Dezvoltarea sudurii cu arc electric
Istoria sudării cu arc
Prima aplicație practică un curcubeu în sudarea electrică a metalelor obţinută abia în 1882, când N.N.Benardos a creat la Sankt Petersburg „Metoda de îmbinare şi separare a metalelor prin acţiunea directă a curentului electric”, pe care l-a numit „electrohephaestus”.
Potrivit concluziei academicienilor N. S. Kurnakov, O. D. Khvolson și alții, esența acestei metode este că obiectul prelucrat este conectat la unul, iar cărbunele la celălalt pol al sursei electrice și arcul de tensiune format între obiectul prelucrat și cărbunele produce o acţiune asemănătoare cu cea produsă de flacăra unui arzător atunci când metalul este încălzit şi topit. Un electrod special de carbon sau alt electrod conductiv este introdus în suport și arcul este susținut manual.
În 1888 - 1890, metoda de utilizare a căldurii unui arc electric pentru sudarea metalelor a fost îmbunătățită de inginerul minier N.G.Slavyanov, care a înlocuit electrodul de carbon exclusiv cu unul metalic și a dezvoltat un dispozitiv semi-automat pentru furnizarea unui electrod metalic în timpul arderii acestuia și menținerea arcului, pe care l-a numit „topitor”.
Esența căilor sudare cu arc electric, creat ca urmare a muncii talentaților ingineri-inventatori N.N. Benardos și N.G. Slavyanov, rămâne neschimbat până în prezent și poate fi caracterizat astfel: arcul electric format între electrod și părțile conectate ale produsului topește materialul de bază al produsul cu căldura sa și topește electrodul furnizat zonei de flacără arc - un material de umplutură care, sub formă de picături de metal topit, umple joncțiunea și fuzionează cu metalul de bază al produsului. În acest caz, generarea totală de căldură a arcului este reglată prin alegerea unui mod adecvat, al cărui parametru principal este curentul.
În aplicarea practică, s-au făcut și se fac numeroase îmbunătățiri ale metodelor, care nu schimbă esența proceselor, ci le măresc valoarea practică. Dezvoltarea metodelor de sudare create merge împreună cu dezvoltarea bazelor energetice ale tehnologiei de sudare în direcția îmbunătățirii calității și productivității sudurii.
Principalele condiții care au contribuit la această dezvoltare au fost:
-
asigurarea funcționării stabile a arcului;
-
obținerea calității și rezistenței corespunzătoare a conexiunii.
Prima condiție a fost îndeplinită prin crearea unor surse de energie cu caracteristici determinate de proprietățile unui arc electric în condiții de sudare.
Arcul, ca sursă principală de încălzire și consumator de energie în timpul sudării, se caracterizează printr-o sarcină dinamică, în care, la intervale de timp măsurate în sutimi de secundă, în circuitul arcului apar schimbări bruște ale regimului electric.
Topirea electrodului și transferul de metal de la electrod la piesa de prelucrat provoacă fluctuații bruște ale lungimii arcului și scurtcircuite repetate ale sursei de putere a arcului (de până la 30 de ori pe secundă) la intervale foarte scurte. În acest caz, curentul și tensiunea nu rămân constante, ci au modificări instantanee de la o anumită valoare la un maxim și invers.
Astfel de schimbări bruște ale sarcinii perturbă starea de echilibru a sistemului cu arc electric - sursa actuala… Pentru ca arcul să ardă mult timp la o anumită valoare a curentului, fără să se stingă și să nu se transforme în alte forme de descărcare electrică, este necesar ca sursa de curent care alimentează arcul să reacționeze rapid la schimbările care apar în modul arcului și asigură funcționarea sa stabilă.
La începutul dezvoltării ingineriei sudurii electrice, aceasta a fost realizată cu ajutorul rezistențelor de balast încorporate pentru a limita curentul și a calma secvențial arcul din circuitul principal al mașinilor electrice. Ulterior, sunt create surse speciale de energie cu caracteristici de cădere și inerție magnetică scăzută, care îndeplinesc pe deplin cerințele care decurg din proprietățile arcului de sudare.
În paralel cu dezvoltarea ingineriei sudurii electrice, se efectuează studii care permit stabilirea parametrilor principali ai caracteristicilor statice ale arcului în condiții de sudare și studierea condițiilor optime și a principalelor parametri electrici ai surselor de energie și influența acestora asupra stabilitatea și continuitatea arderii arcului în timpul sudării.
În perioada următoare, pe baza cercetării staticii și dinamicii procesului în mașinile electrice de sudat, a fost elaborată o clasificare a sistemelor și aparatelor de sudură și a fost creată o teorie generalizată unificată a mașinilor de sudat.
Caracteristicile procesului de sudare cu arc
Procesul de sudare cu arc electric este un complex foarte complex de fenomene fizice, chimice și electrice care au loc continuu în toate etapele în perioade de timp extrem de scurte. În comparație cu procesele metalurgice convenționale de topire a metalelor, procesul de sudare este diferit:
-
volum mic al băii cu metal topit;
-
temperaturi ridicate de încălzire a metalelor, care la viteze mari și încălzire locală duce la gradiente de temperatură ridicate:
-
o legătură inseparabilă între metalul aplicat și metalul de bază, acesta din urmă fiind, parcă, o formă pentru primul.
Astfel, metalul încălzit și topit într-un bazin de sudură de volum mic este înconjurat de o masă semnificativă de metal de bază la temperatură mai joasă. Această împrejurare, desigur, determină viteze mari de încălzire și răcire a metalului și, ca urmare, determină natura și direcția reacțiilor care au loc în bazinul de sudură.
Trecând prin golul arcului, metalul suplimentar topit este expus atmosferei arcului la temperaturi foarte ridicate, ceea ce duce la oxidarea metalului și la absorbția gazelor din acesta, iar activarea gazelor inerte (în principal azot) este observată în arc, a cărui activitate este neglijabilă în procesele metalurgice convenționale.
Metalul topit din bazinul de sudură este, de asemenea, expus unei atmosfere de arc, unde au loc reacții fizico-chimice între metal, impuritățile sale și gazele absorbite de acesta. Ca urmare a acestor fenomene, metalul de sudură depus are un conținut crescut de oxigen și azot, ceea ce, după cum se știe, reduce caracteristicile mecanice ale metalului.
Atunci când un metal trece într-un arc și rămâne în stare topită la locul impurităților din fier, precum și adițiile de aliere arde, ceea ce deteriorează, de asemenea, proprietățile mecanice ale metalului. Gazele formate în timpul arderii impurităților, precum și cele dizolvate în metal în timpul solidificării metalului topit, pot duce la formarea de goluri și pori în metalul depus.
Astfel, procesele care au loc în timpul sudării fac dificilă obținerea metalului de sudură de înaltă calitate. Aceste dificultăți s-au dovedit a fi de așa natură încât a fost imposibil să se obțină o sudură cu caracteristici apropiate de caracteristicile metalului sudat, care este principalul indicator al calității sudurii, fără a lua măsuri speciale.
Îmbunătățirea tehnologiei de sudare cu arc
Principala măsură care a crescut calitatea și rezistența îmbinărilor metalice în metodele existente de sudare cu arc a fost utilizarea de acoperiri speciale - acoperiri pe electrozi.
În perioada inițială, funcția unor astfel de acoperiri-acoperiri a fost de a facilita aprinderea și de a crește stabilitatea arcului datorită efectului lor ionizant. Mai târziu, odată cu dezvoltarea de acoperiri groase sau de înaltă calitate, a căror funcție, pe lângă creșterea stabilității arcului, este de a îmbunătăți compoziția chimică și structura metalului depus, o creștere semnificativă a calității sudurii este observat.
Dezvoltarea acoperirilor speciale pe electrozi a făcut posibilă în ultimii ani răspândirea sub apă a metodelor de bază de sudare și tăiere a metalelor. În acest caz, scopul acoperirilor de pe electrozi este de asemenea (datorită arderii lor mai lente decât electrodul) de a menține un scut de protecție în jurul arcului și de a forma o bulă în care arcul arde cu gazele eliberate la arderea acoperirilor. .
Concomitent cu îmbunătățirea calității conexiunii sudate se observă o creștere a productivității sudării, care în sudarea manuală se realizează prin creșterea puterii arcului de sudură cu creșterea simultană a diametrului electrodului metalic. O creștere semnificativă a puterii și o creștere a dimensiunii electrozilor au dus la înlocuirea sudării manuale cu cea automată.
Cele mai mari dificultăți în sudarea automată au fost puse de problema acoperirilor-acoperiri cu electrozi, fără de care sudarea de înaltă calitate în conformitate cu cerințele moderne este aproape imposibilă.
O soluție de succes a fost de a alimenta stratul de flux granular zdrobit nu la electrod, ci la metalul de bază.În acest caz, arcul arde sub un strat de flux, datorită căruia căldura arcului este utilizată mai eficient, iar cusătura este protejată de expunerea la aer. Această adăugare a fost o îmbunătățire a procesului de sudură cu electrozi metalici de bază, care a crescut foarte mult productivitatea și a îmbunătățit calitatea sudurii.
Capacitatea de a controla starea termică a metalelor de îmbinat folosind surse moderne de energie pentru arcul de sudare face posibilă realizarea tuturor formelor de tranziție ale procesului de îmbinare de la materialul plastic la starea lichidă, topită a materialelor. Această împrejurare deschide noi posibilități pentru conectarea nu numai a diferitelor metale, ci și a materialelor nemetalice între ele.
Odată cu îmbunătățirea proceselor tehnologice de sudare, rezistența și fiabilitatea structurilor sudate cresc. În perioada inițială, când procesul de sudare se desfășura exclusiv manual, sudarea cu arc electric era folosită în toate tipurile de lucrări de restaurare și reparații.
Importanța sudării cu arc electric ca unul dintre procesele tehnologice principale și avansate în acest moment este de netăgăduit. Experiența cu utilizarea sudurii în diverse industrii a demonstrat în mod clar că această metodă de prelucrare a metalelor permite nu numai economisirea metalului (25 — 50%), ci și accelerarea semnificativă a producției de lucrări de toate tipurile de structuri metalice.
Dezvoltarea mecanizării și automatizării procesului, care vizează o creștere continuă a productivității, combinată cu o creștere constantă a calității și rezistenței sudurii, extinde și mai mult domeniul de aplicare a acesteia.În prezent, sudarea cu arc electric este procesul tehnologic de vârf în producerea tuturor tipurilor de structuri metalice care funcționează sub sarcini statice și dinamice la temperaturi scăzute și ridicate.
Alte articole interesante și utile despre sudarea electrică:
Gaze de protectie pentru sudare