Vývoj zvárania elektrickým oblúkom
História oblúkového zvárania
Prvá praktická aplikácia dúha v elektrickom zváraní kovov získal až v roku 1882, keď N.N.Benardos vytvoril v Petrohrade «Metódu spájania a oddeľovania kovov priamym pôsobením elektrického prúdu», ktorú nazval «elektrohephaestus».
Podľa záveru akademikov N. S. Kurnakova, O. D. Khvolsona a ďalších je podstatou tejto metódy to, že opracovávaný predmet sa pripojí k jednému a uhlie k druhému pólu elektrického zdroja a vznikne oblúk napätia medzi opracovávaným predmetom a uhlie vyvoláva činnosť podobnú pôsobeniu plameňa horáka, keď sa kov zahrieva a taví. Do držiaka sa vloží špeciálna uhlíková alebo iná vodivá elektróda a oblúk sa podopiera rukou.
V rokoch 1888 - 1890 zdokonalil spôsob využitia tepla elektrického oblúka na zváranie kovov banský inžinier N.G.Slavyanov, ktorý nahradil uhlíkovú elektródu výlučne kovovou a vyvinul poloautomatické zariadenie na napájanie kovovej elektródy pri jej horení a udržiavaní oblúka, ktoré nazval „tavič“.
Podstata spôsobov zváranie elektrickým oblúkom, vytvorený ako výsledok práce talentovaných inžinierov-vynálezcov N.N.Benardosa a N.G.Slavianova, zostáva dodnes nezmenený a možno ho charakterizovať takto: elektrický oblúk vytvorený medzi elektródou a pripojenými časťami výrobku roztaví základný materiál výrobok svojím teplom roztaví elektródu privádzanú do zóny oblúkového plameňa – výplňový materiál, ktorý vo forme kvapiek roztaveného kovu vyplní spoj a spojí sa so základným kovom výrobku. V tomto prípade je celkový vývin tepla oblúka regulovaný výberom vhodného režimu, ktorého hlavným parametrom je prúd.
V praktickej aplikácii sa v metódach uskutočnilo a uskutočňuje množstvo vylepšení, ktoré nemenia podstatu procesov, ale zvyšujú ich praktickú hodnotu. Vývoj vytvorených metód zvárania ide súčasne s rozvojom energetických základov zváracej techniky v smere zvyšovania kvality a produktivity zvárania.
Hlavné podmienky, ktoré prispeli k tomuto vývoju, boli:
-
zabezpečenie stabilnej prevádzky oblúka;
-
získanie vhodnej kvality a pevnosti spojenia.
Prvá podmienka bola splnená vytvorením zdrojov energie s charakteristikami určenými vlastnosťami elektrického oblúka v podmienkach zvárania.
Oblúk, ako hlavný zdroj ohrevu a spotrebiteľ energie pri zváraní, sa vyznačuje dynamickým zaťažením, pri ktorom v časových intervaloch meraných v stotinách sekundy dochádza k prudkým zmenám elektrického režimu v obvode oblúka.
Tavenie elektródy a prenos kovu z elektródy na obrobok spôsobuje prudké kolísanie dĺžky oblúka a opakované skraty zdroja energie oblúka (až 30-krát za sekundu) vo veľmi krátkych intervaloch. V tomto prípade prúd a napätie nezostávajú konštantné, ale majú okamžité zmeny z určitej hodnoty na maximum a naopak.
Takéto náhle zmeny zaťaženia narušia rovnovážny stav systému elektrického oblúka — aktuálny zdroj… Aby oblúk dlho horel pri určitej hodnote prúdu, bez zhasnutia a nepremenenia na iné formy elektrického výboja, je potrebné, aby zdroj prúdu napájajúci oblúk rýchlo reagoval na zmeny vyskytujúce sa v režim oblúka a zabezpečuje jeho stabilnú prevádzku.
Na začiatku vývoja techniky elektrického zvárania sa to robilo pomocou zabudovaných predradných odporov na obmedzenie prúdu a následné upokojenie oblúka v hlavnom obvode elektrických strojov. Následne vznikajú špeciálne zdroje prúdu s pádovou charakteristikou a nízkou magnetickou zotrvačnosťou, ktoré plne spĺňajú požiadavky vyplývajúce z vlastností zváracieho oblúka.
Súbežne s rozvojom elektrotechniky zvárania sa uskutočňujú štúdie, ktoré umožňujú stanoviť hlavné parametre statických charakteristík oblúka v podmienkach zvárania a študovať optimálne podmienky a hlavné elektrické parametre zdrojov energie a ich vplyv na stabilita a kontinuita horenia oblúka pri zváraní.
V ďalšom období sa na základe výskumu statiky a dynamiky procesu v elektrických zváracích strojoch vypracovala klasifikácia systémov a aparátov zváracích strojov a vytvorila sa jednotná zovšeobecnená teória zváracích strojov.
Charakteristika procesu oblúkového zvárania
Proces zvárania elektrickým oblúkom je veľmi zložitý komplex fyzikálnych, chemických a elektrických javov, ktoré prebiehajú nepretržite vo všetkých fázach v extrémne krátkych časových úsekoch. V porovnaní s konvenčnými metalurgickými procesmi tavenia kovov je proces zvárania odlišný:
-
malý objem kúpeľa s roztaveným kovom;
-
vysoké teploty ohrevu kovu, ktoré pri vysokých rýchlostiach a lokálnom ohreve vedie k vysokým teplotným gradientom:
-
nerozlučné spojenie medzi naneseným kovom a základným kovom, pričom základný kov je akoby formou pre prvý.
Takto je ohriaty a roztavený kov v maloobjemovom zvarovom kúpeli obklopený významnou hmotou základného kovu s nižšou teplotou. Táto okolnosť samozrejme určuje vysoké rýchlosti ohrevu a ochladzovania kovu a v dôsledku toho určuje charakter a smer reakcií prebiehajúcich vo zvarovom kúpeli.
Pri prechode cez oblúkovú medzeru je roztavený prídavný kov vystavený atmosfére oblúka pri veľmi vysokých teplotách, čo vedie k oxidácii kovu a absorpcii plynov z neho, pričom sa pozoruje aktivácia inertných plynov (hlavne dusíka). oblúkom, ktorého aktivita je pri bežných metalurgických procesoch zanedbateľná.
Roztavený kov vo zvarovom kúpeli je tiež vystavený oblúkovej atmosfére, kde prebiehajú fyzikálno-chemické reakcie medzi kovom, jeho nečistotami a ním absorbovanými plynmi. V dôsledku týchto javov má nanesený zvarový kov zvýšený obsah kyslíka a dusíka, čo, ako je známe, znižuje mechanické vlastnosti kovu.
Keď kov prechádza do oblúka a zostáva v roztavenom stave na mieste nečistoty v železe, horia aj legujúce prísady, čo tiež zhoršuje mechanické vlastnosti kovu. Plyny vznikajúce pri spaľovaní nečistôt, ako aj plyny rozpustené v kove počas tuhnutia roztaveného kovu, môžu viesť k tvorbe dutín a pórov v uloženom kove.
Procesy vyskytujúce sa počas zvárania teda sťažujú získanie vysokokvalitného zvarového kovu. Tieto ťažkosti sa ukázali byť také, že bez špeciálnych opatrení nebolo možné získať zvar s charakteristikami blízkymi charakteristikám zvarového kovu, ktorý je hlavným ukazovateľom kvality zvárania.
Zlepšenie technológie oblúkového zvárania
Hlavným opatrením, ktoré zvýšilo kvalitu a pevnosť kovových spojov pri existujúcich metódach oblúkového zvárania, bolo použitie špeciálnych povlakov — povlakov na elektródach.
V počiatočnom období bolo úlohou takýchto povlakov uľahčiť zapálenie a zvýšiť stabilitu oblúka vďaka ich ionizačnému účinku. Neskôr, s vývojom hrubých alebo kvalitných povlakov, ktorých funkciou je okrem zvýšenia stability oblúka zlepšiť chemické zloženie a štruktúru nanášaného kovu, dochádza k výraznému zvýšeniu kvality zvárania. pozorované.
Vývoj špeciálnych povlakov na elektródach umožnil v posledných rokoch rozšíriť používanie základných metód zvárania a rezania kovov pod vodou. V tomto prípade je účelom povlakov na elektródach tiež (kvôli ich pomalšiemu horeniu ako elektróda) udržať okolo oblúka ochranný štít a vytvoriť bublinu, v ktorej oblúk horí s plynmi, ktoré sa uvoľňujú pri horení povlakov. .
Súčasne so zlepšením kvality zváraného spoja sa pozoruje zvýšenie produktivity zvárania, ktoré sa pri ručnom zváraní dosahuje zvýšením výkonu zváracieho oblúka pri súčasnom zväčšení priemeru kovovej elektródy. Výrazné zvýšenie výkonu a zväčšenie veľkosti elektród viedlo k nahradeniu ručného zvárania automatickým.
Najväčšie ťažkosti pri automatickom zváraní predstavovala otázka elektródových povlakov, bez ktorých je vysokokvalitné zváranie podľa moderných požiadaviek takmer nemožné.
Úspešným riešením bolo privádzať povlak drveného granulovaného taviva nie k elektróde, ale k základnému kovu.V tomto prípade oblúk horí pod vrstvou taviva, vďaka čomu sa teplo oblúka využíva efektívnejšie a šev je chránený pred vystavením vzduchu. Tento doplnok bol vylepšením procesu zvárania základnými kovovými elektródami, ktorý výrazne zvýšil produktivitu a zlepšil kvalitu zvaru.
Schopnosť riadiť tepelný stav spájaných kovov pomocou moderných zdrojov energie pre zvárací oblúk umožňuje realizovať všetky prechodné formy procesu spájania od plastového až po tekutý, roztavený stav materiálov. Táto okolnosť otvára nové možnosti spájania nielen rôznych kovov, ale aj nekovových materiálov navzájom.
So zdokonaľovaním technologických procesov zvárania sa zvyšuje pevnosť a spoľahlivosť zváraných konštrukcií. V počiatočnom období, keď sa zvárací proces vykonával výlučne ručne, sa pri všetkých typoch reštaurátorských a opravárenských prác využívalo zváranie elektrickým oblúkom.
Význam zvárania elektrickým oblúkom ako jedného z hlavných a pokrokových technologických procesov v súčasnosti je nepopierateľný. Skúsenosti s použitím zvárania v rôznych priemyselných odvetviach jednoznačne preukázali, že tento spôsob spracovania kovov umožňuje nielen šetriť kov (25 — 50 %), ale aj výrazne urýchliť výrobu diel všetkých druhov kovových konštrukcií.
Rozvoj mechanizácie a automatizácie procesu, zameraný na neustále zvyšovanie produktivity v kombinácii s neustálym zvyšovaním kvality a pevnosti zvárania, ďalej rozširuje rozsah jeho použitia.V súčasnosti je zváranie elektrickým oblúkom popredným technologickým postupom pri výrobe všetkých typov kovových konštrukcií pracujúcich pri statickom a dynamickom zaťažení pri nízkych a vysokých teplotách.
Ďalšie zaujímavé a užitočné články o elektrickom zváraní: