19.2. Основы ручной дуговой сварки

При дуговой сварке источником теплоты служит электрическая дуга, горящая между свариваемым (основным) металлом и одним или двумя электродами. Стержень элек­трода плавится и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую или газошлаковую защиту дуги и сварочной ванны, которая изо­лирует их от воздуха. По мере движения дуги металл сварочной ванны затвердевает и образуется сва­рочный шов. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва шлаковую корку.

В процессе сварки в результате нагрева и охлаждения происхо­дит изменение структуры и свойств в участках основного металла, прилегающих к шву. Вся зона основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения происходит изменение структуры и свойств, называет­ся зоной термического влияния. Строение зоны термического влияния для конструкционной стали показана на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Зоны термического влияния

I. Участок полного_расплавления_ (металл шва) при остывании имеет крупнозернистую литую структуру.

II. Учaсток неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному и напевается _ зоной сплавления.

III. Участок_перегрева нагревается до 1100-1300°С и характе­ризуется зерном. Зоны II-III называются околошовной зоной. В этой зоне в результаты нагрева и охлаждения наиболее резко меняются структура и свойства основного металла, опреде­ляющие свариваемость, снижается пластичность и ударная вязкость.

IV. Участок нормализации нагревается выше точки А₃ и ха­рактеризуется измельчением зерна и повышением механических свойств.

V. Участок неполной перекристаллизации характеризуется на­гревом от А₁ до А_3. Структурные изменения в этой зоне слабо влияют на свойства сварных соединений.

VI-VII _участки - зоны рекристаллизации и старения.

При сварке дугой прямого действия теплота выделяется в дуге между металлом и электродом (а), а при сварке косвенной дугой (б) - металл плавится в столбе дуги между двумя электродами. Используют переменный и постоянный ток, либо трехфазный ток.

Сварочной дугой называют стационарный электрический раз­ряд в газах и парах между находящимися под напряжением электро­дами. Сварочная дуга характеризуется высокой температурой газов и большим током в зоне разряда. Расстояние между электродами - это область дугового разряда или длина дуги. Электрическая дуга – это ионизированный воздух под действием напряжения.

Зажигание дуги при сварке плавящимся электродом начинает­ся с короткого замыкания электрода с изделием. Ток короткого за­мыкания мгновенно расплавляет металл в месте контакта, в результате чего образуется жидкая перемычка. При отводе электрода от изде­лия жидкая перемычка растягивается, металл перегревается и его тем­пература достигает температуры кипения, пары металла и газы под действием термо- и автоэлектронной эмиссии ионизируются - возбуж­дается дуга.

Электрическая дуга является концентрированным источником теплоты. Мощность постоянного тока N = U I. (1)

Однако не вся мощность дуги расходуется на нагрев и расплавление металла. КПД  = N_пол /N составляет  50%. Для автоматиче­ской сварки под флюсом   0,9, для ручной дуговой   0,8.

Электрическая дуга состоит из трех частей: катодной (L_к), столба дуги (L_с) и анодной области (L_а). Длина катодной области  10^-5, анодной ~ 10^-3 - 10^-4 см.

Столб дуги можно рассматривать как газовую плазму, находя­щуюся в термодинамическом равновесии. Общее напряжение дуги

U = U_ан + U_cp + U_кат = U_к.а + Е_с L, (2)

где U_к.а = U_к + U_a - общее падение напряжения в катодной (U_k) и анодной (U_a) областях, Е_с - напряженность поля в столбе дуги дли­ной L_c.

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки яв­ляются напряжение U и сварочный ток I_с. Диаметр d_э электрода выби­рают в зависимости от толщины h свариваемого металла.

d, мм	1,5-2,5	3	3-4	4-5	> 5
h, мм	1-2	3	4-5	6-12	> 13

Производительность сварки определяется количеством метал­ла m, наплавляемого в течение времени  и сварочным током I_с:

m = _н I_с  , (3)

_н - коэффициент наплавки, [_н ] = (г/А)*час. При ручной ду­говой сварке он равен 8-12 (г/А)*час.

Оптимальную величину сварочного тока I_с устанавливают экс­периментально I_с = kd_Э , где d_Э - диаметр электрода, k - коэффициент, зависящий от типа свариваемого материала и его толщины. Для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали k = 30-60 А/мм, а из высоколегированной стали k = 30-40 А/мм.