Статьи

2.1 Общие требования к сварочным источникам тепла.

Сварочная операция выполняется с местным нагревом свариваемых изделий до температуры, которая определяется свойствами свариваемых материалов и видов сварки. При сварке плавлением температура в месте выполнения сварки Т_м должна быть выше температуры плавления, т.е. Т_м > Т_пл, а при сварке давлением Т_пл > Т_м > Т₁, где Т₁ – минимальная температура, при которой в данных условиях можно получить сварное соединение.

В целях наиболее эффективного использования тепла для выполнения сварочной операции необходимо использовать его максимально локализованный ввод, чтобы свариваемый материал только в минимально необходимом объеме довести до такого температурного состояния, при котором возможно сваривание.

Источник тепла для сварки должен обладать: 1) достаточной тепловой мощностью; 2) высокой концентрацией тепла; 3) значительной эффективностью. Кроме того, они должны быть удобными в работе.

Тепловой мощностью источника называется полное количество тепла, выделяемого им в единицу времени (кал/сек, Вт/сек).

Часть тепла бесполезно идет на нагрев окружающей среды, тогда как другая часть эффективно расходуется на нагрев изделия. Количество тепла, сообщаемое источником нагреваемому изделию в единицу времени, называется эффективной мощностью источника тепла.

Весьма важной характеристикой любого источника тепла является эффективный коэффициент полезного действия, который представляет собой отношение эффективной мощности к полной тепловой мощности:

η_и = Q_эфф/Q_полн.

Одним из составляющих потерь являются потери, определяемые так называемым термическим коэффициентом полезного действия η_т. Если полезное тепло, которое используется для нагрева минимально необходимого объема металла до температуры сварки (при сварке плавлением Q_пл), обозначить Q_м, а введенную эффективную тепловую мощность Q_эфф, тогда

η_т = Q_пл/Q_эфф.

Наиболее распространенными источниками тепла для сварки плавлением являются газосварочное пламя, электрическая дуга, электрошлаковый источник тепла, электронный луч, световой луч; для тепловой подготовки при сварке давлением применяют пламя горючих газов, нагрев электрическим током, индукционный нагрев и тепло превращения механической энергии в тепловую.

2.2 Газосварочное пламя

Применяемое в сварочных процессах газосварочное пламя получают сжиганием горючих газов с кислородом. Большинство горючих газов собой соединения водорода и углерода (водород используют иногда в чистом виде):

Н₂ + 1/2О₂ ↔ Н₂О + 57800 кал/моль (240 кДж/моль),

С + 1/2О₂ ↔ СО +29400 кал/моль (122 кДж/моль),

СО + 1/2О₂ ↔ СО₂ + 68200 кал/моль (284 кДж/моль).

Все эти реакции экзотермичны, в результате чего продукты реакции нагреваются. Температура пламени может быть определена по формуле

Т_г = ∑Q/∑mc, где ∑Q – суммарный тепловой эффект реакции; ∑mc – сумма произведений масс продуктов реакции на их теплоемкость.

Эти реакции являются обратимыми. При высоких температурах часть продуктов реакции распадается – диссоциирует с отрицательным тепловым эффектом.

Например, реакция горения водорода. Если бы она целиком прошла слева направо

Н₂ + 1/2О₂ → Н₂О + Q_Н2О,

то расчеты бы показали температуру продуктов реакции Т_г = 5300⁰С. Так как при высоких температурах идет реакция Н₂О → Н₂ + 1/2О₂ – Q_Н2О, часть Н₂О распадается, а число газовых молекул увеличивается. В результате температура пламени будет ниже (примерно 2350⁰С).

Соответственно, чем значительней степень диссоциации продуктов реакции, тем больше затрачивается тепла на их распад и более низкими окажутся конечные температуры пламени. Значения степени диссоциации различных соединений двухатомных газов показаны на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Степень диссоциации различных соединений от температуры.

Схема горения углеводородов является более сложной, так как горючее в процессе горения проходит ряд последовательных превращений. При этом с повышением температуры углеводороды, являясь теплонеустойчивыми, распадаются. Непредельные углеводороды в результате нагрева при отсутствии кислорода распадаются на углерод и предельные углеводороды, которые, в свою очередь, распадаются на углерод и водород. (Углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода, называются предельными или насыщенными углеводородами. Непредельными называются органические соединения, содержащие между атомами углерода кратные (двойные или тройные) связи). Общая схема распада ацетилена:

2C₂H₂ → CH₄ + 3C + Q₁, CH₄ + 3C → 4C + 2H₂ + Q₂.

При этом может выделяться значительное количество тепла (Q₁ + Q₂). Например, при распаде ацетилена этот тепловой эффект составляет ≈ 54 000 кал/моль.

В присутствии кислорода этот процесс пирогенного разложения сопровождается процессами окисления, идущими с дополнительным выделением тепла. В этом случае схема разложения ацетилена будет выглядеть:

С₂Н₂ + О = С₂Н₂О

С₂Н₂О + О₂ = С₂Н₂О₂ + О

С₂Н₂О₂ → СО + НСОН}

↓ 2СО + Н₂

СО = Н₂ }

При этом частично происходит и распад углеводородов с выделением элементарного углерода

C_xH_y → xC + y/2 H₂

с последующим окислением и углерода и водорода.

Таблица 2.1

Сопоставление различных горючих газов

Как следует из вышеприведенного рис. 2.1, реакции горения СО (в СО₂) и Н₂ (в Н₂О) не могут обеспечить высокой температуры пламени, в связи с процессами диссоциации. Более благоприятным является получение СО в результате горения углерода. Следовательно, более высокая температура пламени получается при сжигании углеводородов с минимальным количеством водорода и максимальным количеством углерода (табл. 2.1) Так как тепловой эффект распада углеводородов также повышает температуру пламени, наивысшую температуру обеспечивают непредельные углеводороды.

Наиболее высокую температуру пламени дает горючая смесь ацетилена и кислорода. Поэтому ацетилен является основным горючим газом для газовой сварки и резки.

Бензол дает немного меньшую температуру, при том же соотношении углерода и водорода, в связи с меньшим тепловым эффектом распада молекулы С₆Н₆, чем С₂Н₂.

Остальные горючие дают еще меньшую температуру пламени. Однако для целого ряда видов газопламенной обработки металлов, а также для сварки более легкоплавких или менее теплопроводных металлов в качестве заменителя ацетилена с успехом применяются такие горючие, как пропанобутановые смеси, метан, водород и др.

. В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси сварочное пламя может быть нормальным, окислительным и науглероживающим.

Нормальное, или восстановительное, пламя получается при отношении ацетилена к кислороду от 1 : 1 до 1 : 1,3. В большинстве случаев при сварке применяют нормальное пламя, которое способствует раскислению металла сварочной ванны и получению качественного сварного шва. Окислительным называют пламя, в котором имеется избыток кислорода. Такое пламя сильно окисляет металл сварочной ванны, способствует получению пористости и низкого качества сварного шва. Пламя с избытком ацетилена имеет желтый цвет и удлиненный коптящий факел. Оно науглероживает металл сварочной ванны.

Нормальное ацетиленокислородное сварочное пламя делится на три резко выраженные зоны(рис.2.2): ядро, восстановительную зону и факел. Ядро имеет форму закругленного ярко светящегося конуса. Оно состоит из раскаленных частиц углерода, которые сгорают, выходя на наружную часть ядра. Расстояние от конца мундштука горелки до конца ядра (длина ядра) зависит от скорости истечения горючей смеси из горелки.

Рис. 2.2 Схема строения ацетиленокислородного пламени.

Восстановительная зона состоит в основном из окиси углерода и водорода, получающихся в результате сгорания ацетилена:

C₂H₂ + O₂ = 2CO + H₂ +112800 кал/моль.

Эта зона по сравнению с ядром имеет более темный цвет. Максимальная температура пламени находится в восстановительной зоне на расстоянии 2 – 4 мм от ядра, поэтому этой частью пламени и производят расплавление свариваемого металла.

Факел располагается за восстановительной зоной и имеет удлиненную конусообразную форму. Состоит факел из углекислого газа и паров воды, которые получаются в результате сгорания окиси углерода и водорода, поступающих из восстановительной зоны. Горение окиси углерода и водорода происходит за счет окружающего атмосферного воздуха

2CO + H₂ + 1,5O₂ = 2CO₂ + H₂O + 194200 кал/моль.

Тепловая мощность газосварочного пламени регулируется количеством горючего, сжигаемого в единицу времени. Это обычно достигается сменными наконечниками с различными проходными сечениями каналов для ацетилена, кислорода и их смеси. Наиболее распространенными являются горелки с 7 – 10 наконечниками, позволяющими регулировать мощность пламени от 30 до 3000 л ацетилена в час.

Общие закономерности горения, а также строение пламени при использовании других углеводородов подобны приведенным. Сжигание горючих смесей этих газов с кислородом характеризуется наличием светящегося ядра и средней зоны, в большей или меньшей степени отличающейся по виду от факела.

Водородно-кислородное пламя не имеет ядра и по внешнему виду его регулировку производить трудно.

При нагреве металла газосварочным пламенем горючие газы контактируют с поверхностью по некоторой площади – пятну нагрева. Интенсивность ввода тепла в различных участках этой площади различна (рис. 2.3). Плотность теплового потока является наибольшей в центре пятна и уменьшается к периферии. Н.Н.Рыкалин показал, что изменение интенсивности ввода тепла в свариваемое изделие при направлении оси пламени перпендикулярно к нагреваемой поверхности по мере удаления от центра можно математически описать законом нормального распределения:

,

Рис. 2.3. Характер ввода тепла при различной мощности (в зависимости от номера наконечника).

где q_max – плотность теплового потока в центре пятна нагрева, кал/(см² * сек); q_r– плотность теплового потока на расстоянии r от центра; k – коэффициент сосредоточенности ввода тепла, от размеров и распределения тепловыделения в пламени.

Кроме теплового воздействия, поток быстродвижущихся газов пламени оказывает и механическое воздействие на нагреваемую поверхность. Скорость движения газов в центре больше, чем на периферии, поэтому механическое действие пламени распределяется по площади подобно распределению интенсивности ввода тепла. Величина давления потока газов на элементарный участок поверхности в кгс/см² может быть определена из соотношения:

∆p = v²/(2gG),

где v – скорость струи газа, см/с; G – удельный объем газа (величина, обратная плотности), см³/г; g – ускорение силы тяжести (981 см/с).

В результате совместного воздействия струи газов, движущихся с различной скоростью, расплавленный металл под пламенем выдувается в центре интенсивней, чем на периферии. При наклоне горелки к поверхности тепловой поток и характер механического воздействия изменяются. При этом изменяется и характер выдувания жидкого металла при сварке.

Электрическая дуга – один из видов устойчивого электрического разряда, образующийся в газовой среде между твердыми или жидкими проводниками (электродами). Превращая электрическую энергию в тепловую, электрическая дуга сосредотачивает тепло в небольшом объеме, что позволяет обеспечить весьма концентрированный ввод тепла в изделие.

Количество тепла, выделяемое дугой в единицу времени, может быть определено по формуле

q = UI = 0,24UI

При сварке не все тепло, выделяемое дугой, вводится в изделие. Часть тепла теряется в виде излучения в окружающую среду. Количество тепла, введенное в изделие, учитывается эффективным коэффициентом полезного действия сварочной дуги.

Эффективным коэффициентом полезного действия сварочной дуги называют отношение количества тепла, введенного в изделие, к полному количеству тепла, выделенного дугой:

 = q/(0,24UI).

По данным Н. Н. Рыкалина, эффективный к.п.д. процесса нагрева, измеренный калориметрически, составляет от 50% до 95%.

Газовая среда становится проводником электрического тока только при определенных условиях: когда в газе имеются электрически заряженные частицы, т.е. когда газ ионизирован.

В ионизированном газе наряду с нейтральными атомами имеются атомы, в которых положительный заряд ядра не уравновешен суммарным отрицательным зарядом электронных оболочек. Такие атомы называются ионами. Ионы могут быть положительными, если в электронных оболочках недостает одного или нескольких электронов, и отрицательными, если суммарный отрицательный заряд электронов превышает положительный заряд ядра. Наряду с ионами в ионизированном газе всегда имеются свободные электроны, несущие отрицательные заряды. Масса иона практически не отличается от массы нейтрального атома (например, масса водородного иона составляет 1,66*10^-24г). Масса электрона очень мала и составляет 9*10^-28г, т.е. в 1840 раз меньше массы водородного иона. Заряд электрона равен 1,59*10^-19 кулона. Процесс образования ионов и электронов носит название ионизации газа.

Для того чтобы ионизировать атом, необходимо осуществить отрыв одного (однократная ионизация) или нескольких (многократная ионизация) электронов от ядра. Различают следующие виды ионизации газов:

1. ионизация соударением;

2. ионизация облучением (фотоионизация);

3. ионизация нагревом (тепловая, термическая ионизация).

Ионизация соударением заключается в том, что электроны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, оказывают ударное воздействие и выбивают электроны, тем самым, ионизируя атом. Количество энергии, которое необходимо для отрыва электрона от ядра, называется работой ионизации (eU). Она измеряется в вольт-электронах. Вольт-электрон – это то количество энергии, которое приобретает электрон под действием разности потенциалов в 1 В. Один вольт- электрон равен 1.59*10^-19вт*сек. Для упрощения часто говорят, что работа ионизации измеряется в вольтах.

Работу ионизации, выраженную в вольтах, которую необходимо затратить для ионизации атома того или иного элемента, называют потенциалом ионизации.

Для того чтобы произошла ионизация соударением, ударяющий электрон должен обладать такой скоростью, при которой его кинетическая энергия равна или больше потребной работы ионизации:

eU = mv²/2.

Ионизация облучением (фотоионизация) заключается в том, что кванты лучистой энергии могут ионизировать атомы:

h = eU h – постоянная Планка (6,62 * 10^-27 эрг * сек);  - частота колебаний.

Сущность ионизации нагревом (термической ионизации) состоит в том, что при нагреве газов растет число соударений и скорость электронов с возможным образованием ионов:

(3/2)kT = eU, где к – постоянная Больцмана (1,36 * 10^-16 эрг/К)

Для осуществления термической ионизации всех частиц газа, заключенных в данном объеме, нужен очень высокий нагрев (для 100% ионизации азота необходима температура 113 000⁰ К). При меньшей температуре произойдет частичная ионизация, характеризуемая степенью ионизации.

Если обозначить х степень ионизации, то количество электронов, ионов и атомов соответственно составит: n_e = nx, n_j = nx, n_A = n(1 – x), а общее число частиц будет 2nx + n(1 + x) = n(1 + x).

При рассмотрении столба дуги как изотермической плазмы для определения степени ионизации при данных температуре и давлении используется уравнение Сага:

,

где р – давление, мм рт.ст.; U – потенциал ионизации, В; а² – квантовый коэффициент (по расчетам К.К.Хренова, составляющий для различных элементов величину от 1 до 4).

Рис. 2.4. Зависимость степени ионизации от температуры.

Зависимость степени ионизации х от температуры, вычисленная по уравнению Сага, имеет S – образный вид (рис. 2.4). В начальной части кривая х растет с температурой сравнительно медленно, почти по линейному закону, затем рост ускоряется, а при очень высоких температурах вновь замедляется. Это замедление объясняется уменьшением количества атомов, способных к ионизации. В этой области уравнение становится мало применимым, т.к. увеличивается возможность многократной ионизации. Как следует из рисунка, при 6000 – 7000⁰К легкоионизирующиеся вещества K, Na, Ba, Ca могут иметь уже значительную степень ионизации.

Обычно в атмосфере дуги присутствуют несколько элементов. В этом случае вводится понятие об эффективном потенциале ионизации U_эфф. Приняв некоторые допущения, В.В.Фролов вывел следующую формулу:

,

где C_i – газовые концентрации i – го; U_i – потенциал ионизации каждого газа.

Подсчитав в качестве примера эффективный потенциал ионизации смеси паров железа и калия при 5800⁰ К, В.В.Фролов получил значения, показанные на рис. 2.5. Уже небольшие количества легкоионизирующейся добавки значительно снижают эффективный потенциал ионизации.

Рис. 2.5. Зависимость U_эф от содержания калия в железе.

Для возбуждения дуги и поддержания ее горения необходим мощный поток электронов, который мог бы обеспечить ионизацию. Поток электронов может быть получен за счет термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии, а также при бомбардировке катода движущимися частицами.

Сущность процесса термоэлектронной эмиссии состоит в том, что от поверхности раскаленного тела могут «отрываться» те электроны, которые обладают кинетической энергией, достаточной для того, чтобы преодолеть силы электростатического притяжения. Если электрон покинет сферу влияния металла, то он совершит работу выхода. Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона и Дешмана:

,

где j₀ – плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/см²; φ – работа выхода электрона, эВ; А – коэффициент (для металлов, применяемых в качестве электродов при сварке, А = 60 – 70 А/(см²*К)).

Работа выхода электрона различных веществ и металлов является различной. Если на поверхности металла имеются окислы, то работа выхода уменьшается.

Табл. 2.2.    Работа выхода электрона для некоторых металлов

Сущность автоэлектронной эмиссии состоит в том, что выход электрона из металла происходит под действием электрического поля высокой напряженности (10⁶ – 10⁷ В/см). При этом эмиссия может происходить с холодного катода.

В зависимости от того, какой вид эмиссии преобладает, различают:

1. дуги с горячим катодом;

2. дуги с холодным катодом;

3. дуги смешанного типа.

Эмиссия в результате бомбардировки катода ионами в связи с тем, что часть положительных ионов достигает катода с достаточным запасом энергии.

Интенсивная эмиссия электронов происходит с части торца катода, называемой катодным пятном. Плотность тока на катодном пятне около 7200 А/см². Вылетевшие из катодного пятна электроны под действием электрического поля приобретают скорости, достаточные для осуществления ионизации. Свободный полет электронов составляет величину порядка 10^-5 см. Такая же протяженность катодной области.

Ионы под действием электрического поля устремляются к катоду и, ударяясь об него, отдают ему свою энергию, поддерживая тем самым высокую температуру последнего.

Таким образом, в катодной области движутся два потока: электронов и ионов. Так как масса ионов во много раз больше массы электронов, то ионы значительно медленнее, чем электроны, движутся в прикатодной области. Следовательно, в прикатодной области имеет место избыток ионов, которые создают положительный объемный заряд, искажающий электрическое поле. Поэтому в прикатодной области наблюдается значительно больший градиент потенциала.

В прианодной области имеется только электронный ток, потому что анод «отсасывает» из плазмы дуги электроны. Так как анод может отсасывать количество электронов, отличающиеся от того, которое может дать столб дуги, то в прианодной области также может возникнуть объемный заряд, который изменит напряженность электрического поля и создаст дополнительно падение напряжения.

Если анод отбираеет электронов больше, чем может дать столб дуги, то прианодная область обедняется электронами и в ней образуется избыточный положительный объемный заряд, увеличивающий общее напряжение на дуге. Если же анодная область отбирает электронов меньше, чем поступает из столба, то в этой области создается некоторый избыток электронов, т.е. избыточный отрицательный объемный заряд.

Падение напряжения на участке металлического проводника подчиняется закону Ома и может быть представлено в виде прямой. Падение напряжения в дуге на различных ее участках неодинаково. Возникновение объемных зарядов в прикатодной и прианодной областях создает в них повышенный градиент потенциала. На рис. 2.6 представлено распределение падения напряжения в дуге. В прикатодной области на длине около 10^-5 см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения (U_k).

В прианодной области сосредоточено анодное падение напряжения (U_a).

Таким образом, напряжение дуги может быть представлено как сумма трех составляющих:

U_d = U_k + U_c + U_a.

Тогда мощность дуги

P_d = IU_d = IU_k + IU_c + IU_a = P_k + P_c + P_a.

Как уже говорилось, общий ток в дуге складывается из тока ионов и тока электронов, т.е.

I = I_i + I_e

Если доля электронного тока f = I_e/I, то доля ионного тока составит (1 – f) = I_i/I.

Рис. 2.6. Падение напряжения в дуге.

Тогда ток электронов I_e = fI, а ток ионов I_i= (1 – f)I. Исходя из этого рассмотрим, из чего будет складываться приход и расход энергии в прикатодной области, в столбе дуги и в прианодной области.

Энергия катоду сообщается ионами, которые его бомбардируют. Произведение тока ионов на катодное падение напряжения есть кинетическая энергия: (1 – f)IU_k. Одновременно ионы, нейтрализуясь, отдают катоду энергию, израсходованную на их ионизацию, за вычетом энергии, затраченной на работу выхода, т.е. вырывание электронов с поверхности катода: (1 – f)I(U_i - ). Таким образом, приход энергии на катоде:

(1 – f)IU_k + (1 – f)I(U_i - ) = (1 –f)I(U_k + U_i - ).

Энергия на катоде расходуется: на эмиссию электронов, определяемую как fI, на нагревание, испарение и плавление катода W_k и на радиацию R_k :

fI + W_k + R_k.

Уравнение баланса энергии:

I(1 – f)(U_k + U_i - ) = fI + W_k + R_k.

Приход энергии в столбе дуги складывается из следующих составляющих:

1) энергии,    выделяющейся за счет падения напряжения в столбе дуги;

2) энергии, вносимой электронами, получившими ускорение при прохождении их через катодную область: fIU_k. Общий приход энергии в столбе дуги будет:

IU_c + fIU_k.

Расход энергии в столбе дуги представляет собой:

1. энергию, уносимую ионами, вылетевшими из столба дуги: (1 – f)IU_i;

2. потери на радиацию R_c,

Следовательно, расход энергии в столбе дуги

(1 – f)IU_i + R_c,

а уравнение баланса энергии

IU_c + fIU_k = (1 – f)IU_i + R_c.

Энергия аноду сообщается электронами. Составляющими ее являются:

1. кинетическая энергия электронов, получивших ускорение при прохождении через анодную область: IU_a (в анодной области имеет место только ток электронов: f = 1);

2. работа выхода, которую совершают электроны, входя в анод: I.

Тогда приход энергии на аноде составит

IU_a + I = I(U_a + ).

Расходуется энергия только на нагревание, плавление, испарение материала анода (W_a) и на радиацию (R_a).

Уравнение баланса энергии на аноде

I(U_a + ) = W_a + R_a.

Для электродуговой сварки главное значение имеет затрата энергии на нагревание плавление и испарение материала катода и анода. Решив уравнения баланса энергии на катоде и на аноде относительно W_k и W_a, пренебрегая потерями на радиацию и имея в виду, что U_k  U_a получим

W_k = I[(1 – f)2U_i - ;

W_a = I(U_a + ).

Из этих выражений видно, что для увеличения энергии, выделяемой на катоде необходимо увеличивать долю ионного тока и потенциал ионизации, а работу выхода уменьшать. Наоборот, увеличение работы выхода и анодного падения напряжения приведет к увеличению энергии, выделяемой на аноде. Поэтому при сварке на прямой полярности, т.е. когда электрод является катодом, а изделие анодом, для увеличения количества наплавленного металла целесообразно увеличивать эффективный потенциал ионизации и стремиться уменьшить работу выхода. Если же сварка ведется на обратной полярности, т.е. когда электрод является анодом, то для увеличения количества наплавленного металла следует стремиться увеличивать работу выхода.

Количество расплавленного металла в единицу времени электродного металла при прямой полярности (электрод – катод):

g = 0,24W_k/q_k = 0,24[(1 – f)2U_i - /q_k,

а при обратной полярности (электрод – анод)

g = 0,24W_a/q_k = 0,24I(U_a +)/q_k,

где g -- количество расплавленного металла электрода, г/сек; q_k -- теплосодержание расплавленного металла, кал/г.

Для характеристики удельной производительности электрической дуговой сварки принята величина, показывающая, какое количество электродного металла может быть расплавлено током 1 А в течение 1 часа. Эту величину называют коэффициентом расплавления электрода (_р) и выражают в г/А*ч

_р = 3600g/I.

Тогда коэффициент расплавления при сварке постоянным током при прямой полярности:

_р = (0,24[(1 – f)2U_i - ]*3600)/q_k,

а при обратной полярности

_р = (0,24(U_a + )3600)/q_k.

Если считать, что металл электрода нагревается от обычной комнатной температуры до температуры кипения, то

q_k = с(Т_пл – Т_н) + Q_пл + с₁(Т_кип – Т_пл),

где с – средняя теплоемкость в интервале температур от Т_н до Т_пл; Т_пл – температура плавления; Т_н – начальная температура; Q_пл – скрытая теплота плавления; с₁ – средняя теплоемкость в интервале температур от Т_пл до Т_кип; Т_кип – температура кипения металла.

Для малоуглеродистой стали с некоторым приближением (с = 0,164; с₁ = 0,18; Т_пл = 1500⁰; Т_н = 20⁰; Q_пл = 49,4; Т_кип= 2750⁰) можно считать, что q_k = 510 кал/г.

Тогда коэффициент расплавления при сварке малоуглеродистыми электродами на прямой полярности будет

_р + 1,7[(1 – f)2U_i - ],

а при обратной полярности

_р = 1,7(U_a + ).

Коэффициент расплавления может быть легко определен экспериментально и, пользуясь приведенными выражениями, можно определить долю ионного тока в прикатодной области и величину анодного падения напряжения. (Можно принять  =3,92 В; U_i = 7,83 В).

Электрическая дуга не имеет постоянного электрического сопротивления. Зависимость напряжения на дуге от величины тока и длины дуги имеет сложный характер. При увеличении тока площадь поперечного сечения столба дуги, а также площадь катодного и анодного пятен увеличиваются. Если допустить, что плотность тока при этом остается постоянной, то площадь сечения столба дуги пропорциональна величине сварочного тока; при увеличении сварочного тока увеличение площади поперечного сечения столба дуги пропорционально квадрату диаметру столба.

Зависимость между напряжением на дуге и величиной тока, носящая название вольтамперной характеристики, показана на рис. 2.7

Рис. 2.7. Вольтамперная характеристика электрической дуги.

С увеличением сварочного тока при данной длине дуги напряжение на дуге сначала круто снижается, а потом почти не изменяется.

Зависимость между напряжением на дуге и длиной дуги линейна

U_d = a + bl_d .

Коэффициент «а» по своей физической природе представляет сумму анодного и катодного падения напряжений, а коэффициент «b» – падение напряжения на единицу длины столба дуги (градиент напряженности электрического поля в столбе дуги).

В случае питания дуги переменным током, вследствие переменой полярности на электродах, при прохождении напряжения через нуль, дуга гаснет и зажигается вновь (рис. 2.8). В связи с нарушением в эти

Рис. 2.8. Изменение напряжения на дуге при питании ее переменным током.

моменты температурного состояния торцов электродов и газа в дуговом промежутке для возбуждения дуги потребуется большее напряжение, чем установившееся. Поэтому изменение напряжения характеризуется наличием пиков при каждом возбуждении дуги после ее обрыва.

При различии материала электродов (различные работа выхода электрона, Т_пл и Т_кип, теплофизические свойства) в дуге переменного тока наблюдается асимметрия тока и напряжения в различные полупериоды горения дуги (вентильный эффект). В ряде случаев его влияние весьма значительно, например, при сварке алюминия вольфрамовым электродом.

Степень локализации ввода тепла и максимальный удельный тепловой поток в центре дуги значительно больше, чем при газосварочном пламени (табл. 2.3).

Дуга так же создает механическое воздействие на сварочную ванну. Его величина пропорциональна квадрату тока:

P = kI².

Табл. 2.3.    Характеристики теплового потока сварочных дуг

Как во всяком проводнике с током, вокруг дуги образуется магнитное поле. Продольная составляющая этого поля оказывает значительное влияние на отрыв капель от электрода и их перенос в дуге. Поперечное поле может отклонять дугу от нормального направления. Магнитное поле пропорционально квадрату тока.

Против магнитного отклонения (дутья) принимают следующие меры: стабилизацию дуги внешним магнитным полем; наложением магнитных масс в определенных участках вблизи свариваемого шва; сварка на переменном токе.

Внешним магнитным полем можно стабилизировать дугу, колебать ее вдоль и поперек шва или получить бегущую дугу.

Сварка металлов в домашних условиях и принцип ее работы

Сварка металлов в домашних условиях является технологическим процессом, с помощью которого можно получить неразъемное соединение, устанавливая связи межатомные и межмолекулярные между частями изделия, сваренные, при нагреве или же пластическом деформировании. Точечная сварка, как правило, применяется для соединения сплавов и металлов, термопластов исключительно во всех областях производства, и даже в медицине.

Для проведения сварки используют различные источники подачи энергии, такие как электрический ток, электрическая дуга, газовое пламя, электронный луч, лазерное излучение, ультразвук, трение. В современное время технологии настолько усовершенствовались, что сварку стало возможным проводить не только на индустриальных предприятиях, но в монтажных и полевых условиях, таких как поле, степь, открытое море и другое. Вы, наверняка, удивитесь, однако факт, что сварку, возможно, проводить как под водой, так и в космосе.

Однако, есть предосторожности, которые необходимо применять в таком процессе, как сварка алюминия, меди, латуни, а также нержавейки, чугуна и силумина в домашних условиях, поскольку точечная сварка сопряжена с опасностью поражений электрическим током, возгораний, поражением глаз и других частей тела инфракрасным, тепловым, ультрафиолетовым излучением и даже брызгами жидкого металла.

Аппараты для сварки

Если вы принялись за благоустройство своего дома, то в скором времени вам потребуется сварочный аппарат. Области для применения этого аппарата весьма обширны. Вы можете его использовать и в строительстве, и в обустройстве двора, и во время возделывания каркасов для теплиц, беседок и многое другое. Самое приятное, это то, что для того, чтобы пользоваться этим инструментом, быть профессионалом вовсе не обязательно.

Остается вопрос лишь за тем, какой сварочный аппарат лучше выбрать для дома. Давайте рассмотрим несколько видов, такие как трансформаторы, генераторы, инверторы и выпрямители. Если прислушаться к советам тех людей, которые уже на личном опыте использовали все перечисленные аппараты, то лучше всего отдать предпочтение более компактным моделям, так как вам буде легко и удобно пользоваться ими и на квартире, и на даче, и в гараже.

Каждый из перечисленных аппаратов выполняет свою миссию. Допустим, у вас строительный участок, и электричество еще не проведено. В этом случае вам поможет сварочный генератор. Он способен самостоятельно выработать необходимое электричество для проведения сварки. Однако компактным его никак не назовешь, и к тому же, вы должны иметь определенные навыки, чтобы знать, как обращаться с этим предметом.

Более популярным принято считать сварочный трансформатор. Он отличается невысокой ценой, к тому же у него не сложная конструкция. Если вы задумали мощную электродуговую сварку, то этот аппарат именно тот, что вам нужен. Однако большой веси габарит не всем понравятся и не каждому будут под силу.

Если вы в этом деле новичок, то остановите свой выбор на полуавтоматах. Именно с помощью таких аппаратов вы сможете получить аккуратный и ровный шов, так как сварку проводят с использованием проволоки. Он отличается небольшими размерами, является очень удобным для перевозки. Да и весьма разумная цена будет весьма кстати, так как не будет бить по вашему карману. Самое главное, чтобы выбранный вами полуавтомат был очень качественным и правильно настроенным.

Качественную дугу вы получите в том случае, если электродуга будет стабильной и непрерывной. Эту задачу прекрасно выполнить под силу сварочному выпрямителю. К тому же, он очень экономичный в потреблении электроэнергии. Для экономных хозяев именно то, что нужно.

А вот инверторы являются самыми легкими и портативными. Они не имеют трансформатора и основаны на полупроводниковой схеме. Более всего для домашнего использования подходят именно данные аппараты для сварки.

Вот мы и познакомились с различными аппаратами для проведения сварки. Теперь каждый из вас сможет выбрать именно то, что необходимо исключительно в вашем случае. Вы хоть и не сварщик, но в сварочных аппаратах сейчас разбираетесь ничуть не хуже. Но пришло время, перейти к вопросу, относительно того, как проводить домашнюю сварку.

Домашняя сварка.

Начнем, пожалуй, с алюминия, меди, а также нержавейки, чугуна и силумина. Необходимо отметить, что точечная сварка алюминия, меди, а также нержавейки, чугуна и силумина в домашних условиях является рискованным делом, как и латуни, поскольку алюминий обладает легкой окисляемостью.

Из-за этой окисляемости, образуется пленка на алюминии, которая плавится при температурах, намного превышающих температуру алюминия. Вот и срывается весь процесс сварки. Конечно, домашняя точечная сварка с использованием алюминия, латуни или нержавейки имеет место быть, однако, сложностей может возникнуть немало.

Дополнительной трудностью является то, что при сваривании алюминия, меди, латуни, а также нержавейки, чугуна и силумина возможно столкновение с различного рода сплавами, название которых неизвестно, и для того, чтобы качественная точечная сварка была завершена, может потребоваться наличие каких — то других металлов.

Что же касается меди, то отметим, что медь в чистом виде можно встретить крайне редко, кроме латуни и алюминия. А вот использование сплавов меди достаточно широко. В число таких сплавов входят цинк, латунь, а также сплавы нержавейки, чугуна и силумина. Ввиду того, что содержатся примеси, характер сварочной работы заметно отличается.

Но, несмотря на некоторую сложность в работе, с помощью этих примесей можно добиться более устойчивого соединения.

Если проводится точечная сварка в домашних условиях меди и ее сплавов, а также нержавейки, чугуна и силумина, то вам следует учесть, что у этого металла высокая теплопроводность и большая скорость остывания сварочной ванны. Из-за наличия данных факторов снижается качество сварочного шва и в нем появляется мелкая зернистость. Но для того, чтобы таких последствий не было, необходимо использовать сварку, применяя повышенную погонную энергию. Еще более негативный фактор, который необходимо иметь в виду, является достаточно большая усадка меди после остывания. В результате мы получаем деформацию сварочного шва, что, несомненно, снижает качество. К тому же медь обладает высокой чувствительностью к водороду, что в свою очередь приводит к тому, что на поверхности образуются небольшие капли и сварочный шов растрескивается.

Как вы уже заметили, в каждой сварочной работе нужна осторожность, иначе проблем не оберешься, особенно, если являешься новичком и не знаешь, как себя вести со сварочными аппаратами и металлами, пригодными для сварки, как термитная. Как и в других делах, и в этом необходим, прежде всего, профессионализм, а главное, желание сделать что — то в лучшем виде. Ведь у старательных людей многое получается, даже если они не разбираются в какой — то сфере жизни.

Пайка латуни имеет собственные особенности вследствие испарения горячего цинка, а также образования на поверхности металла оксидной пленки. Латуни, содержащие в составе до 15% цинка, окисляются пленкой, которая состоит из сцепленных частиц CuO и ZnО. В медных сплавах, содержащих достаточно большое количество цинка, пленка окислов состоит преимущественно из ZnO, которые удаляются намного проблематичнее, чем в случае с пленкой окиси меди.

Флюсы, припои

Для низкотемпературной пайки посредством оловянно-свинцового припоя, чистым оловом, либо какими-нибудь иными тинолями, требуется удаление оксидной пленки с поверхности метала. Для данных целей используются, как правило, канифольно-спиртовые, либо более активные по составу флюсы.

Например, во время обработки латуни марок ЛС59-1-1, Л63 применяются флюсы на основе хлористого цинка с добавками. Относительно латуни, то она обладает худшими качествами расплавления в оловянно-свинцовых припоях, вследствие чего на протяжении пайки наблюдается медленный рост интерметаллидных слоев, оказывающих положительное влияние на механические свойства паяного шва металла.

Соединения, полученные во время пайки оловянно-свинцовыми припоями латуни марки Л63, не могут похвастать отличным качеством и прочностью сцепления по сравнению с медью при аналогичных условиях. Например, предел прочности соединений медных деталей, паянных оловом встык, составляет 90 МПа, в то время как в случае с латунью данный показатель не превышает 59 МПа.

В процессе пайки латуней, в состав которых входит большое количество меди, применяются припои следующих маркировок: ПСр72, ВСр40, Пср45, ПСр25, ПСр12. Также могут применяться медно-фосфорные латуни, а также латуни с незначительной температурой плавления. Во время соединения латуни с высоким уровнем цинка в составе можно использовать припой ПСр40.

Таким образом, для них не пригодны фосфористые припои, так как из-за этого с большой вероятностью проявляется соединение с низкой пластичностью в паяном шве. Подобное вызвано тем, что в паяном шве во время пайки образуются фосфиды цинка, которые достаточно хрупкие.

Для соединений, не подвергающихся воздействию вибраций, механическим ударам, используются припои ПМЦ36 и ПМЦ48. В процессе пайки серебряными и медно-фосфористыми припоями латуни начинают интенсивно растворяться. В связи с этим для сокращения контакта твердого металла с жидким припоем их нужно паять в условиях высокого нагрева. Латунь Л63 растворяется достаточно интенсивно в тинолях ПСр40, ПСр45, ПСр15, а также существенно меньше в тинолях ПСр50КД и ПСр37,5.

Твердый припой

Для латунных радиаторов, труб и многих других деталей можно воспользоваться твердым припоем. Обработка металла твердым припоем L-CuP6 особа актуальна во время монтажа медных труб, радиаторов, элементов системы отопления и не только.

Диапазон температуры плавления материала, доступный при работе твердым припоем, составляет от 710 до 880 гр.С. Рабочая температура припоя составляет 730 гр. С. Работа с твердым припоем позволяет воздействовать с медью, латунью, красной бронзой, бронзой.

Режим пайки

Детали, которые были изготовлены из рассматриваемого материала можно паять при температуре от 850 до 870 гр. С, а также в соленых ваннах. С целью улучшения затекания припоя в раствор ванн, как правило, добавляют 4-5%-й флюс, в состав которого входит фтороборат калия ил бура.

В течение нагрева металлических деталей в печах и на протяжении обработки газовой горелкой также имеет место образование оксидной пленки на поверхности металла (латунных радиаторов) с последующим испарением цинка, что негативно сказывается на растекании припоя. Пайка газовой грелкой позволяет уменьшить окисление, а также испарение цинка в восстановительном пламени. При этом уменьшается пористость в швах пайки.

Как паять своими руками

Сегодня есть достаточно широкое разнообразие латунных радиаторов, труб, а также прочей бытовой необходимости. В связи с этим нередко возникает потребность в ремонте. Иногда денег на наем квалифицированных специалистов попросту не хватает. В таком случае можно справиться самому, осуществивши пайку радиаторов, других латунных изделий в домашних условиях.