Vývoj svařování elektrickým obloukem
Historie obloukového svařování
První praktická aplikace Duha v elektrickém svařování kovů získané teprve v roce 1882, kdy N.N.Benardos vytvořil v Petrohradě «Metodu spojování a oddělování kovů přímým působením elektrického proudu», kterou nazval «elektrohephaestus».
Podle závěru akademiků N. S. Kurnakova, O. D. Khvolsona a dalších je podstatou této metody to, že zpracovávaný předmět je připojen k jednomu a uhlí k druhému pólu elektrického zdroje a oblouk napětí vzniklý mezi zpracovávaným předmětem a uhlí vytváří akci podobnou té, kterou vytváří plamen hořáku, když se kov zahřívá a taví. Do držáku se vloží speciální uhlíková nebo jiná vodivá elektroda a oblouk se podepře rukou.
V letech 1888 - 1890 zdokonalil způsob využití tepla elektrického oblouku pro svařování kovů důlní inženýr N.G.Slavjanov, který nahradil uhlíkovou elektrodu výhradně kovovou a vyvinul poloautomatické zařízení pro napájení kovové elektrody při jejím hoření a udržování oblouku, které nazval „tavič“.
Podstata způsobů svařování elektrickým obloukem, vytvořený jako výsledek práce talentovaných inženýrů-vynálezců N.N.Benardose a N.G.Slavjanova, zůstává dodnes nezměněn a lze jej charakterizovat takto: elektrický oblouk vytvořený mezi elektrodou a připojenými částmi výrobku taví základní materiál výrobek svým teplem roztaví elektrodu přiváděnou do zóny obloukového plamene – výplňový materiál, který ve formě kapek roztaveného kovu vyplní spoj a spojí se se základním kovem výrobku. V tomto případě je celkový vývin tepla oblouku regulován volbou vhodného režimu, jehož hlavním parametrem je proud.
V praktické aplikaci byla a jsou prováděna četná vylepšení metod, která nemění podstatu procesů, ale zvyšují jejich praktickou hodnotu. Vývoj vytvořených metod svařování jde ruku v ruce s rozvojem energetických základů svařovací techniky ve směru zvyšování kvality a produktivity svařování.
Hlavní podmínky, které přispěly k tomuto vývoji, byly:
-
zajištění stabilního provozu oblouku;
-
získání odpovídající kvality a pevnosti spojení.
První podmínka byla splněna vytvořením zdrojů energie s charakteristikami určenými vlastnostmi elektrického oblouku v podmínkách svařování.
Oblouk, jako hlavní zdroj ohřevu a spotřebitel energie při svařování, se vyznačuje dynamickým zatížením, při kterém se v časovém intervalu měřeném v setinkách sekundy objevují prudké změny elektrického režimu v obvodu oblouku.
Tavení elektrody a přenos kovu z elektrody na obrobek způsobuje prudké kolísání délky oblouku a opakované zkraty zdroje energie oblouku (až 30x za sekundu) ve velmi krátkých intervalech. V tomto případě proud a napětí nezůstávají konstantní, ale mají okamžité změny z určité hodnoty na maximum a naopak.
Takové náhlé změny zatížení narušují rovnovážný stav systému elektrického oblouku — aktuální zdroj… Aby oblouk hořel dlouhou dobu při určité hodnotě proudu, aniž by zhasl a nepřecházel do jiných forem elektrického výboje, je nutné, aby zdroj proudu napájející oblouk rychle reagoval na změny, ke kterým dochází v režimu oblouku a zajišťuje jeho stabilní provoz.
Na počátku vývoje techniky elektrického svařování to bylo provedeno pomocí zabudovaných předřadných odporů pro omezení proudu a následného zklidnění oblouku v hlavním obvodu elektrických strojů. Následně vznikají speciální zdroje proudu s pádovou charakteristikou a nízkou magnetickou setrvačností, které plně splňují požadavky vyplývající z vlastností svařovacího oblouku.
Souběžně s rozvojem elektrosvařovací techniky probíhají studie, které umožňují stanovit hlavní parametry statických charakteristik oblouku v podmínkách svařování a studovat optimální podmínky a hlavní elektrické parametry zdrojů energie a jejich vliv na stabilita a kontinuita hoření oblouku při svařování.
V dalším období byla na základě výzkumu statiky a dynamiky procesu na elektrických svařovacích strojích vypracována klasifikace systémů a aparátů svařovacích strojů a vytvořena jednotná zobecněná teorie svařovacích strojů.
Charakteristika procesu obloukového svařování
Proces svařování elektrickým obloukem je velmi složitý komplex fyzikálních, chemických a elektrických jevů, které se vyskytují nepřetržitě ve všech fázích v extrémně krátkých časových úsecích. Ve srovnání s konvenčními metalurgickými procesy tavení kovů je proces svařování odlišný:
-
malý objem lázně s roztaveným kovem;
-
vysoké teploty ohřevu kovu, které při vysokých rychlostech a lokálním ohřevu vede k vysokým teplotním gradientům:
-
neoddělitelné spojení mezi aplikovaným kovem a základním kovem, přičemž druhý kov je jakoby formou pro první.
Zahřátý a roztavený kov v malé objemové svarové lázni je tedy obklopen významnou hmotou základního kovu s nižší teplotou. Tato okolnost samozřejmě určuje vysoké rychlosti ohřevu a ochlazování kovu a v důsledku toho určuje povahu a směr reakcí probíhajících ve svarové lázni.
Při průchodu obloukovou mezerou je roztavený přídavný kov vystaven atmosféře oblouku při velmi vysokých teplotách, což vede k oxidaci kovu a absorpci plynů z něj a je pozorována aktivace inertních plynů (hlavně dusíku). oblouku, jehož aktivita je v konvenčních metalurgických procesech zanedbatelná.
Roztavený kov ve svarové lázni je také vystaven obloukové atmosféře, kde probíhají fyzikálně-chemické reakce mezi kovem, jeho nečistotami a jím absorbovanými plyny. V důsledku těchto jevů má vyloučený svarový kov zvýšený obsah kyslíku a dusíku, což, jak známo, snižuje mechanické vlastnosti kovu.
Když kov přechází do oblouku a zůstává v roztaveném stavu v místě nečistoty v železe, hoří i legující přísady, což také zhoršuje mechanické vlastnosti kovu. Plyny vznikající při spalování nečistot, stejně jako plyny rozpuštěné v kovu při tuhnutí roztaveného kovu, mohou vést k tvorbě dutin a pórů v usazeném kovu.
Procesy probíhající při svařování tak znesnadňují získání vysoce kvalitního svarového kovu. Ukázalo se, že tyto obtíže byly takové, že bez zvláštních opatření nebylo možné získat svar s charakteristikami blízkými vlastnostem svarového kovu, který je hlavním ukazatelem kvality svařování.
Zlepšení technologie obloukového svařování
Hlavním opatřením, které zvýšilo kvalitu a pevnost kovových spojů u stávajících metod obloukového svařování, bylo použití speciálních povlaků — povlaků na elektrodách.
V počátečním období bylo funkcí takových povlaků-potahů usnadnit zapálení a zvýšit stabilitu oblouku díky jejich ionizačnímu účinku. Později, s vývojem silných nebo kvalitních povlaků, jejichž funkcí je kromě zvýšení stability oblouku zlepšit chemické složení a strukturu nanášeného kovu, dochází k výraznému zvýšení kvality svařování. pozorováno.
Vývoj speciálních povlaků na elektrodách umožnil v posledních letech rozšířit používání základních metod svařování a řezání kovů pod vodou. V tomto případě je účelem povlaků na elektrodách také (vzhledem k jejich pomalejšímu hoření než u elektrody) udržet ochranný štít kolem oblouku a vytvořit bublinu, ve které oblouk hoří s plyny uvolňovanými při hoření povlaků. .
Současně se zlepšením kvality svarového spoje je pozorováno zvýšení produktivity svařování, kterého se při ručním svařování dosahuje zvýšením výkonu svařovacího oblouku při současném zvětšení průměru kovové elektrody. Výrazné zvýšení výkonu a zvětšení velikosti elektrod vedlo k nahrazení ručního svařování automatickým.
Největší potíže v automatickém svařování představovala problematika elektrodových povlaků-povlaků, bez kterých je vysoce kvalitní svařování za moderních požadavků téměř nemožné.
Úspěšným řešením bylo přivádět povlak drceného granulovaného tavidla nikoli k elektrodě, ale k základnímu kovu.V tomto případě oblouk hoří pod vrstvou tavidla, díky čemuž se teplo oblouku využívá efektivněji a šev je chráněn před působením vzduchu. Tento doplněk byl vylepšením procesu svařování základní kovovou elektrodou, který výrazně zvýšil produktivitu a zlepšil kvalitu svaru.
Schopnost řídit tepelný stav spojovaných kovů pomocí moderních zdrojů energie pro svařovací oblouk umožňuje realizovat všechny přechodné formy procesu spojování od plastického až po tekutý, roztavený stav materiálů. Tato okolnost otevírá nové možnosti pro vzájemné spojování nejen různých kovů, ale i nekovových materiálů.
Se zdokonalováním technologických procesů svařování se zvyšuje pevnost a spolehlivost svařovaných konstrukcí. V počátečním období, kdy se svařovací proces prováděl výhradně ručně, se při všech typech restaurátorských a opravárenských prací používalo svařování elektrickým obloukem.
Význam svařování elektrickým obloukem jako jednoho z hlavních a pokročilých technologických procesů v současnosti je nepopiratelný. Zkušenosti s využitím svařování v různých průmyslových odvětvích jednoznačně prokázaly, že tento způsob zpracování kovů umožňuje nejen šetřit kov (25 — 50 %), ale také výrazně urychlit výrobu prací všech typů kovových konstrukcí.
Rozvoj mechanizace a automatizace procesu, zaměřený na neustálé zvyšování produktivity v kombinaci se stálým zvyšováním kvality a pevnosti svařování, dále rozšiřuje rozsah jeho použití.V současné době je svařování elektrickým obloukem vedoucím technologickým postupem při výrobě všech typů kovových konstrukcí pracujících při statickém i dynamickém zatížení při nízkých i vysokých teplotách.
Další zajímavé a užitečné články o elektrickém svařování: