 1 метра от места сварки.[20]

История

Основные статьи: Кузнечная сварка, Сварка сопротивлением, Кислородная сварка, и Газовая вольфрамовая дуговая сварка
Николай Бенардос

Хотя примеры кузнечная сварка вернуться к Бронзовый век и Железный век дуговая сварка вошла в практику гораздо позже.

В 1800 г. Хэмфри Дэви открыл короткие импульсные электрические дуги.[21][22] Самостоятельно русский физик Василий Петров открыл непрерывную электрическую дугу в 1802 г.[22][23][24][25] и впоследствии предложил его возможные практические применения, включая сварку.[26] Дуговая сварка была впервые разработана, когда Николай Бенардос представила дуговую сварку металлов угольным электродом на Международная выставка электроэнергии, Париж в 1881 г., который был запатентован вместе с Станислав Ольшевский в 1887 г.[27] В том же году французский изобретатель электротехники Огюст де Меритен также изобрел метод сварки угольной дугой, запатентованный в 1881 году, который успешно использовался для сварки вести в производстве свинцово-кислотные батареи.[28] Достижения в области дуговой сварки продолжились с изобретением металлических электродов в конце 19 века россиянином, Николай Славянов (1888), и американец, К. Л. Гроб. Около 1900 г. А. П. Штроменгер выпустил в Британия металлический электрод с покрытием, который давал более стабильную дугу. В 1905 году русский ученый Владимир Миткевич предложил использовать для сварки трехфазную электрическую дугу. В 1919 году сварка на переменном токе была изобретена К.Дж. Холслагом, но не стала популярной в течение следующего десятилетия.[29]

Конкурирующие сварочные процессы, такие как контактная сварка и кислородная сварка были разработаны в это время;[30] но оба, особенно последний, столкнулись с жесткой конкуренцией со стороны дуговой сварки, особенно после металлических покрытий (известных как поток ) для электрода для стабилизации дуги и защиты основного материала от примесей продолжали развиваться.[31]

Молодая женщина занимается дуговой сваркой на военном заводе в Австралии, 1943 год.

В течение Первая Мировая Война сварка начала использоваться в судостроение в Великобритании вместо прикованный стальные пластины. Американцы также стали более восприимчивыми к новой технологии, когда процесс позволил им быстро ремонтировать свои корабли после Немецкий нападение в Нью-Йоркская гавань в начале войны.[32] Впервые дуговая сварка была применена к самолетам во время войны, и фюзеляжи некоторых немецких самолетов были построены с использованием этого процесса.[33] В 1919 году британский кораблестроитель Каммелл Лэрд начато строительство торгового судна «Фуллагар» с цельносварным корпусом;[34] Спущена на воду в 1921 году.[35]

В течение 1920-х годов в технологии сварки были достигнуты большие успехи, включая введение 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 разработанные решения включали использование водород, аргон, и гелий как сварочная атмосфера.[36] В течение следующего десятилетия дальнейшие достижения позволили сварку химически активных металлов, таких как алюминий и магний. Это, в сочетании с разработками в области автоматической сварки, переменного тока и флюсов, привело к значительному расширению дуговой сварки в 1930-х годах, а затем во время Вторая Мировая Война.[37]

В середине века было изобретено много новых методов сварки. Сварка под флюсом был изобретен в 1930 году и продолжает оставаться популярным сегодня. В 1932 году русский, Константин Хренов успешно реализовал первый подводная электродуговая сварка. Газовая вольфрамовая дуговая сварка после десятилетий разработки был окончательно доведен до совершенства в 1941 году и газовая дуговая сварка последовала в 1948 году, что позволило быстро сваривать нежелезо материалы, но требующие дорогих защитных газов. Используя расходный электрод и углекислый газ атмосферы в качестве защитного газа, он быстро стал самым популярным процессом дуговой сварки металла. В 1957 г. порошковая сварка дебютировал процесс, в котором самозащитный проволочный электрод можно было использовать с автоматическим оборудованием, что привело к значительному увеличению скорости сварки. В том же году плазменная сварка было изобретено. Электрошлаковая сварка был выпущен в 1958 году, за ним последовал его двоюродный брат, электрогазовая сварка, в 1961 году.[38]

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Кэри и Хелцер 2005, стр. 246–249
  2. ^ «Сварочная металлургия: физика дуги и поведение сварочной ванны» (PDF). Canteach.
  3. ^ «Полярность постоянного и переменного тока для SMAW». Линкольн Электрик. Получено 20 ноября 2017.
  4. ^ «AC / DC: понимание полярности». Получено 20 ноября 2017.
  5. ^ Линкольн Электрик 1994, п. 5.4.5
  6. ^ Weman 2003, п. 16
  7. ^ Что означает «рабочий цикл» сварщика? http://www.zena.net/htdocs/FAQ/dutycycle.shtml
  8. ^ Weman 2003, п. 63
  9. ^ Кэри и Хелцер 2005, п. 103
  10. ^ Линкольн Электрик 1994, п. 5.4.3
  11. ^ Weman 2003, п. 68
  12. ^ Weman 2003, п. 31 год
  13. ^ Weman 2003, стр. 37–38
  14. ^ Удалите влагу и улучшите сварные швы В архиве 15 марта 2006 г. Wayback Machine
  15. ^ Межкристаллитная коррозия В архиве 2006-04-21 на Wayback Machine
  16. ^ Гальваническая коррозия
  17. ^ Кэри и Хелцер 2005, стр. 52–62
  18. ^ http://ohsonline.com/articles/2005/10/through-a-glass-darkly.aspx
  19. ^ Кэри и Хелцер 2005, стр. 42, 49–51
  20. ^ Марко, Дэвид; Эйзингер, Джордж; Хейс, Дэвид Л. (1992). «Тестирование рабочей среды на электромагнитные помехи». Стимуляция Clin Electrophysiol. 15 (11, часть 2): 2016–22. Дои:10.1111 / j.1540-8159.1992.tb03013.x. PMID  1279591.
  21. ^ Герта Айртон. Электрическая дуга, стр. 20 и 94. D. Van Nostrand Co., Нью-Йорк, 1902 год.
  22. ^ а б Андерс, А. (2003). «Отслеживание происхождения науки о дуговой плазме-II. Ранние непрерывные разряды». IEEE Transactions по науке о плазме. 31 (5): 1060–9. Bibcode:2003ITPS ... 31.1060A. Дои:10.1109 / TPS.2003.815477.CS1 maint: ref = harv (связь)
  23. ^ "Дуговой разряд" [электрическая дуга], Большая советская энциклопедия [Большая Советская Энциклопедия ] (на русском)
  24. ^ Лазарев, П. (Декабрь 1999 г.), «Исторический очерк 200-летия развития естествознания в России» (Русский), Успехи физики, 42 (1247): 1351–1361, Bibcode:1999PhyU ... 42.1247L, Дои:10.1070 / PU1999v042n12ABEH000750, в архиве (PDF) из оригинала от 11.02.2011.
  25. ^ Ши, Уильям Р., изд. (1983). Математизация природы: исторические и философские примеры в классической современной натурфилософии. Дордрехт: Рейдел. п. 282. ISBN  978-90-277-1402-2.
  26. ^ "Encyclopedia.com. Полный словарь научной биографии". Сыновья Чарльза Скрибнера. 2008 г.. Получено 9 октября 2014.
  27. ^ «Начало дуговой сварки под флюсом» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04.
  28. ^ Хоулдкрофт, П. Т. (1973) [1967]. «Глава 3: Дуговая сварка в защитном флюсе». Сварочные процессы. Издательство Кембриджского университета. п. 23. ISBN  978-0-521-05341-9.
  29. ^ Кэри и Хелцер 2005, стр. 5–6
  30. ^ Кэри и Хелцер 2005, п. 6
  31. ^ Weman 2003, п. 26
  32. ^ "Weld It!". Журнал Тайм. 1941-12-15. Получено 2008-11-07.
  33. ^ Линкольн Электрик 1994, стр. 1.1–5
  34. ^ Хронология Королевских военно-морских и мировых событий
  35. ^ Примеры использования судостроения В архиве 3 февраля 2009 г. Wayback Machine
  36. ^ Кэри и Хелцер 2005, п. 7
  37. ^ Линкольн Электрик 1994, стр. 1.1–6
  38. ^ Кэри и Хелцер 2005, п. 9

Источники

  • Кэри, Говард Б.; Хельцер, Скотт К. (2005), Современные сварочные технологии, Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Pearson Education, ISBN  978-0-13-113029-6
  • Калпакджян, Серопе; Шмид, Стивен Р. (2001), Производство и технологии, Прентис-Холл, ISBN  978-0-201-36131-5
  • Линкольн Электрик (1994), Руководство по дуговой сварке, Кливленд, Огайо: Lincoln Electric, ISBN  978-99949-25-82-7
  • Веман, Клас (2003), Справочник по сварочным процессам, Нью-Йорк: CRC Press, ISBN  978-0-8493-1773-6

дальнейшее чтение

  • ASM International (общество) (2003). Тенденции исследований в области сварки. Парк материалов, Огайо: ASM International. ISBN  0-87170-780-2
  • Блант, Джейн и Найджел С. Балчин (2002). Здоровье и безопасность при сварке и родственных процессах. Кембридж: Вудхед. ISBN  1-85573-538-5.
  • Хикс, Джон (1999). Конструкция сварных соединений. Нью-Йорк: Промышленная пресса. ISBN  0-8311-3130-6.

внешняя ссылка