Явление электрического дугового разряда и возможность использования тепла дуги для расплавления металлов были открыты и исследованы в 1802 г. академиком Василием Владимировичем Петровым.
В 1882 г. русский инженер Николай Николаевич Бенардос предложил использовать электрическую дугу для сварки металлов. Сущность этого метода (рис. 188, а) заключается в следующем: электрическая дуга 7 возбуждается и горит между угольным электродом 3 и изделием 1. Угольный электрод укрепляется в держателе 4, а дуга питается током от генератора 5. Под действием тепла дуги металл плавится; угольный электрод при этом почти не расходуется. При остывании и кристаллизации сварочной ванны образуется сварной шов, соединяющий обе детали 1. Иногда, особенно при сварке толстого металла, в ванну добавляют так называемый присадочный металл, для чего в дугу непрерывно подается металлический пруток или проволока 2.
Рис. 188. Схемы сварки: а — по способу Бенардоса; б - по способу Славянова
В 1886 г. русский инженер Николай Гаврилович Славянов разработал новый способ — сварку металлическим электродом (рис. 188, б). Сущность этого способа состоит в том, что дуга горит между металлическим электродом 2 и изделием 1. В этом случае плавящийся металлический электрод является одновременно и присадочным металлом.
Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд в сильно ионизированной среде, состоящей из положительных и отрицательных ионов и свободных электронов. Дуговой разряд характеризуется выделением большого количества теплоты и света. Температура сварочной дуги достигает 6000°С. Дуга состоит из трех областей — катодной, анодной и столбадуги.
Для упорядочения движения свободных электронов в металле и электронов, которые освобождаются на нагретой поверхности катода, создается электрическое поле путем подведения к дуговому промежутку соответствующей разности потенциалов.
Движущиеся в дуговом промежутке электроны взаимодействуют с нейтральными молекулами паров и газов и разделяют их на ионы и электроны. Схема движения электронов представлена на рис. 189. Сорвавшийся с конца нагретого катода 1 (электрода — металлического или угольного) электрон 2 проходит через катодное пространство с высокой напряженностью поля по направлению к аноду 3. На пути следования электрона может встретиться атом (молекула) газа или атом какого-либо другого вещества (например, паров металла) и вступить с ним во взаимодействие. В результате нейтральная частица ионизируется.
Рис.189. Схема процесса ионизаци дугового промежутка.
Тепловая мощность дуги может быть рассчитана по формуле:
q = 0,24 Uд ּ Iд кал/сек,
где Uд — падение напряжения на дуге, в вольтах; Iд — ток, в амперах; 0,24 — тепловой эквивалент электрической мощности.
На нагрев изделия расходуется около 50% тепловой мощно дуги, на нагрев электрода около 30% и в окружающую теряется примерно 20%. Таким образом, 75—85% всей мощности дуги расходуются на полезный нагрев и расплавление металл. При этом на катоде выделяется 30 ÷ 38%, на аноде — 42 — 43% от общего количества теплоты. Выделение тепловой энергии на электродах неодинаково, в связи с этим температура анода выше температуры катода.
Высокая температура электрической дуги и большая концентрация теплоты, выделяемой ею, позволяют почти мгновенно расплавлять небольшие объемы металлов изделия и электрода.В настоящее время в промышленности распространены следующие способы электродуговой сварки: ручная металлическими электродами со специальными покрытиями, автоматическая под плавленными и керамическими флюсами и сварка в среде защитных газов. Нанесенные покрытия на электроды, а также использование флюсов и защитных газов предотвращает контакт и взаимодействие расплавленного металла с окружающей атмосферой.
Дуговая сварка
При ручной сварке используются электроды с тонким или ионизирующим покрытием и с качественным покрытием. Покрытие первого типа повышает устойчивость горения дуги за счет улучшения ионизации дугового промежутка.
При сварке электродами с качественным покрытием создается газовая защита дугового промежутка, а образующийся жидкий шлак защищает сварочную ванну и переходящие в нее капли электродного металла. Дуговой промежуток насыщен парами и газами компонентов качественного покрытия (рис. 190, а).
При автоматической сварке под флюсом дуговой промежуток и жидкий металл изолированы от контакта с воздухом шлаковой оболочкой, засыпанной сверху слоем флюса значительной толщины (Рис. 190, б).
Рис. 190. Схемы процессов сварки: а — ручной: 1 — свариваемый металл; 2 — газовая защита; 3 — сварочная дуга; 4 — электрод; 5 — покрытие; 6 — капля; 7 — жидкий шлак; 8 — ванна; б — автоматической металл; 2 — присадочная проволока; 3 — сварочная дуга; 4 — флюс; 5 — ванна; 6 — жидкий флюс.
В сварочной ванне при сварке электродами с качественным покрытием или под флюсом протекают весьма сложные металлургические процессы. Специфичными условиями их протекания являются: малый объем ванны и большая скорость ее охлаждения; а также высокая температура на поверхности ванны.Способы дуговой сварки в среде защитных газов классифицируются в зависимости от состава газа, типа электродов и степени механизации.
По двум последним признакам дуговая сварка в среде защитных газов разделяется на ручную и механизированную сварку неплавящимся вольфрамовым электродом и полуавтоматическую и автоматическую плавящимся электродом. При ручной сварке неплавящимся электродом подача присадочной проволоки и движение горелки производятся сварщиком; при механизированной сварке неплавящимся электродом присадочная проволока подается механически, а движение горелки выполняется сварщиком; при автоматической сварке плавящимся электродом подача электродной проволоки и движение горелки осуществляются механически.
