Sviluppo della saldatura ad arco elettrico
Storia della saldatura ad arco
Prima applicazione pratica un arcobaleno nella saldatura elettrica dei metalli ottenuta solo nel 1882, quando N.N. Benardos creò a San Pietroburgo «Metodo di unire e separare i metalli mediante l'azione diretta della corrente elettrica», che chiamò «elettroefesto».
Secondo la conclusione degli accademici N. S. Kurnakov, O. D. Khvolson e altri, l'essenza di questo metodo è che l'oggetto elaborato è collegato a uno e il carbone all'altro polo della sorgente elettrica e l'arco di tensione formato tra l'oggetto elaborato e il carbone produce un'azione simile a quella prodotta dalla fiamma di un cannello quando il metallo viene riscaldato e fuso. Uno speciale elettrodo di carbonio o altro conduttore viene inserito nel supporto e l'arco viene sostenuto a mano.
Nel 1888-1890, il metodo di utilizzo del calore di un arco elettrico per saldare i metalli fu migliorato dall'ingegnere minerario N.G.Slavyanov, che sostituì l'elettrodo di carbonio esclusivamente con uno metallico e sviluppò un dispositivo semiautomatico per alimentare un elettrodo metallico durante la sua combustione e mantenere l'arco, che chiamò "fusore".
L'essenza dei modi saldatura ad arco elettrico, creato come risultato del lavoro dei talentuosi ingegneri-inventori N.N. Benardos e N.G. Slavyanov, rimane invariato fino ad oggi e può essere caratterizzato come segue: l'arco elettrico formato tra l'elettrodo e le parti collegate del prodotto scioglie il materiale di base di il prodotto con il suo calore e fonde l'elettrodo fornito alla zona della fiamma dell'arco - un materiale di riempimento che, sotto forma di gocce di metallo fuso, riempie la giunzione e si fonde con il metallo di base del prodotto. In questo caso, la generazione di calore totale dell'arco viene regolata scegliendo una modalità adatta, il cui parametro principale è la corrente.
Nell'applicazione pratica sono stati apportati e si stanno apportando numerosi miglioramenti nei metodi, che non cambiano l'essenza dei processi, ma ne aumentano il valore pratico. Lo sviluppo dei metodi di saldatura creati va di pari passo con lo sviluppo delle basi energetiche della tecnologia di saldatura nella direzione del miglioramento della qualità e della produttività della saldatura.
Le principali condizioni che hanno contribuito a questo sviluppo sono state:
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garantire un funzionamento stabile dell'arco;
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ottenere qualità e forza adeguate della connessione.
La prima condizione è stata soddisfatta creando fonti di energia con caratteristiche determinate dalle proprietà di un arco elettrico in condizioni di saldatura.
L'arco, in quanto principale fonte di riscaldamento e consumatore di energia durante la saldatura, è caratterizzato da un carico dinamico, in cui, a intervalli di tempo misurati in centesimi di secondo, si manifestano brusche variazioni del regime elettrico nel circuito dell'arco.
La fusione dell'elettrodo e il trasferimento del metallo dall'elettrodo al pezzo provocano brusche fluttuazioni nella lunghezza dell'arco e ripetuti cortocircuiti della fonte di alimentazione dell'arco (fino a 30 volte al secondo) a intervalli molto brevi. In questo caso la corrente e la tensione non rimangono costanti, ma subiscono variazioni istantanee da un certo valore ad un massimo e viceversa.
Tali improvvisi cambiamenti di carico disturbano lo stato di equilibrio del sistema ad arco elettrico - fonte corrente… Affinché l'arco bruci a lungo ad un certo valore di corrente, senza spegnersi e senza trasformarsi in altre forme di scarica elettrica, è necessario che la sorgente di corrente che alimenta l'arco reagisca rapidamente ai cambiamenti che si verificano nel modalità dell'arco e garantisce il suo funzionamento stabile.
All'inizio dello sviluppo dell'ingegneria della saldatura elettrica, ciò veniva fatto con l'aiuto di resistori di zavorra incorporati per limitare la corrente e calmare in sequenza l'arco nel circuito principale delle macchine elettriche. Successivamente vengono realizzati generatori speciali con caratteristiche di caduta e bassa inerzia magnetica, che soddisfano pienamente i requisiti derivanti dalle proprietà dell'arco di saldatura.
Parallelamente allo sviluppo dell'ingegneria della saldatura elettrica, vengono condotti studi che consentono di stabilire i principali parametri delle caratteristiche statiche dell'arco in condizioni di saldatura e di studiare le condizioni ottimali e i principali parametri elettrici delle fonti di energia e la loro influenza sulla la stabilità e la continuità della combustione dell'arco durante la saldatura.
Nel periodo successivo, sulla base della ricerca della statica e della dinamica del processo nelle saldatrici elettriche, è stata sviluppata una classificazione dei sistemi e degli apparecchi delle saldatrici ed è stata creata una teoria unificata generalizzata delle saldatrici.
Caratteristiche del processo di saldatura ad arco
Il processo di saldatura ad arco elettrico è un complesso molto complesso di fenomeni fisici, chimici ed elettrici che si verificano continuamente in tutte le fasi in periodi di tempo estremamente brevi. Rispetto ai processi metallurgici convenzionali di fusione dei metalli, il processo di saldatura è diverso:
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piccolo volume del bagno con metallo fuso;
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alte temperature di riscaldamento del metallo, che a velocità elevate e riscaldamento locale portano a gradienti di temperatura elevati:
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un legame inscindibile tra il metallo applicato e il metallo di base, quest'ultimo essendo, per così dire, una forma per il primo.
Pertanto, il metallo riscaldato e fuso in un bagno di saldatura di piccolo volume è circondato da una massa significativa del metallo di base a temperatura inferiore. Questa circostanza, ovviamente, determina le elevate velocità di riscaldamento e raffreddamento del metallo e, di conseguenza, determina la natura e la direzione delle reazioni che avvengono nel bagno di saldatura.
Passando attraverso l'intercapedine dell'arco, il metallo aggiuntivo fuso viene esposto all'atmosfera dell'arco a temperature molto elevate, il che porta all'ossidazione del metallo e all'assorbimento di gas da esso, e si osserva l'attivazione di gas inerti (principalmente azoto) nel arco, la cui attività è trascurabile nei processi metallurgici convenzionali.
Il metallo fuso nel bagno di fusione è inoltre esposto ad un'atmosfera ad arco, dove avvengono reazioni fisico-chimiche tra il metallo, le sue impurità ei gas da esso assorbiti. Come risultato di questi fenomeni, il metallo d'apporto depositato presenta un maggior contenuto di ossigeno e azoto che, come è noto, riduce le caratteristiche meccaniche del metallo.
Quando un metallo passa in un arco e rimane allo stato fuso nel punto di impurità nel ferro, così come le aggiunte di lega bruciano, il che deteriora anche le proprietà meccaniche del metallo. I gas formati durante la combustione delle impurità, così come quelli disciolti nel metallo durante la solidificazione del metallo fuso, possono portare alla formazione di vuoti e pori nel metallo depositato.
Pertanto, i processi che si verificano durante la saldatura rendono difficile ottenere un metallo di saldatura di alta qualità. Queste difficoltà si sono rivelate tali da rendere impossibile ottenere una saldatura con caratteristiche vicine alle caratteristiche del metallo di saldatura, che è il principale indicatore della qualità della saldatura, senza adottare misure speciali.
Miglioramento della tecnologia di saldatura ad arco
La misura principale che ha aumentato la qualità e la resistenza dei giunti metallici nei metodi di saldatura ad arco esistenti è stata l'uso di rivestimenti speciali: rivestimenti sugli elettrodi.
Nel periodo iniziale, la funzione di tali rivestimenti-rivestimenti era quella di facilitare l'accensione e aumentare la stabilità dell'arco grazie al loro effetto ionizzante. Successivamente, con lo sviluppo di rivestimenti spessi o di alta qualità, la cui funzione, oltre ad aumentare la stabilità dell'arco, è quella di migliorare la composizione chimica e la struttura del metallo depositato, si ottiene un aumento significativo della qualità della saldatura osservato.
Lo sviluppo di rivestimenti speciali sugli elettrodi ha permesso negli ultimi anni di diffondere l'uso di metodi base di saldatura e taglio dei metalli sott'acqua. In questo caso, lo scopo dei rivestimenti sugli elettrodi è anche (a causa della loro combustione più lenta rispetto all'elettrodo) mantenere uno schermo protettivo attorno all'arco e formare una bolla in cui l'arco brucia con i gas rilasciati quando i rivestimenti bruciano .
Contemporaneamente al miglioramento della qualità della connessione saldata, si osserva un aumento della produttività della saldatura, che nella saldatura manuale si ottiene aumentando la potenza dell'arco di saldatura con un contemporaneo aumento del diametro dell'elettrodo metallico. Un significativo aumento della potenza e un aumento delle dimensioni degli elettrodi hanno portato alla sostituzione della saldatura manuale con quella automatica.
Le maggiori difficoltà nella saldatura automatica sono state poste dalla questione dei rivestimenti-rivestimenti degli elettrodi, senza i quali la saldatura di alta qualità secondo i requisiti moderni è quasi impossibile.
Una soluzione di successo consisteva nell'alimentare il rivestimento di flusso granulare frantumato non sull'elettrodo, ma sul metallo di base.In questo caso, l'arco brucia sotto uno strato di flusso, grazie al quale il calore dell'arco viene utilizzato in modo più efficiente e la giuntura è protetta dall'esposizione all'aria. Questa aggiunta è stata un miglioramento del processo di saldatura con elettrodi metallici di base che ha notevolmente aumentato la produttività e migliorato la qualità della saldatura.
La possibilità di controllare lo stato termico dei metalli da unire utilizzando moderne fonti di energia per l'arco di saldatura consente di realizzare tutte le forme di transizione del processo di giunzione dallo stato plastico allo stato liquido e fuso dei materiali. Questa circostanza apre nuove possibilità per collegare tra loro non solo metalli diversi, ma anche materiali non metallici.
Con il miglioramento dei processi tecnologici di saldatura, aumentano la resistenza e l'affidabilità delle strutture saldate. Nel periodo iniziale, quando il processo di saldatura veniva eseguito esclusivamente manualmente, la saldatura ad arco elettrico veniva utilizzata in tutti i tipi di lavori di restauro e riparazione.
L'importanza della saldatura ad arco elettrico come uno dei processi tecnologici principali e avanzati al momento è innegabile. L'esperienza con l'uso della saldatura in vari settori ha chiaramente dimostrato che questo metodo di lavorazione dei metalli consente non solo di risparmiare metallo (25-50%), ma anche di accelerare notevolmente la produzione di opere di tutti i tipi di strutture metalliche.
Lo sviluppo della meccanizzazione e dell'automazione del processo, finalizzato ad un continuo aumento della produttività, unito ad un costante aumento della qualità e della resistenza della saldatura, amplia ulteriormente il campo di applicazione.Attualmente, la saldatura ad arco elettrico è il processo tecnologico leader nella produzione di tutti i tipi di strutture metalliche che operano sotto carichi statici e dinamici a basse e alte temperature.
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