Svařování elektrickým obloukem | Obloukové svařování
Fenomén elektrického obloukového výboje a možnost využití obloukového tepla k tavení kovů objevil a studoval v roce 1802 akademik Vasilij Vladimirovič Petrov.
V roce 1882 ruský inženýr Nikolaj Nikolajevič Benardos navrhl použití elektrického oblouku pro svařování kovů. Podstata této metody (obr. 188, a) je následující: elektrický oblouk 7 je vybuzen a hoří mezi uhlíkovou elektrodou 3 a produktem 1. Uhlíková elektroda je upevněna v držáku 4 a oblouk je napájen proudem z generátoru 5. Pod vlivem tepla oblouku se kov taví; Uhlíková elektroda se téměř nespotřebovává. Když se svarová lázeň ochladí a vykrystalizuje, vznikne svar, který spojí obě části 1. Někdy, zejména při svařování tlustého kovu, se do lázně přidává tzv. přídavný kov, pro který se průběžně přivádí kovová tyč nebo drát 2 oblouk.
Rýže. 188. Svařovací vzory: a – podle Benardosovy metody; b – podle Slavyanovovy metody
V roce 1886 ruský inženýr Nikolaj Gavrilovič Slavyanov vyvinul novou metodu – svařování kovovou elektrodou (obr. 188, b). Podstatou této metody je, že oblouk hoří mezi kovovou elektrodou 2 a výrobkem 1. V tomto případě je spotřebovávaná kovová elektroda také přídavným kovem.
Elektrický svařovací oblouk je silný elektrický výboj ve vysoce ionizovaném prostředí sestávající z kladných a záporných iontů a volných elektronů. Obloukový výboj je charakterizován uvolňováním velkého množství tepla a světla. Teplota svařovacího oblouku dosahuje 6000°C. Oblouk se skládá ze tří oblastí – katody, anody a sloupcového oblouku.
Pro regulaci pohybu volných elektronů v kovu a elektronů, které se uvolňují na zahřátém povrchu katody, se vytváří elektrické pole aplikací příslušného rozdílu potenciálů na obloukovou mezeru.
Elektrony pohybující se v obloukové mezeře interagují s neutrálními molekulami par a plynů a rozdělují je na ionty a elektrony. Diagram pohybu elektronu je na obr. 189. Elektron 1 dopadající z konce žhavené katody 2 (elektroda – kov nebo uhlík) prochází katodovým prostorem s vysokou intenzitou pole směrem k anodě 3. Na dráze elektronu atom (molekula) plynu nebo se atom nějaké jiné látky může setkat (například pára kovu) a interagovat s ní. V důsledku toho je neutrální částice ionizována.
Obr. 189. Schéma procesu ionizace obloukové mezery.
Tepelný výkon oblouku lze vypočítat pomocí vzorce:
q = 0,24 U d ? I d cal/s,
kde U d je pokles napětí na oblouku ve voltech; I d – proud, v ampérech; 0,24 – tepelný ekvivalent elektrického výkonu.
Asi 50 % výkonného tepelného oblouku se spotřebuje na ohřev produktu, asi 30 % na ohřev elektrody a asi 20 % se ztrácí do okolního prostředí. 75-85 % celkového výkonu oblouku je tedy vynaloženo na užitečné zahřívání a tavení kovu. V tomto případě se na katodě uvolňuje 30–38 % a na anodě 42–43 % celkového tepla. Uvolňování tepelné energie na elektrodách není stejné, a proto je teplota anody vyšší než teplota katody.
Vysoká teplota elektrického oblouku a vysoká koncentrace jím generovaného tepla umožňuje téměř okamžitě roztavit malé objemy kovů výrobku a elektrody V současné době jsou v průmyslu běžné tyto způsoby svařování elektrickým obloukem: ruční s kovové elektrody se speciálními povlaky, automatické s tavenými a keramickými tavidly a svařování s prostředím ochranného plynu. Povlaky nanesené na elektrody, stejně jako použití tavidel a ochranných plynů, zabraňují kontaktu a interakci roztaveného kovu s okolní atmosférou.
Obloukové svařování
Při ručním svařování se používají elektrody s tenkým nebo ionizujícím povlakem a s vysoce kvalitním povlakem. První typ povlaku zvyšuje stabilitu oblouku zlepšením ionizace obloukové mezery.
Při svařování elektrodami s vysoce kvalitním povlakem vzniká plynová ochrana obloukové mezery a vzniklá tekutá struska chrání svarovou lázeň a kapky elektrodového kovu do ní procházející. Oblouková mezera je nasycena parami a plyny složek vysoce kvalitního povlaku (obr. 190, a).
Při automatickém svařování pod tavidlem jsou oblouková mezera a tekutý kov izolovány od kontaktu se vzduchem pomocí struskové skořápky pokryté vrstvou tavidla značné tloušťky nahoře (obr. 190, b).
Rýže. 190. Schémata svařovacích procesů: a – ruční: 1 – svařovaný kov; 2 – ochrana proti plynu; 3 – svařovací oblouk; 4 – elektroda; 5 – povlak; 6 – pokles; 7 – tekutá struska; 8 – vana; b – automatický kov; 2 – plnicí drát; 3 – svařovací oblouk; 4 – tavidlo; 5 – vana; 6 – tekuté tavidlo.
Při svařování elektrodami s kvalitním povlakem nebo pod tavidlem probíhají ve svarové lázni velmi složité metalurgické procesy. Specifické podmínky pro jejich výskyt jsou: malý objem lázně a vysoká rychlost ochlazování; stejně jako vysoká teplota na povrchu lázně Metody obloukového svařování v prostředí ochranného plynu jsou klasifikovány v závislosti na složení plynu, typu elektrod a stupni mechanizace.
Podle posledních dvou charakteristik se obloukové svařování v ochranné atmosféře dělí na ruční a mechanizované svařování netavitelnou wolframovou elektrodou a poloautomatické a automatické stavnou elektrodou. Při ručním svařování netavitelnou elektrodou zajišťuje přívod přídavného drátu a pohyb hořáku svářeč; při mechanizovaném svařování netavitelnou elektrodou je přídavný drát přiváděn mechanicky a pohyb hořáku provádí svářeč; Při automatickém svařování stavnou elektrodou se přívod elektrodového drátu a pohyb hořáku provádí mechanicky.