С точки зрения сварки дуги бывают двух типов:, неподвижная, или стационарная, или фиксированная дуга, и подвижная, или движущаяся, или бегущая дуга. Фиксированная дуга образуется между неплавящимся электродом и заготовкой. Дуга может использоваться с наполнителем или без него. В первом случае отдельная проволока вводится в столб дуги и, таким образом, расплавляется для передачи в сварочную ванну под совместным действием силы тяжести, электромагнитных сил и механической силы, действующей на плазменную струю, в неподвижной дуге большая часть тепла уходит. к неплавящемуся электроду остается неиспользованным, и его, возможно, придется отводить охлаждающей водой или защитным газом.Таким образом, тепловой КПД такой дуги невелик и может составлять от 45 до 60%. Этот тип дуги наблюдается при сварке угольной дугой, газовой вольфрамовой дугой и плазменной дугой.

Подвижная дуга образуется между плавящимся электродом и заготовкой. По мере плавления присадочной проволоки расплавленный металл на кончике электрода отделяется под действием силы тяжести, электромагнитных сил, силы плазменной струи и пинч-эффекта. Однако удерживающая сила из-за поверхностного натяжения также действует на каплю.По мере плавления электрода дуга продолжает двигаться вверх по электроду. Подвижная дуга связана с такими процессами, как дуговая сварка в защитном металлическом корпусе, дуговая сварка металлическим электродом в газовой среде и дуговая сварка под флюсом.

Дуга, при которой расплавленный металл от кончика электрода проходит через него и становится частью сварочной ванны, называется «металлической дугой». Подвижная дуга — это металлическая дуга.

Большая часть тепла, поступающего на электрод в подвижной дуге, используется для плавления металла и, таким образом, используется эффективно.Таким образом, термический КПД процесса с использованием подвижной дуги высок и обычно составляет от 75 до 90%. Следовательно, сварочные процессы с использованием подвижной дуги термически более эффективны, чем процессы с использованием неподвижной или фиксированной дуги.

Дуговая сварка может выполняться на переменном или постоянном токе. Если используется переменный ток, полярность электродов не возникает, поскольку она меняется каждые полцикла. Однако, если используется постоянный ток, можно сделать электрод либо отрицательным, либо положительным.

На аноде выделяется больше тепла, поэтому во всех процессах, в которых используются неплавящиеся электроды, лучше подключать электрод к отрицательной клемме, чтобы минимизировать тепловые потери. Однако это может быть не всегда возможно, потому что иногда необходимо использовать очищающее действие подвижного катодного пятна для отделения прочного тугоплавкого оксидного слоя от металла, например, при сварке алюминия и магния.

В таких случаях предпочтительно использовать переменный ток, чтобы найти компромисс между термической эффективностью и очищающим действием.Таким образом, в процессах дуговой сварки вольфрамовым электродом и угольной дуговой сварки обычно используются источники переменного тока, когда обязательно требуется опора на обрабатываемую деталь. Когда такого принуждения нет, можно использовать dcen.

Однако для дуговой сварки экранированным металлом сварочный трансформатор переменного тока довольно популярен, и в то же время при тех же технических характеристиках он намного дешевле, чем сварочный электродвигатель-генератор постоянного тока или набор трансформатора с выпрямителем, необходимый для получения питания постоянного тока. Также при сварке на постоянном токе есть устройство смены дуги, которое может привести к неприглядному зигзагообразному сварному шву низкого качества.

Из-за регулярного прерывания дуги переменного тока не рекомендуется использовать неизолированную проволоку, например, при дуговой сварке металлическим электродом в газе. Однако для дуговой сварки защищенным металлом были разработаны соответствующие электродные покрытия, которые облегчают инициирование и поддержание сварочной дуги.

При использовании расходуемого электрода перенос металла от проволочного электрода к обрабатываемой детали является более равномерным, частым и более направленным, если электрод выполнен положительным. Поэтому DCEP или обратная полярность является популярной для GMAW, который также обеспечивает необходимое очищающее действие на металлах с прочным оксидным слоем, таких как алюминий.

Урок 1 — Основы дуговой сварки

Arc Voltage — обзор

6.03.3.6 Взаимосвязь напряжения дуги и длины дуги

Термины «напряжение дуги» и «длина дуги» часто используются как синонимы. Однако эти термины имеют разные коннотации, даже если они напрямую связаны. При использовании GMAW длина дуги является критически важной переменной, которую необходимо тщательно контролировать. Например, в режиме переноса металла методом струйной дуги (обсуждается ниже) с защитой аргоном слишком короткая дуга вызывает кратковременное короткое замыкание. Эти короткие замыкания вызывают колебания давления, нагнетая воздух в поток дуги, создавая пористость или охрупчивание из-за абсорбированного азота.При слишком короткой дуге наконечник электрода закорачивает сварочную ванну, вызывая нестабильность.

При слишком длинной дуге она имеет тенденцию колебаться и блуждать; влияет как на глубину проплавления, так и на профили поверхностных валиков и нарушает газовую защиту. В случае заглубленной дуги с экраном из углекислого газа длинная дуга приводит к незаглубленному состоянию и вызывает чрезмерное разбрызгивание и пористость.

AV зависит от длины дуги, состава и размеров электрода, защитного газа, техники сварки, удлинения электрода и даже длины сварочного кабеля, поскольку AV часто измеряется на источнике питания, а также от многих других переменные.Как показано на рисунке 13, AV представляет собой приблизительное средство выражения физической длины дуги в электрических единицах, даже несмотря на то, что измеренная AV также включает в себя падение напряжения на удлинении электрода за пределами контактного наконечника. Если все переменные остаются постоянными, AV напрямую зависит от длины дуги. Несмотря на то, что длина дуги является переменной и ее необходимо контролировать, напряжение легче контролировать. Поскольку в процедуре сварки требуется указать AV, обычно используется термин AV.

Рисунок 13.Номенклатура пистолетов для дуговой сварки.

Настройки AV различаются в зависимости от материала, защитного газа и режима переноса. Необходимы пробные запуски, чтобы отрегулировать AV для получения наиболее благоприятных характеристик дуги и внешнего вида сварного шва. Испытания необходимы, поскольку оптимальная AV зависит от толщины металла, типа соединения, положения сварки, размера электрода, состава защитного газа, типа сварного шва, а также ряда других факторов.При любом конкретном значении AV увеличение напряжения приводит к сглаживанию сварного шва и увеличению ширины зоны плавления. Чрезмерно высокое напряжение может вызвать пористость, разбрызгивание и подрезку. Снижение напряжения приводит к получению более узкого сварного шва с более высоким гребнем и более глубоким проплавлением. Чрезмерно низкое напряжение может привести к заглушке электрода, при котором электрод погружается в сварочную ванну, а затем затвердевает на месте из-за отсутствия тока короткого замыкания.От любого конкретного значения AV увеличение имеет тенденцию к сглаживанию сварного шва и увеличению ширины зоны плавления. Чрезмерно высокое напряжение может вызвать пористость, разбрызгивание и поднутрение. Снижение напряжения приводит к получению более узкого сварного шва с более высоким гребнем.

GMAW широко используется в производственных процессах на заводах для сварки различных черных и цветных металлов. Поскольку в нем используется сварочная проволока с непрерывной присадкой, а не сварочные стержни, он имеет значительное преимущество перед MMAW с точки зрения времени дуги при выполнении вручную. По той же причине он также поддается автоматизации дуговой сварки. Штыри электрода, оставшиеся после сварки штангой, также становятся отходами присадочного металла, поэтому использование электродного материала выше при GMAW. Другие особенности GMAW включают отсутствие необходимости в удалении шлака (поскольку в GMAW не используется флюс), поэтому можно достичь более высоких скоростей наплавки, чем SMAW, с хорошей универсальностью.

Электрическая дуга образуется в защитном газе между непрерывно подаваемым металлическим проволочным электродом и заготовкой, при этом ток подается на электрод, когда он проходит через медную контактную трубку.Детали горелки и области дуги для GMAW показаны на рисунке 13. В процессе GMAW диаметры электродов значительно меньше, чем в MMAW, так что энергия дуги очень сконцентрирована около оси, что дает характеристику глубокого проникновения. Его можно использовать как ручную, так и механизированную технику в ряде приложений, в зависимости от типа материала, толщины и положения сварки. Как правило, высокие скорости наплавки могут быть достигнуты за счет механизированной операции, при которой расходуемый электрод непрерывно подается в сварочную дугу.Состав защитного газа оказывает значительное влияние на характеристики процесса, форму сварных швов, разбрызгивание и механические свойства металла шва. GMAW с защитным газом CO ₂ широко используется для сварки низкоуглеродистых сталей общего назначения, где требуются хороший внешний вид поверхности, улучшенная устойчивость к изменению параметров сварки и хорошие характеристики ударной вязкости. При использовании смесей Ar / CO ₂ или Ar / CO ₂ / O ₂ увеличение стоимости компенсируется улучшенным внешним видом сварного шва.

Возможность использования типов дуги в промышленной сварке

Введение

Дуговая сварка — ключевой процесс в промышленном производстве (Naidu et al.2003), а газовая дуговая сварка (GMAW) обычно используется во многих обрабатывающих отраслях из-за своей основные преимущества, такие как регулируемые профили проплавления, гладкий валик, малое разбрызгивание и высокая скорость сварки (Kah et al. 2009). За последние два десятилетия GMAW стала основной технологией в индустрии роботизированной сварки (Chen and Wu 2009).Тип дуги является важным фактором во многих приложениях; однако явление дуги полностью не объяснено и проявляет неизвестные свойства и поведение.

Использование дуги соответствующего типа при сварке различных материалов с разной толщиной обеспечивает экономию средств, сокращает время производства и улучшает качество. В последнее время важной проблемой стало соединение тонких материалов и материалов, чувствительных к нагреванию. Лучшее понимание явлений дуги может помочь разработать и усовершенствовать интегрированный дизайн промышленных сварочных систем (Iordachescu and Quintino 2008).В связи с растущим разнообразием соединяемых материалов и множеством различных процессов дуговой сварки потребность в понимании различных типов процессов дуговой сварки становится как никогда актуальной. Кроме того, при управлении и изменении процесса сварки знание явления дуги упростит получение улучшенного качества сварных швов и надежных соединений (Eagar 1990a, b).

Это исследование дает краткое введение в характеристики дуги, обсуждает классификацию сварочных дуг, представляет сравнение дуг и обсуждает преимущества и недостатки различных дуг.Наконец, рассматриваются типы сварочных дуг и их роль в промышленном применении.

Характеристики дуги

Сварочную дугу можно рассматривать как проводник газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую (Найду и др., 2003). В исследовании Ланкастера (1984) сварочная дуга рассматривается как газообразное тело цилиндрической формы, ограниченное температурным градиентом. Одна из проблем, с которой обычно сталкивается сварочная промышленность, — это плохая стабильность дуги. Стабильность дуги и длина дуги влияют на характер переноса металла (Pal et al.2010). При стабильной дуге перенос металла происходит равномерно, а количество брызг минимально (Hermans and Ouden 1999). В ситуации стабильной дуги можно найти взаимосвязь между напряжением и током, показанную на Рисунке 1 (Ибрагим Хан 2007). График показывает, что дуга не подчиняется закону Ома. Кроме того, уменьшающаяся часть характеристики дуги является частью Айртона и характеризуется нестабильной дугой, в то время как часть Ома, увеличивающаяся область, применяется при сварке. Другие факторы, такие как атмосфера дуги, длина дуги и металлы, также влияют на наклон кривой.

Типичная характеристика дуги по сравнению с законом Ома (Ибрагим Хан 2007 г. ).

Дуговая плазма

Дуговая плазма представляет собой ионизированное состояние сварочного газа и представляет собой смесь почти равных количеств электронов и ионов. Плазма переносит ток дуги. Большую часть тока проводят электроны. В случае дуговой сварки электродом обычно считается катод, а заготовка — анод.Электроны выходят из электрода (т. Е. Отрицательного вывода) и направляются в заготовку (т. Е. Положительный вывод) (Найду и др., 2003). Чтобы определить влияние дуговой плазмы на сварочную ванну, необходимо учитывать четыре фактора: (i) тепловой поток, (ii) плотность тока, (iii) напряжение сдвига и (iv) давление дуги.

Существует прямая зависимость между увеличением теплового потока и плотности тока и глубиной сварочной ванны. Увеличение напряжения сдвига в расплавленной ванне способствует протеканию наружу потока в верхней части сварочной ванны, а увеличение давления дуги может привести к более вогнутой поверхности сварочной ванны (Мерфи и др.2009 г.). Однако давление дуги не влияет на плоскостность поверхности сварочной ванны при токе менее 200 А (Лин и Игар, 1985; Ван и Цай, 2001).

Температура дуги

Первоначально считалось, что температура сварочной дуги состоит из тепла плазмы дуги, но Кобайн и Бургер (1955) показали, что большая часть тепла, передаваемого на изделие от электрода, происходит от потока ток в металл. Позже это понимание было расширено Куигли и др.(1973), которые отметили, что только 20% тепла переносится за счет теплопроводности горячих газов, а 80% остается в электрическом токе. В зависимости от точной природы плазмы и силы тока, протекающего через нее, температура сварочной дуги варьируется от 5 000 до 30 000 К (Найду и др., 2003; Роберт и Месслер, 2004). В некоторых случаях мощность чрезвычайно высока, а температура может подниматься до 50 000 К (Найду и др. 2003).

На температуру плазмы влияют два важных фактора: конкретная плазма и ее плотность (Роберт и Месслер, 2004).При дуговой сварке однокомпонентным газом, которая используется в некоторых сварочных процессах, температура в GMAW ниже, поскольку расплавленные капли, пар и ионы металлов более концентрированы. На рис. 2 показано распределение температуры дуги при сварке алюминия методом GMA при 250 А. Как видно, центральная сердцевина дуги имеет самую высокую температуру, которая изменяется в зависимости от используемого защитного газа (Роберт и Месслер, 2004).

Распределение температуры дуги при сварке GMA алюминия при 250 А (Smårs and Acinger 1968 г. ).

Ток дуги

На процесс сварки влияет несколько факторов, таких как ток дуги, напряжение дуги, скорость перемещения горелки, присадочная проволока и частота вращения (Лу и др. 2009; Мун и др. 2006). При выборе этих параметров следует учитывать количество подводимого тепла и желаемое плавление (Мин и др. 2011). На режим дуги и, следовательно, на качество сварки сильно влияет сила тока (Ху и Цай, 2006). На глубину проплавления также существенно влияет ток дуги.При дуговой сварке металлическим газом увеличение тока дуги увеличивает проплавление шва. Однако повышенное проникновение в стык также увеличивает вероятность прожога и растрескивания при затвердевании. Эксперименты, проведенные Ху и Цай (2006), показали, что более высокий ток приводит к более высокой электромагнитной силе, которая заставляет каплю отделяться от электрода к сварочной ванне. Кроме того, при более высоком токе размер расплавленной капли меньше и частота появления капель выше.

Напряжение дуги

Напряжение дуги пропорционально длине дуги.Следовательно, напряжением дуги можно управлять, изменяя длину дуги (Найду и др., 2003). На рис. 3 показаны кривые напряжения дуги типичного источника питания на диаграмме сварочного тока и напряжения. Видно, что небольшое изменение напряжения приводит к очень большому изменению сварочного тока. Как следствие взаимосвязи между сварочным током и напряжением дуги, свойства и геометрия сварного шва могут быть предсказаны (Shoeb et al.2013): сварка высоким напряжением дает очень широкий валик с возможными поднутрениями и вогнутой формой, а сварка тоже низкое напряжение приводит к низкому качеству сварного шва.

Саморегулирование напряжения дуги (Найду и др. 2003 г. ).

Как видно из рисунка 3, напряжение значительно изменяется при небольшом изменении длины дуги, в то время как изменение тока незначительно. Следовательно, длина дуги больше влияет на напряжение, чем на сварочный ток. Длина дуги на этой диаграмме разделена на три части: длинную, среднюю и малую, которые представляют собой так называемые кривые источника напряжения.Соединение кривых CC и CV с кривой источника напряжения называется рабочей точкой источника питания и может изменяться в процессе сварки (Найду и др., 2003).

Проникновение дуги

Чтобы определить проникновение дуги, необходимо знать положение дуги, которое рассчитывается на основе таких параметров, как сварочное напряжение, сварочный ток и скорость подачи проволоки. Положение дуги определяется как сумма удлинения проволоки и длины дуги. На рисунке 4 эти параметры показаны для GMAW как L и L _a , соответственно.Расстояние между сварочной горелкой и заготовкой составляет H , а параметр P отображает глубину проплавления (Ивата и др. 2009a, b).

Параметры для прогнозирования положения дуги (Ивата и др. 2009a , б ).

На рис. 5 показана взаимосвязь между положением дуги и проплавлением при сварке плоских листов под флюсом.Подгоночная линия на графике показывает, что значения глубины проникновения дуги и положения дуги очень близки. Таким образом, связь такая, как и ожидалось (Ивата и др. 2009a, b).

Сравнение прогнозируемой и фактической глубины проникновения для ПАВ (Ивата и др. 2009a , б ).

Эффективность дуги

Эффективность дуги является важным фактором в процессах дуговой сварки и обычно объясняется как вклад тепла в металл, деленный на общую тепловую энергию дуги (Eagar 1990a).Другими словами, эффективность дуги измеряется как количество энергии дуги, подводимой к подложке (Дюпон и Мардер, 1995). Эффективность дуги влияет на скорость сварки и может варьироваться от 60% до 99% для различных сварочных процессов (Eagar 1990b). Важно знать эффективность дуги, чтобы измерить эффективность плавления, как экспериментально, так и с помощью моделей теплового потока (Dupont and Marder 1995). Параметры сварки (например, ток и напряжение) мало влияют на эффективность дуги для данного процесса, а эффективность процессов сварки неплавящимся электродом считается немного ниже, чем у процессов с плавящимися электродами (Kou 1987; Lancaster 1984).Подвод тепла можно рассчитать с использованием эффективности дуги по формуле, показанной в уравнении 1 (Gunaraj and Murugan, 2002):

$$ \ mathrm {Heat} \; \ mathrm {input} \ left (\ frac {\ mathrm {kJ}} {\ mathrm {cm}} \ right) = \ frac {\ mathrm {Arc} \; \ mathrm {Voltage} \ times \ mathrm {Arc} \; \ mathrm {current}} {\ mathrm {Welding} \; \ mathrm {скорость} \ times 1000} \ times \ mathrm {Arc} \; \ mathrm {эффективность} $$

(1)

Стабильность дуги

Стабильность дуги — еще одна важная характеристика дуговой сварки.На стабильность дуги влияют такие параметры, как мощность дуги, режим переноса металла и регулярность режима переноса металла (Ghosh et al. 2006). Брызги во время сварки — главный отрицательный результат плохой стабильности дуги; разбрызгивание приводит к потерям материала, увеличивает время очистки и снижает качество сварного шва (Suban and Tusek 2003).

Свойства идеальной и стабильной сварочной дуги следующие (Suban and Tusek 2003): (i) форма всего переносимого материала постоянна, (ii) длина дуги постоянна, и (iii) существует небольшое количество брызг или их полное отсутствие.

При сварке плавящимся электродом, например GMAW, стабильность дуги зависит от поведения корня дуги (Коста и др., 2010). Еще одним фактором стабильности дуги является смесь защитного газа. Стабильность дуги ниже в газовой смеси с повышенным содержанием углекислого газа (CO ₂ ). На рисунке 6 показано, что большая длина дуги и более тонкое изотермическое распределение — две характеристики смеси с низким содержанием диоксида углерода (Pires et al. 2007).

Распределение температуры для смесей: высокое (слева) и низкое (справа) содержание диоксида углерода. Для того же тока и напряжения I ₁ выше, чем I ₂ (Pires et al. 2007)

Дуговый разряд

Дуговый разряд — это явление, при котором дуга имеет тенденцию отделяться от точка сварки, как если бы дул сильный ветер (Найду и др., 2003). Причиной возникновения дуги является дисбаланс магнитного поля, окружающего заготовку (Gerbec 2009). Обычно это явление возникает в трех ситуациях: (i) направление тока изменяется, (ii) вокруг сварочной дуги есть магнитные материалы, и (iii) магнитные материалы находятся рядом с краем пластины (Naidu et al.2003 г.). Дуговая дуга обычно наблюдается только при высоких сварочных токах постоянного тока. Этого можно избежать, снизив уровень тока, используя сварочный ток переменного тока и размагничивая приспособление (Gerbec 2009). Напряжение дуги влияет на отклонение дуги, так что дуга с более низким напряжением короче и жестче и имеет лучшее сопротивление отклонению, чем дуга с более высоким напряжением дуги.

Как упоминалось ранее, тепловая энергия дуги создается за счет электрических реакций между анодом и катодом внутри плазмы.2 $$

(2)

В данной формуле и α , и β являются константами, l _s — удельное сопротивление электрода, α _ω — это площадь поперечного сечения проволоки, а I — сварочный ток (Найду и др., 2003).

Пинч-эффект

Дуга во всех проводниках, по которым проходит ток, окружена магнитным полем (Luksa 2006).При дуговой сварке площадь поперечного сечения плавящегося электрода меняется, а направление электромагнитной силы зависит от направления потока сварочного тока. Магнитное поле имеет силу, направленную к центру дуги, так называемую силу Лоренца. С увеличением силы тока увеличивается сила тока и радиальное сужение дуги из-за большей магнитной силы. Этот процесс называется пинч-эффектом (Дзельницки, 2000; Роберт, Месслер, 2004). Величина сжимающего усилия напрямую зависит от сварочного тока и диаметра проволоки и влияет на отрыв капли от сварного шва (Kasikci 2003).Пинч-эффект показан на Рисунке 7 (Надзам, 2006).

Пинч-эффект при КЗ (Надзам 2006 г. ).

Когда площадь поперечного сечения электрода увеличивается, сила Лоренца действует в том же направлении, что и ток. Уменьшение площади поперечного сечения электрода заставляет силу Лоренца действовать в направлении, обратном току.Сила Лоренца может действовать двумя способами, отделяя капли от наконечника электрода до сварочной ванны. Во-первых, если электрод положительный и размер капли больше диаметра проволочного электрода, магнитная сила разделяет каплю. Во-вторых, есть сужение или сужение. В этом случае магнитная сила действует в обоих направлениях от точки сужения (Роберт и Месслер, 2004).

Типы дуги

После первой классификации типов дуги в 1976 г. (Lancaster 1984) было предложено несколько дополнительных классификаций.Короткая дуга, шаровидная дуга и дуга со струйным переносом являются тремя основными классификациями типов дуги Американским сварочным обществом (AWS) (Iordachescu and Quintino 2008). Международный институт сварки (IIW) в 1984 г. разделил типы дуги струйного распыления на три категории: (i) капельное или спроецированное распыление, (ii) вращающееся распыление и (iii) струящееся распыление (Iordachescu and Quintino 2008; Lancaster 1986). ). Норриш (2003), а затем Пономарев и др. (2003) изменили эту категоризацию. Использование цифрового управления источниками питания привело ко многим улучшениям в управлении дугой, особенно при сварке короткими и импульсными дугами.Цифровое управление увеличивает скорость реакции инвертора источника питания, а использование сложного программного обеспечения позволяет напрямую влиять на дугу (Weman 2003; Iordachescu and Quintino 2008).

В таблице 1 обобщена попытка классификации переноса металла. Использование цифрового управления источниками питания привело ко многим улучшениям в управлении дугой, особенно при сварке короткими и импульсными дугами. Цифровое управление увеличивает скорость реакции инвертора источника питания, а использование сложного программного обеспечения позволяет напрямую влиять на дугу (Weman 2003; Iordachescu and Quintino 2008).Текущая классификация дуги IIW показана в таблице 2. Таблица также включает пример процесса сварки и доминирующую силу для каждого типа режима переноса (Iordachescu and Quintino 2008; Robert and Messler 2004).

Различные факторы побудили усилия по классификации дуги и переноса металла, в том числе необходимость лучшего понимания процесса, чтобы иметь возможность лучше исследовать и контролировать его.Лучшая классификация позволила различить дугу по капельному переносу. Таким образом, в зависимости от стабильности дуги может происходить желательный (например, перемычка, распыление) или нежелательный (например, отталкивающийся, взрывной) перенос металла.

При мостовом переносе расплавленный металл растет, пока не коснется сварочной ванны. Возникает короткое замыкание и повышается ток; таким образом, сужение и разрыв отделяют каплю. При переносе в полете нет контакта между электродной проволокой и сварочной ванной (Li and Zhang 2007).Если размер капель, оторвавшихся от электрода до расплавленной сварочной ванны, меньше диаметра электродной проволоки, то в дуговом режиме проецируется режим распыления. Если расплавленный металл от электрода вращается, это называется вращающейся струей дуги. Спроецированное распыление в основном называется распылительной дугой для упрощения терминологии (Роберт и Месслер, 2004). Характеристики, которые обычно типичны для проецируемой струйной дуги, — это устойчивый отрыв, малое разбрызгивание, постоянный размер капли и прямой перенос капель. Следовательно, этот режим дуги предпочтителен при обычном GMAW (Li and Zhang 2007).

Режимы дуги связаны с напряжением дуги и уровнем тока. Изменяя эти два параметра, можно изменять режимы дуги. При небольшом токе капля не образуется, пока не коснется сварочной ванны; этот режим дуги представляет собой так называемую короткую дугу. Режим дуги меняется на шаровую дугу, когда ток увеличивается так, что создается небольшая электромагнитная сила (Wang et al. 2004). В шаровой дуге диаметр капли больше, чем у электрода, и капля образуется под действием силы тяжести.При дальнейшем увеличении тока тип дуги меняется на спроецированную дугу с разбрызгиванием, затем на струящуюся дугу и, наконец, на вращающуюся дугу (Li and Zhang 2007). Различные типы дуг могут быть показаны на диаграммах напряжения и тока дуги.

В качестве иллюстрации влияния тока, напряжения и состава защитного газа Иордакеску и Кинтино на заседании Международного института электротехники в 2003 г. классифицировали типы дуги на основе «естественных режимов переноса». Однако сегодня из-за использования более развитых контроллеров естественные режимы передачи уже не используются так часто (Iordachescu and Quintino 2008).На рисунке 8 из исследования Пономарева показан тип дуги в зависимости от тока, напряжения и защитного газа (Пономарев и др., 2003).

IIW классификация переноса металла, отображаемая на диаграмме напряжения дуги и сварочного тока (Пономарев и др. 2003 г. ).

Переходный ток был важной темой в типе дуги при сварке GMA.Он устанавливает предел между шаровой дугой и дугой со струйным переносом и определяет рабочие условия процесса сварки, как было предложено Пономаревым и др. (2003) на рисунке 8. Согласно Иордакеску и Квинтино (2008), может быть второй ток перехода между короткой дугой и шаровидной дугой, как показано на рисунке 9. Цель предложения — охватить как обычную, так и проецируемую струю. .

Основные режимы передачи. Диаграмма U (I) на основе классификации Иордакеску и Кинтино (2008).

В дополнение ко второй линии переходного тока исследование Иордакеску и Квинтино (2008) предложило новую классификацию режима переноса дуги в GMAW в зависимости от тока, напряжения и защитного газа: короткое замыкание, глобулярная капля, шаровидный отталкивающий, капельный, струйный и вращающийся режимы переноса. Рисунок 9 иллюстрирует эту классификацию дуг в GMAW (Иордакеску и Квинтино, 2008). На рисунке показаны контролируемый, основной и переходный режимы на той же диаграмме, и каждая часть разделена зонами переходного тока.Первый переходный ток разделяет контролируемую и основную моды, а второй переходный ток разделяет области спрея и глобулярной основной группы. Кроме того, режим дуги меняется с увеличением сварочного тока и напряжения дуги. На рисунке показано, что электрический ток при переносе короткой дуги ниже, чем в других типах дуг, и что вращающийся перенос требует большого тока.

В таблице 3 показан режим переноса типа дуги из классификации стандартов DIN для сварки GMA (Iordachescu and Quintino 2008).Размер капель и режим переноса металла также названы для каждого типа дуги. Знание типа дуги и соответствующего режима переноса уменьшается, если игнорировать их соответствующее применение. Важность соответствующих приложений возрастает с разработкой нового термочувствительного металла (Matusiak and Pfeifer 2011).

Сравнение различных типов дуги: преимущества и недостатки

В этом разделе дается сравнение типов сварочной дуги.Список сварочной дуги состоит из естественного и контролируемого типов. В таблице 4 представлена ​​сравнительная таблица основных свойств типов дуги. В зависимости от типа дуги и свойств дуги в таблице указаны характеристики для промышленного применения. Можно заметить, что традиционная управляющая дуга демонстрирует более низкую стабильность дуги и, как следствие, низкую производительность с точки зрения качества сварки. Кроме того, работа невозможна во всех положениях, кроме короткой дуги. Управляемая дуга обеспечивает более высокую скорость наплавки и лучшую стабильность.Вследствие повышения устойчивости увеличивается производительность. Экономия самая высокая, но оборудование немного дороже. Уровень разбрызгивания выше при неконтролируемой шаровидной дуге; однако регулируемая короткая дуга может обеспечить сварку практически без брызг. Подвод тепла сводится к минимуму с помощью регулируемой короткой дуги, но дуга с более высокой скоростью наплавки требует достаточного подводимого тепла. Управление нацелено на ограничение неожиданного короткого замыкания дуги, работа стабильна, а затраты на экономию значительно улучшаются.Слабость шаровой дуги может быть успешно уменьшена за счет управления скрытой дугой, проплавление увеличивается, а разбрызгивание подавляется. Импульсное управление — наиболее стабильная дуга с большим диапазоном тока; следовательно, можно сваривать более толстый профиль и более широкий диапазон металла.

Применение различных типов дуги

Правильный выбор типа дуги может снизить риск появления дефектов сварки и повысить производительность.В этом разделе обсуждаются применения дугового типа. Обсуждение начинается с естественной дуги, затем следует управляемая дуга. Обсуждение основано на сравнительной характеристике из таблицы 4 относительно их применения, а в таблице 5 представлены типы дуги и их применения.

Короткая дуга

Короткая дуга подходит для приложений, требующих низкого тепловложения, и позволяет соединять тонкие материалы и листы в любом положении.Это хороший выбор, когда необходимо минимизировать деформацию конструкции. Он подходит для сварных швов с канавками в качестве корневого прохода или для заполнения зазоров стыков, а также для корневого прохода сварных швов с открытыми канавками и сварных швов с плоскими кромками. Режим короткой дуги широко используется в трубной промышленности и очень применим для корневых швов труб. Его можно использовать с углеродистой сталью со 100% защитным газом из двуокиси углерода или смесью максимум 25% CO ₂ и остальным аргоном. Режим короткой дуги также применим к низкоуглеродистой стали, низколегированной стали и нержавеющей стали с толщиной от 0.5 и 2,6 мм. Однако он не может выполнять сварку алюминия (Deruntz 2003). Хотя обычная короткая дуга используется во многих приложениях, ее использование ограничено из-за высокого потенциального чрезмерного образования брызг, образования дыма, отсутствия плавления, меньшей перекрываемости зазора и нестабильности дуги (Hermans and Ouden 1999; Jenkins et al. 2005). Плохая производительность обычной короткой дуги является результатом ограниченной способности источника питания управлять каждой последовательностью режима короткого замыкания металла (Lyttle and Praxair 1990; Althouse et al.2004; Laren 2004; Goecke 2005a, b; Джеффус и Бауэр 2010). Вследствие этого ограничения обычная короткая дуга постепенно заменяется управляемой короткой дугой при корневом проходе при сварке листового металла.

Шаровая дуга

Режим шаровидной дуги имеет мало применений из-за множества недостатков. Из-за размера капли (больше диаметра электрода) она может неожиданно коснуться сварочной ванны и вызвать короткое замыкание. Корень дуги очень подвижен, поэтому силы дуги имеют тенденцию перемещать каплю неравномерно, что вызывает высокий уровень разбрызгивания и нестабильность сварного шва.Кроме того, расплавленный металл не ускоряется по направлению к сварочной ванне, что приводит к неглубокому и широкому сварному шву. Крупные капли отделяются на низких частотах (<10 Гц), что снижает производительность. Следовательно, режим глобальной дуги ограничивается сварными соединениями низкого качества, сваренными в плоском положении сварки или вертикальном положении вниз (Kou 2003; Xu and Wu 2007). Наиболее подходящее применение для шаровидной дуги - это сварка тонких материалов при очень малых токах. Хотя его также можно использовать с более высоким током, это неэффективно.Он подходит для GMAW стали (Althouse et al. 2004; Jeffus and Bower 2010).

Распылительная дуга

Распылительная дуга требуется для более толстого сечения, чем короткая дуга. Он очень подходит, когда требуется высокая скорость наплавки и когда требуется глубокое проплавление для сварки массивных основных материалов, которые могут выдерживать большое количество тепла. Большая сварочная ванна затрудняет сварку в вертикальном или потолочном положении, особенно в случае простой углеродистой стали и нержавеющей стали. При соединении сталей ток перехода можно варьировать в большей степени, чем при сварке алюминиевых сплавов.Распылительная дуга может использоваться практически со всеми распространенными сплавами, содержащими алюминий, а также с никелевыми сплавами, медными сплавами, нержавеющими сталями, магнием и углеродистыми сталями (Lyttle and Praxair 1990; Althouse et al. 2004; Robert and Messler 2004; Goecke 2005a, b). ; Джеффус и Бауэр 2010). Несмотря на преимущества традиционной струйной дуги, нестабильность дуги и неупорядоченный перенос металла ограничивают ее применение. В режиме струйной дуги ток и напряжение почти постоянны, что приводит к случайному размеру и частоте капель (Hutt and Lucas 1982).Следовательно, образуется большое количество дыма, брызг и тепла. Недостаточный контроль может отрицательно сказаться на качестве сварки. Следует также отметить, что защитный газ на основе аргона, используемый для создания дуги с распылением, дороже, чем CO ₂ . Ввиду этих недостатков струйная дуга не подходит для алюминия, конструкционной стали, стали с покрытием и высокопрочных сталей.

Управляемая дуга короткого замыкания

Эти типы дуги относятся к категории режимов с управляемой формой волны.Отделение капель во время короткого замыкания контролируется таким образом, чтобы уменьшить образование брызг и дыма и повысить производительность (Stava 1993; Goecke 2005a, b; Huisman 2000). Эти дуги продаются на коммерческом рынке под разными торговыми названиями: перенос холодного металла (CMT): (FRONIUS International GmbH), ColdArc: (EWM Hightec Welding GmbH), перенос поверхностного натяжения (STT): (Lincoln Electric), холодный процесс (CP). : (CLOOS), FastRoot (KEMPPI), Регулируемое осаждение металлов (RMD): (Miller Electric Mfg) и т. Д.Pépe et al. (2011) исследовали эффективность управляемого GMAW. Результаты показали, что для STT, Fast root и CMT эффективность составляет около 85%. Управляемая короткая дуга может использоваться практически во всех положениях сварки, с почти всеми видами металлических материалов и с разной толщиной. Контролируемая короткая дуга применяется для соединения тонких листов, соединения металлических листов из нержавеющей стали с цинковым и непокрытым покрытием, а также соединения алюминиевых сплавов. Также возможна сварка очень тонких металлических листов из углеродистой стали, высоколегированной стали, низколегированной стали и алюминия (Deruntz 2003).В настоящее время толщина материалов, используемых в автомобильной промышленности, становится ниже 0,3 мм, и процесс GMAW с короткой дугой больше не подходит. Другими применениями управляемой короткой дуги являются роботизированная сварка GMAW и пайка листов сверхлегкой толщины как в ручном, так и в автоматическом режимах в любом положении. Можно сваривать разнородные материалы, такие как алюминий и сталь, сталь и магний, а также магниевые сплавы (Rosado et al. 2008; Srinivasan and Balasubramanian 2011; Matusiak and Pfeifer 2011).Хотя управление короткой дугой обеспечивает большую гибкость приложений, для этого требуются усовершенствованный источник питания, а иногда и специальные горелки.

Управляемая шаровая дуга

В этом режиме дуга используется в диапазоне тока шаровидной дуги, но с короткой длиной дуги. Это позволяет дуге работать под поверхностью сварочной ванны (так называемая «скрытая дуга») и использовать давление дуги экранированного CO ₂ для улавливания брызг. По данным Nishiguchi et al.(1975), метод сварки в скрытой дуге позволяет достичь более высоких скоростей сварки и скорости осаждения присадочного металла, чем шаровая дуга. Скорость сварки может достигать 2540 мм / мин, а очистка минимальна (Lienert et al. 2011). Stol et al. (2006) изучали использование GMAW с заглубленной дугой для сварных швов. Подход со скрытой дугой имеет большой потенциал для использования в автомобильной, железнодорожной и морской отраслях для сварки узлов. Примером применения является сварка краев и сторон алюминиевых деталей в качестве альтернативы GMAW.Режим управляемой шаровидной дуги можно использовать для угловых или шовных сварных швов внахлестку, тройников и стыковых соединений с квадратной канавкой. Он подходит для механизированной сварки тонких материалов на высоких скоростях и может использоваться при полностью механизированной или автоматической газовой дуговой сварке металла. Он также используется при сварке цилиндров из труб. Скрытая дуга может использоваться в автомобилях при стыковой сварке кузова и полуавтоматической сварке рамы и кузова (Kielhorn et al. 2001; Aoki et al. 2003; Kah et al. 2013).

Управляемая струйная дуга

Для управления подводом тепла и уменьшения образования брызг и дыма были разработаны источники питания, способные выпускать одну каплю в течение последовательности дуги и импульсов. В дуге используется постоянный ток (например, импульсный GMAW) или переменный ток (например, AC-GMAW) с различными формами волны тока. Импульсная дуга может использоваться во всех положениях сварки и с любой толщиной основного материала как в ручных, так и в автоматических сварочных системах. Сварка вне положения также возможна из-за уровня тока ниже среднего.Из-за низкого тепловложения этот режим подходит для заполнения зазоров. Он широко используется в GMAW алюминия (Kah et al. 2012). Этот метод подходит для сварки всех стандартных и высокоэффективных марок нержавеющей стали, когда используются присадочные металлы на основе никеля или нержавеющей стали. Высоколегированные стали также можно сваривать импульсной дугой. Супераустенитная нержавеющая сталь демонстрирует лучшие механические и металлургические свойства с оптимизированными параметрами при сварке GMA по сравнению с традиционной напылением (Sathiya et al.2012). Импульсная дуговая сварка находит применение в судостроении, например, при сварке вне положения высокопрочных низколегированных базовых материалов при изготовлении корпусов судов. Преимущества импульсной дуги в судостроении заключаются в том, что ее электродный КПД выше по сравнению с дуговой сваркой с флюсовым сердечником (FCAW), и она может обеспечивать меньшее количество водородных отложений при сварке швов (Lyttle and Praxair 1990; Knopp and Lorenz 2002; Althouse et al. 2004; Ларен 2004; Уэяма и др. 2005; Лебедев 2010; Торбати и др. 2011; Ка и др.2013).

Дуга повышенной мощности

Перенос металла потоком и вращением происходит в более высоких диапазонах мощности. Вращение расплавленного металла является результатом более длинного вылета электрода (от 25 до 35 мм) и более высоких значений тока и напряжения, из-за которых струя металла отклоняется от оси симметрии и начинает вращаться под действием магнитных сил. Хотя стыковая сварка является наиболее типичным применением сварки в режиме вращающейся дуги, вращающуюся дугу также можно использовать при сварке в узкий зазор. Этим методом можно сваривать толстые толстые листы.Благодаря гибкости, эффективности и производительности этого режима, его можно использовать при производстве больших и тяжелых конструктивных деталей (Church and Imaizumi 1990). Хотя Черч и Имаидзуми (1990) сообщают, что этот процесс требует четвертичной защиты (He-Ni-CO ₂ и O ₂ ), что допускает очень ограниченные допуски, Субан и Тусек (2003) указали, что двоичный защитный газ (аргон и CO ₂ ) может дать удовлетворительные результаты при оптимальных параметрах сварки.Полное использование его потенциала происходит в полностью механизированных процедурах (Masseti 2010). Крупномасштабные детали мостов, тяжелое машиностроение, судостроение и тяжелые цилиндрические конструкции — вот лишь некоторые примеры его применения. Новая разработка вращающейся дуги, вращение которой происходит не за счет магнитного эффекта, а благодаря специальным маленьким вращающимся горелкам, позволяет применять режим вращающейся дуги для угловой сварки в судостроении, на мостах и ​​т.д. Пластины из углеродистой стали (Ивата и др.2009а, б; Ян и др. 2009; Christensen et al. 2005).

Том XXII: Процессы дуговой сварки

СОСУДЫ ДЛЯ ДАВЛЕНИЯ ASME

Цель данной презентации — представить основную информацию и понимание правил ASME для проектирования сосудов под давлением для химической и перерабатывающей промышленности, применимых в Соединенных Штатах и ​​большей части Северной и Южной Америки.

Процессы дуговой сварки

Основы дуговой сварки

Дуговая сварка — это один из нескольких способов соединения металлов плавлением.Под воздействием сильного тепла металл на стыке между двумя частями расплавляется и смешивается — непосредственно или, что более часто, с промежуточным расплавленным присадочным металлом. После охлаждения и затвердевания образуется металлургическая связь. Поскольку соединение происходит путем смешивания вещества одной части с веществом другой части, с промежуточным соединением из аналогичного вещества или без него, окончательная сварка может продемонстрировать на стыке те же прочностные свойства, что и металл деталей. .

При дуговой сварке сильное тепло, необходимое для плавления металла, вырабатывается электрической дугой. Дуга образуется между свариваемым изделием и электродом, который вручную или механически перемещают вдоль стыка (или изделие может перемещаться под неподвижным электродом). Электродом может быть углеродный или вольфрамовый стержень, единственная цель которого — проводить ток и поддерживать электрическую дугу между его наконечником и заготовкой. Или это может быть специально подготовленный стержень или проволока, которая не только проводит ток и поддерживает дугу, но также плавит и подает присадочный металл к стыку.Если электрод представляет собой углеродный или вольфрамовый стержень и в соединение требуется добавленный присадочный металл для заполнения, этот металл подается с помощью отдельно нанесенного стержня или проволоки из присадочного металла. Однако большая часть сварки при производстве стальных изделий, где требуется присадочный металл, выполняется с использованием электродов второго типа — тех, которые подают присадочный металл, а также обеспечивают проводник для электрического тока.

Базовая сварочная цепь

Базовая схема дуговой сварки показана на рисунке 1.Источник переменного или постоянного тока подключается заземляющим кабелем к заготовке и «горячим» кабелем к электрододержателю того же типа, который обеспечивает электрический контакт со сварочным электродом. Когда цепь находится под напряжением и кончик электрода касается заземленной заготовки, а затем извлекается и удерживается близко к пятну контакта, в зазоре возникает дуга. Дуга создает температуру около 6500oF (3600oC) на кончике электрода, температуру более чем достаточную для плавления большинства металлов.Вырабатываемое тепло плавит основной металл вблизи дуги и любой присадочный металл, подаваемый электродом или отдельно введенным стержнем или проволокой. Образуется обычная лужа расплавленного металла, называемая «кратером». Этот кратер затвердевает за электродом по мере его перемещения по свариваемому стыку. В результате получается соединение плавлением и металлургическая унификация деталей.

Дуговое экранирование

Однако использование тепла электрической дуги для соединения металлов требует большего, чем просто перемещение электрода относительно сварного шва.Металлы при высоких температурах химически реагируют с основными составляющими воздуха — кислородом и азотом. Если металл в ванне расплава вступит в контакт с воздухом, будут образовываться оксиды и нитриды, которые после затвердевания ванны расплава будут нарушать прочностные свойства сварного соединения. По этой причине различные процессы дуговой сварки предоставляют некоторые средства для покрытия дуги и ванны расплава защитным экраном из газа, пара или шлака. Это называется защитой от дуги, и такая защита может быть достигнута с помощью различных технологий, таких как парогенерирующее покрытие на электродах из присадочного металла, покрытие дуги и ванны расплава отдельно подаваемым инертным газом или гранулированный флюс или использование материалов в сердечнике трубчатых электродов, которые генерируют защитные пары.

На рис. 2 показана защита сварочной дуги и сварочной ванны с помощью покрытого «стержневого» электрода — типа электрода, используемого в большинстве случаев ручной дуговой сварки. Экструдированное покрытие стержня присадочного металла под воздействием тепла дуги создает газовый экран, который предотвращает контакт воздуха с расплавленным металлом. Он также поставляет ингредиенты, которые вступают в реакцию с вредными веществами на металлах, такими как оксиды и соли, и химически связывает эти вещества в шлак, который, будучи легче металла сварного шва, поднимается в верхнюю часть ванны и покрывает новую корку. затвердевший металл.Этот шлак даже после застывания выполняет защитную функцию; он сводит к минимуму контакт очень горячего затвердевшего металла с воздухом до тех пор, пока температура не снизится до точки, при которой реакция металла с воздухом уменьшится.

Проектирование дуговой сварки

Проектирование сварных соединений

Нагрузки в сварной стальной конструкции передаются от одного элемента к другому через сварные швы, расположенные в сварных соединениях. И тип соединения, и тип сварного шва определяет проектировщик.

На рисунках 3 и 4 показаны типы соединений и сварных швов. Указание соединения само по себе не описывает тип используемого сварного шва. Таким образом, для выполнения стыкового соединения показано десять типов сварных швов. Хотя здесь все сварные швы, кроме двух, показаны с стыковыми соединениями, некоторые из них могут использоваться с другими типами соединений. Таким образом, сварной шов с одной кромкой можно также использовать в Т- или угловом соединении, а сварной шов с одной V-образной кромкой можно использовать в угловом, Т-образном или стыковом соединении.

Соединения угловым сварным швом

Угловой шов, не требующий подготовки канавки, является одним из наиболее часто используемых сварных швов при проектировании машин.Различные угловые сварные швы показаны на рисунке 5.

Угловое соединение, как в (A), сложно собрать, потому что ни одна пластина не может опираться на другую. Необходимо использовать небольшой электрод с низким сварочным током, чтобы не прожечь первый сварочный проход. Стык требует большого количества металла.

Угловое соединение, показанное на (B), легко монтируется, не прогорает и требует вдвое меньше сварочного металла, чем соединение на (A). Однако, используя половину размера сварного шва, но размещая два сварных шва, один снаружи, а другой внутри, как в (C), можно получить такую ​​же общую ширину сварного шва, как и при первом сварном шве.Необходимо использовать только половину сварочного металла.

Для толстых пластин часто используется соединение с пазом с частичным проплавлением, как в (D). Это требует снятия фаски. Для более глубокого стыка можно использовать J-образную препарировку, как в (E), а не скос.

Угловой шов в (E) не виден и создает аккуратный и экономичный угол.

Размер сварных швов всегда должен определяться с учетом размера более тонкого элемента. Соединение невозможно сделать более прочным, используя более толстый элемент, соответствующий размеру сварного шва, и потребуется гораздо больше металла сварного шва.

Комбинация канавки и галтели

Для многих соединений используется комбинация сварного шва с частичным проплавлением и углового шва. Угловые швы легко накладываются и не требуют специальной подготовки листа. Их можно изготавливать с использованием электродов большого диаметра с высокими сварочными токами и, как следствие, высокой скоростью наплавки. Стоимость сварных швов увеличивается пропорционально квадрату размера ноги.

Для сравнения, сварной шов с двойной косой кромкой имеет примерно половину площади сварного шва, чем угловой шов.Однако это требует дополнительной подготовки и использования электродов меньшего диаметра с меньшими сварочными токами, чтобы выполнить начальный проход без прожига. По мере увеличения толщины пластины эта начальная область низкого осаждения становится менее важным фактором, а более высокий фактор стоимости уменьшается.

Соединения с пазами

На рис. 6 показано, что корневое отверстие — это разделение между соединяемыми элементами. Корневое отверстие используется для доступа электрода к основанию или корню сустава.Чем меньше угол скоса, тем больше должно быть отверстие в корне, чтобы обеспечить хорошее соединение в корне. Если отверстие в корне слишком мало, сплавление корня получить труднее, и необходимо использовать электроды меньшего размера, что замедляет процесс сварки. Если корневое отверстие слишком велико, качество сварного шва не ухудшается, но требуется больше металла сварного шва; это увеличивает стоимость сварки и ведет к увеличению деформации.

Использование соединения с двумя пазами вместо соединения с одним пазом сокращает объем сварки вдвое.Это уменьшает деформацию и делает возможным чередование сварных швов на каждой стороне соединения, что опять же снижает деформацию. Опорные полосы используются на больших корневых отверстиях и являются обычным явлением, когда все сварочные работы должны выполняться с одной стороны или когда корневое отверстие слишком велико. Иногда подпорные планки остаются на месте и становятся неотъемлемой частью стыка.

Материал опорной полосы должен соответствовать основному металлу. Следует использовать короткие прерывистые прихваточные швы, чтобы удерживать опорную полосу на месте, и их желательно расположить в шахматном порядке, чтобы уменьшить любое первоначальное ограничение соединения.Опорная полоса должна плотно прилегать к обоим краям пластины, чтобы избежать захвата шлака у основания.

Для стыкового соединения номинальное усиление сварного шва (примерно на 1/16 дюйма выше заподлицо) — это все, что необходимо, как показано на рисунке. Дополнительный нарост не имеет смысла и увеличивает стоимость сварного шва. Следует следить за тем, чтобы ширина и высота арматуры были минимальными. См. Рисунок 7.

Коды и спецификации

Общественная безопасность участвует в проектировании и изготовлении трубопроводов и сосудов под давлением, и для минимизации опасности катастрофического отказа или даже преждевременного отказа разработаны документы, регулирующие их проектирование и строительство.Эти документы называются спецификациями, кодами, стандартами и правилами. Иногда термины используются как синонимы.

Коды и спецификации обычно разрабатываются промышленными группами, торговыми или профессиональными организациями или правительственными бюро, и каждый код или спецификация касается приложений, относящихся конкретно к интересам органа-автора. Крупные производственные организации могут подготовить свои собственные спецификации для удовлетворения своих конкретных потребностей. Среди основных национальных организаций, составляющих кодексы, связанные с дуговой сваркой, можно выделить следующие:

• Американское общество сварки (AWS)
• Американский институт стальных конструкций (AISC)
• Американское общество по испытанию материалов (ASTM)
• Американское общество инженеров-механиков (ASME)
• Американский институт нефти (API)

Конструкция сварных котлов и сосудов под давлением регулируется нормами и спецификациями, которые, среди прочего, описывают допустимые материалы, размер, конфигурацию, эксплуатационные ограничения, требования к изготовлению, термообработке, проверкам и испытаниям.Эти правила также определяют требования к квалификации сварщиков и операторов. Многочисленные государственные, городские и местные правительственные учреждения также издают правила, регулирующие сосуды под давлением. Обычно применяемые коды:

• Код ASME для котлов и сосудов под давлением
Коды API
• • Общие технические условия для постройки военно-морских судов
• Морские инженерные правила и спецификации материалов
• Правила ABS для строительства и классификации стальных судов
• Стандарты TEMA
• Правила и положения Ллойда

Расходные материалы и оборудование

Электроды

Электроды для дуговой сварки имеют маркировку A.Система нумерации W.S (Американское сварочное общество), размеры от 1/16 «до 5/16». Примером может служить сварочный стержень, обозначенный как электрод E6011 1/8 дюйма. Диаметр электрода составляет 1/8 дюйма. Буква «E» обозначает электрод для дуговой сварки. Затем на электроде будет выбито 4- или 5-значное число. Первые два числа из 4-значного числа и первые 3 цифры из 5-значного числа указывают минимальную прочность на растяжение (в тысячах фунтов на квадратный дюйм) сварного шва, которую будет производить стержень без напряжения.Примеры будут следующими:

E60xx будет иметь предел прочности на разрыв 60 000 фунтов на квадратный дюйм. E110XX будет иметь предел прочности на разрыв 110 000 фунтов на квадратный дюйм. Предпоследняя цифра указывает положение, в котором можно использовать электрод.

1. EXX1X для использования во всех положениях
2. EXX2X предназначен для использования в горизонтальном и горизонтальном положениях
3. EXX3X для плоской сварки

Последние две цифры вместе указывают тип покрытия на электроде и сварочный ток, при котором электрод может использоваться.Например, прямой постоянный ток, (DC -) постоянный ток, обратный (DC +) или переменный ток.Чем толще свариваемый материал, тем выше требуемый ток и тем больше требуется электрод.

Сварочное оборудование

Поскольку существует несколько основных процессов дуговой сварки и различные этапы механизации в каждом, сварочное оборудование, помимо источника питания, включает в себя множество механизмов и устройств, облегчающих укладку сварного шва. На рисунке 1 проиллюстрирована основная сварочная схема.В этой схеме находится источник питания, от которого идут кабели в одном направлении к работе, а в другом — к электроду, на конце которого зажигается дуга. По обе стороны от источника питания — вплоть до рабочего места или электрода, подающего дугу, — расположены другие элементы оборудования, необходимые для выполнения сварки. Это оборудование будет отличаться в зависимости от процесса сварки и степени его механизации. Основное оборудование:

• Сварочный кабель
• Держатель электрода
• Заземление
• Полуавтоматический пистолет и устройство подачи проволоки
• Механизированные передвижные блоки
• Головки для полуавтоматической сварки
• Оборудование для дугового нагрева
• Защитное снаряжение

Дуговый процесс под флюсом

Дуговая сварка под флюсом (SAW) — это высокопроизводительный автоматический метод сварки, при котором дуга зажигается под покровным слоем флюса.Это повышает качество дуги, поскольку загрязняющие вещества в атмосфере блокируются флюсом. Шлак, образующийся на сварном шве, обычно снимается сам по себе, и в сочетании с использованием непрерывной подачи проволоки скорость наплавки высока. Рабочие условия значительно улучшаются по сравнению с другими процессами дуговой сварки, поскольку флюс скрывает дугу и не образуется дыма. Этот процесс обычно используется в промышленности, особенно для крупногабаритных изделий. Поскольку дуга не видна, требуется полная автоматизация. Сварка в рабочем положении невозможна с помощью SAW.

Процесс газовой дуговой сварки металлов

Газовая дуговая сварка металла (GMAW) — это полуавтоматический или автоматический процесс сварки, в котором используется непрерывная подача проволоки в качестве электрода и инертный или полуинертный защитный газ для защиты сварного шва от загрязнения. Использование инертного газа в качестве защиты называется сваркой в ​​среде инертного газа (MIG). Источник постоянного напряжения постоянного тока чаще всего используется с GMAW, но могут использоваться системы постоянного тока, а также переменного тока.Скорость сварки GMAW относительно высока из-за автоматической подачи непрерывного электрода, но она менее универсальна, поскольку требует большего количества оборудования, чем более простой процесс SMAW. Первоначально разработанный для сварки алюминия и других цветных металлов в 1940-х годах, GMAW вскоре стал применяться для стали, поскольку он позволял сократить время сварки по сравнению с другими сварочными процессами. Сегодня GMAW широко используется в таких отраслях, как автомобильная промышленность, где его предпочитают из-за своей универсальности и скорости.Однако, поскольку в нем используется защитный газ, он редко используется на открытом воздухе или в местах с нестабильностью воздуха.

Процесс порошковой порошковой самозащиты

В процессе, связанном с GMAW, дуговой сваркой порошковой проволокой (FCAW) используется аналогичное оборудование, но с использованием проволоки, состоящей из стальной электродной трубки, окружающей порошковый наполнитель. Эта порошковая проволока дороже стандартной сплошной проволоки и выделяет дополнительный защитный газ и / или шлак, но обеспечивает более высокую скорость сварки и большее проникновение металла.

Процессы газо-вольфрамовой дуговой сварки

Газовая дуговая сварка тунстена (GTAW) или сварка вольфрамовым инертным газом (TIG) — это процесс ручной сварки, в котором используется неплавящийся электрод, сделанный из тунстена, смеси инертного или полуинертного газа и отдельного присадочного материала. Этот метод особенно полезен для сварки тонких материалов, он характеризуется стабильной дугой и высококачественными сварными швами, но требует значительных навыков оператора и может выполняться только на относительно низких скоростях.Его можно использовать практически для всех свариваемых металлов, хотя чаще всего применяется для нержавеющей стали и легких металлов. Его часто используют, когда качество сварных швов чрезвычайно важно, например, в велосипедах, самолетах и ​​на море. В родственном процессе, плазменной сварке, также используется вольфрамовый электрод, но для создания дуги используется плазменный газ. Дуга более концентрированная, чем дуга GTAW, что делает поперечный контроль более критичным и, таким образом, в целом ограничивает технику механизированным процессом. Благодаря стабильному току этот метод может использоваться для материалов с более широким диапазоном толщины, чем процесс GTAW, и работает намного быстрее.Его можно применять ко всем тем же материалам, что и GTAW, за исключением магния; Автоматическая сварка нержавеющей стали — одно из важных применений этого процесса. Разновидностью процесса является плазменная резка, эффективный процесс резки стали.

Контроль качества

Качество сварки

В производственной сварке термин «качество сварного шва» является относительным. Как правило, любой сварной шов является хорошим сварным швом, если он соответствует требованиям к внешнему виду и будет бесконечно долго выполнять свою работу, для которой был предназначен.

Первым шагом в обеспечении качества сварки является определение степени, требуемой приложением. Стандарт должен быть установлен на основе потребностей в обслуживании. Технические характеристики будут основным фактором при разработке стандарта, но внешний вид также может иметь значение. В стандарт обязательно должен быть включен коэффициент безопасности, но он должен быть разумным. После того, как стандарт установлен, ответственность за его соблюдение возлагается на всех, кто занимается работой.

Что касается низкого качества, то предопределенный стандарт качества никогда не должен нарушаться. С другой стороны, нет никаких возражений против дополнительного качества, при условии, что оно было получено без штрафных санкций. Если испытания неоднократно показывают, что качество сварных швов намного выше, чем требуется стандартом, возможно снижение затрат за счет изменения конструкции или процедур сварки.

Часто стандарты предварительно устанавливаются действующими спецификациями или инженерными и юридическими кодексами.Иногда такие стандарты ультраконсервативны, но когда они применяются, их необходимо соблюдать. Инженер может оказать своей компании или заказчику услугу, указав нереалистичные спецификации и возможности экономии средств, но спецификации должны строго соблюдаться до тех пор, пока они не будут пересмотрены.

Пять P, обеспечивающих качество

Если уделить внимание пяти «П», качество сварных швов будет обеспечиваться почти автоматически, что сводит последующий контроль к проверке маршрута и контролю.Пять P:

1. Выбор процесса — процесс должен подходить для работы
2. Подготовка — конфигурация стыка должна быть правильной и совместимой с процессом сварки
3. Процедуры — для обеспечения однородных результатов процедура должна быть подробно описана и строго соблюдаться во время сварки
4. Предварительные испытания — с помощью полномасштабных макетов или смоделированных образцов доказано, что процесс и процедуры обеспечивают требуемый стандарт качества
5. Персонал — на работу должны быть назначены квалифицированные специалисты

Инспекция и испытания

Визуальный осмотр в процессе работы

Визуальный осмотр следует начинать до зажигания первой дуги.Необходимо проверить материал, чтобы убедиться, что он соответствует требованиям по качеству, типу, размеру, чистоте и отсутствию дефектов. Следует удалить посторонние предметы, которые могут повредить сварной шов. Соединяемые детали необходимо проверить на прямолинейность, плоскостность и размеры. Выравнивание и сборка деталей и приспособлений должны быть тщательно проверены. Следует проверить совместную подготовку. Осмотр перед сваркой также должен включать в себя проверку того, что используются правильный процесс и процедуры.

Если предварительные требования в порядке, наиболее продуктивный контроль будет проводиться во время изготовления сварной детали. Осмотр сварного шва и кратера на конце может выявить недостатки качества, такие как трещины, недостаточное проплавление, газовые и шлаковые включения, перед компетентным инспектором. В случае простых сварных швов, осмотр образца в начале операции и периодически по мере выполнения работы может быть адекватным. Однако, когда наносится более одного слоя присадочного металла, может быть желательно проверить каждый слой перед нанесением следующего слоя.

Визуальный контроль после сварки

Визуальный осмотр после завершения сварки также полезен для оценки качества, даже если будут использоваться радиографические, ультразвуковые или другие методы. Здесь могут быть обнаружены дефекты поверхности, такие как трещины, пористость и незаполненные кратеры, которые могут иметь такие последствия, что потребуется ремонт или работа будет отклонена без использования последующих процедур проверки.

На этом этапе визуально обнаруживаются отклонения размеров от допусков, коробление и дефекты.Протяженность и непрерывность сварного шва, его размер и длину сегментов прерывистых сварных швов можно легко измерить или отметить.

Сварные швы необходимо очистить от шлака, чтобы можно было проверить наличие поверхностных дефектов. Стекло с увеличением до 10 диаметров помогает обнаружить мелкие трещины и другие дефекты. При подготовке сварного шва к проверке не следует использовать дробеструйную очистку, так как упрочнение может закрыть мелкие трещины и сделать их невидимыми.

Другие методы проверки кратко описаны ниже:

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОСМОТР

Может быть ручным или механизированным.На зонд подается импульс электрической энергии, в котором пьезоэлектрический кристалл преобразует его в механические колебания с ультразвуковой частотой. Вибрации передаются (через слой смазки, чтобы исключить воздух) через работу. Если они сталкиваются с дефектом, некоторые из них отражаются обратно в зонд, где они регенерируют электрический сигнал. Трасса электронно-лучевой трубки, запускаемая при отправке исходного сигнала, отображает отраженный сигнал дефекта, и по нему можно рассчитать время, указывающее расстояние от зонда, и амплитуду, указывающее размер дефекта.

Ультразвуковой контроль можно использовать для большинства металлов, за исключением тех, которые имеют крупнозернистую или изменяющуюся зернистую структуру. Типичные сварочные работы — это сварка швов в толстостенных сосудах и сварка с доступом только с одной стороны.

Преимущества ультразвукового контроля:

• Немедленное представление результатов.
• Нет необходимости в эвакуации персонала.
• Может работать от аккумулятора.
• Глубина дефекта.

Ограничения ультразвукового контроля:

• Требуется обученный и опытный оператор.
• Нет записи с изображениями.

ИНСПЕКЦИЯ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ

Может быть ручным или механизированным. Работа намагничивается либо путем пропускания тока через нее, либо через окружающую ее катушку. Дефекты на поверхности или рядом с ней нарушают магнитное поле (если они не параллельны ему). Применяется жидкая суспензия магнитных частиц, которая концентрируется вокруг дефектов. Работа просматривается либо непосредственно, либо в ультрафиолетовом свете с использованием флуоресцирующего красителя — i.е. излучает видимый свет (это необходимо делать при приглушенном обычном освещении). После тестирования при необходимости работу можно размагнитить.

Магнитопорошковый контроль может использоваться только для магнитных материалов, включая ферритные стали и некоторые никелевые сплавы. Типичные области применения сварки — это быстрый контроль сварных деталей конструкции и контроль производительности мелких компонентов.

Преимущества магнитопорошкового контроля:

• Прямая индикация места дефекта.
• Первичный осмотр неквалифицированной рабочей силой.
• Некоторое указание на подповерхностные дефекты, но с низкой чувствительностью.
• Критически не зависит от состояния поверхности.

Ограничения магнитопорошкового контроля:

• Не используется для немагнитных материалов.
• Обнаружение дефектов критически зависит от выравнивания по магнитному полю.
• Подземные дефекты требуют специальных процедур.

ГАММА-РАДИОГРАФИЯ

Гамма-лучи, похожие на рентгеновские лучи, но с меньшей длиной волны, непрерывно испускаются изотопом.Его нельзя «выключить», поэтому, когда он не используется, он хранится в тяжелом контейнере для хранения, который поглощает радиацию. Они проходят через работу для проверки. Части работы, представляющие меньшее препятствие для гамма-излучения, такие как полости или включения, позволяют увеличить экспозицию пленки. Пленка проявляется так, чтобы сформировать рентгенограмму с полостями или включениями, обозначенными более темными изображениями. Увеличение толщины сечения (например, сварного шва) выглядит как менее плотное изображение.

Большинство свариваемых материалов можно проверить с помощью гамма-радиографии.Типичные сварочные работы — это инспекция на месте и панорамная съемка для небольших работ.

Преимущества, ограничения, расходные материалы и безопасность как при рентгенографии.

РЕНТГЕНОВСКАЯ РАДИОГРАФИЯ

Рентгеновские лучи излучаются из трубки и проходят через исследуемый объект. Части работы, представляющие меньшее препятствие для рентгеновских лучей, такие как полости или включения, позволяют увеличить экспонирование пленки. Пленка проявляется так, чтобы сформировать рентгенограмму с полостями или включениями, обозначенными более темными изображениями.Увеличение толщины сечения (например, под сварным швом) выглядит как менее плотное изображение.

Можно проверить большинство свариваемых материалов. Типичными сварочными операциями являются трубопроводы и сосуды под давлением.

Преимущества рентгенографии:

• Точное графическое представление результатов.
• Рентгенограммы могут храниться постоянно.
• Не ограничивается сварными швами.

Ограничения рентгенографии:

• Персонал не должен находиться в зоне воздействия во время воздействия.
• Трещины, параллельные пленке, могут не проявляться.
• Пленка дорогая.

ПРОВЕРКА КРАСИТЕЛЯ

Может быть ручным или механизированным. На поверхность исследуемого изделия наносится специальный краситель. Подходящий временной интервал позволяет ему впитаться в любые дефекты поверхности. Затем поверхность освобождается от излишков красителя, и краситель в трещине выявляется либо путем нанесения белого порошкового проявителя, в который впитывается краситель с получением цветовой индикации, либо путем освещения ультрафиолетовым светом, под которым краситель флуоресцирует, то есть , излучает видимый свет.Это необходимо делать там, где обычное освещение приглушено.

Контроль проникновения красителя может проводиться на любом непористом материале. Типичные сварочные работы — это корневые участки в стыковых швах труб и пути утечки в контейнерах.

Преимущества дефектоскопии красителя:

• Низкая стоимость.
• Прямая индикация местоположения дефекта.
• Первичный осмотр неквалифицированным работником.

Ограничения проверки на проникновение красителя:

• Обнаружены только дефекты поверхности.
• Дефекты не могут быть легко устранены из-за захваченного красителя.
• Черновые сварные швы дают ложные показания.

Источники:

1. Руководство по дуговой сварке — Lincoln Electric Company

Эта статья представлена ​​вам как услуга от компании BOARDMAN, LLC, расположенной в Оклахома-Сити, штат Оклахома.

С 1910 года Boardman является уважаемым производителем нестандартных изделий. Мы гордимся своей способностью выполнять самые строгие спецификации и требования, чтобы предоставить нашим клиентам высококачественные решения.Имея более 75 лет инженерного опыта ASME Section VIII, Division I, мы обладаем уникальной способностью предоставлять индивидуальные решения нашим клиентам.

Сфабрикованные проекты включают:

• Башни и колонны с лотками
• Сосуды под давлением ASME
• Молекулярные сита
• Ротационные сушилки и печи
• Цистерны API
• Кислотные отстойники
• Стопы, скрубберы
• Термические окислители
• Аккумуляторы, конденсаторы
• Кристаллизаторы
• Воздуховоды
• Бункеры
• Трубопровод большого диаметра

Размеры этих проектов составляют до 200 футов в длину, 350 тонн, 16 футов в диаметре и 4 дюйма в толщину.

BOARDMAN, LLC доступен для посещения магазинов и классов по изготовлению сосудов высокого давления и статического оборудования.

Пожалуйста, свяжитесь с: John W. Smith, P.E.

Технический менеджер

[email protected]

405-601-3367

нажмите здесь, чтобы Запросить цитату

(PDF) Влияние состава защитного газа на свойства дуги при сварке TIG

Влияние состава защитного газа на свойства дуги

при сварке TIG

M.Tanaka *

1

, S. Tashiro

1

, T. Satoh

2

, AB Murphy

3

и JJ Lowke

3

Влияние состава защитного газа на свойства дугового газа включая температуру, напряжение, тепло

, поток и напряжение сдвига на аноде, а также глубину сварного шва, на которую указывает максимальная температура

анода с водяным охлаждением. Установлено, что добавление гелия, водорода

и азота к аргону увеличивает температуру дуги и анода.Для гелия это

из-за более низкой электропроводности; в других случаях это связано с более высокой удельной теплоемкостью.

Ключевые слова: дуговая сварка, коэффициенты переноса, газовые смеси, моделирование, термическая плазма

Введение

Свойства сварочной дуги вольфрамовым инертным газом (TIG)

и сварных швов, выполненных с использованием дуги, значительно

зависит от выбора защитного газа. В то время как аргон

остается наиболее широко используемым газом из-за его инертности

и относительно низкой стоимости, тепловой поток к аноду в аргоновых дугах невелик

.По этой причине также используются гелий и смеси аргона

с гелием, водородом и азотом.

Недавно было предложено использование экранированной дуги CO

2

.

1,2

В то время как дуговая сварка моделировалась в течение многих лет,

в большинстве ранних работ обрабатывалась только дуга

3,4

или только сварной шов

бассейн

5,6

. Унифицированные модели дуги и электродов

были разработаны сравнительно недавно.

7–11

Разработана двумерная численная модель

сварки TIG,

, включая электроды. В частности, в

учитываются плавление и потоки жидкости в заготовке

(анод при сварке TIG),

позволяет рассчитать глубину сварного шва.

12

Авторы

также разработали компьютерный код и базу данных, которые

позволяют рассчитывать термодинамические свойства

и транспортные коэффициенты всех стандартных сварочных газов

и любых смесей этих газов.

13

В данной статье авторы используют эти возможности

для исследования влияния состава защитного газа

на свойства дуги при сварке TIG,

, включая напряжение дуги, температуру и поля потока, и

Плотность теплового потока, напряжение сдвига и температура на заготовке

. Они сравнивают эти свойства для дуг в

аргоне, гелии, азоте, водороде и смесях

аргона с водородом, гелием и азотом, а

исследуют, какие термодинамические свойства и портовые коэффициенты трансмиссии

ответственны за изменения в arc и

параметров детали для разных газов.

Методы

Расчет термодинамических и транспортных

свойств плазмы требует знания состава

. Это было вычислено в предположении локального термодинамического равновесия (LTE) с использованием метода минимизации

свободной энергии Гиббса. Требуемые термодинамические данные

были рассчитаны на основе спектроскопических данных

, например, данных, приведенных в таблице Мура,

14

или взятых

из таблиц JANAF.

15

Были рассмотрены следующие разновидности

: Ar, Ar

z

, Ar

2z

и Ar

3z

для аргона; N

2

,

N

2

z

, N, N

—

, N

z

, N

2z

и N

2

, H

2

z

,

H, H

—

и H

z

для водорода; и He, He

z

и He

2z

для гелия, а также электрон во всех случаях.Состав плазмы

определялся методом минимизации свободной энергии Гиббса

.

16

Термодинамические свойства, такие как энтальпия и удельная теплоемкость

, были рассчитаны с использованием стандартных методов.

16

Коэффициенты переноса были рассчитаны с использованием метода

Чепмена – Энскога решения уравнения Больцмана

.

17,18

Вязкость была рассчитана до первого уровня приближения

(где уровень приближения

— это количество членов, используемых в конечном полиномиальном разложении Sonine

, которое является основой метода Чепмена). —

метод Энскога).Теплопроводность была записана как

как сумма трех компонентов, то есть поступательной,

внутренней и реакционной теплопроводности соответственно.

Поступательная теплопроводность из-за переноса поступательной энергии

делится на

вкладов тяжелых частиц (ионов, атомов и

молекул) и электронов. Первый рассчитывается до

второго уровня приближения, а второй — до

третьего порядка, используя метод разделения тяжелых

частиц и электронов, разработанный Devoto.

19

Внутренняя теплопроводность

, обусловленная переносом

внутренней энергии, рассчитывается на втором уровне приближения

, а теплопроводность реакции

, обусловленная высвобождением энтальпии реакции, когда частицы

рекомбинируют после диффузии из области с более высокой температурой

в более низкую, рассчитывается с использованием выражений

Батлера и Брокоу.

20,21

Электропроводность

была рассчитана в третьем порядке приближения,

без учета вклада ионов, как описано в

Devoto.

19

Расчет транспортных коэффициентов

потребовал определения интегралов столкновений для

взаимодействий между всеми видами, перечисленными выше.

22–25

1

JWRI Осакский университет, Осака, Япония

2

Taiyo Nippon Sanso Corp., Яманаси, Япония

3

CSIRO Industrial Physics, Сидней, Австралия Электронная почта для корреспонденции

Автор для корреспонденции [email protected]

ß

2008 Институт материалов, минералов и горного дела

Опубликовано Мани от имени института

Получено 11 августа 2007 г .; принята к печати 5 декабря 2007 г.

DOI 1 0.1179 / 174329308X283929

Наука и технология сварки и соединения 2008 VOL 13 NO 3 225

Электрическая дуга — свойства дуги — газ, ионы, ток и электроны