Оцінка складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

зварювальний дуга аерозоль

Актуальність теми

Одним із основних сучасних способів отримання нероз'ємних з'єднань є зварювання. Електрозварювання й різання металів залишаються одними із провідних технологічних процесів у машинобудуванні, суднобудуванні й інших галузях. Це технологічний процес, за допомогою якого виготовляються всі основні конструкції гідротехнічних споруджень, парових й атомних електростанцій, автодорожні, міські й залізничні мости, вагони, надводні й підводні кораблі, будівельні металоконструкції, усілякі піднімальні крани, при виробництві металоконструкцій. Досягнутий високий рівень розвитку служить міцною базою для подальшого збільшення продуктивності праці, економії матеріалів й електроенергії в народному господарстві, а також підвищення якості й зниження собівартості звареної продукції.

Зварювання широко використовується при виготовлені вузлів вагонобудування. Модулі бічної стінки вагонів створюються за допомогою зварювальних технологій. Зараз цей процес модернізується, використовують нові матеріали, за допомогою яких можна зменшити вагу конструкції, її собівартість. Для цього використовують в основному леговані й високолеговані сталі. Високі температури, які супроводжують процес зварювання, призводять до вигоряння легуючих елементів. Тому зварник під час праці підданий впливу зварювального аерозолю, який негативно позначається на його здоров'ї.

Найбільший ризик для виникнення порушень здоров'я у зв'язку з умовами праці представляє зварювальний аерозоль (ЗА), що містить оксиди марганцю, заліза, хрому, нікелю, азоту, вуглецю, фтористі з'єднання.

Виконання зварювальних робіт у не вентильованих просторах призводить до бронхо-легеневих захворювань зварників, пневмоконіозу, професійного бронхіту і бронхіальної астми, вплив ЗА на органи дихання може підвищувати ризик розвитку онкологічних захворювань (рак).

Подальший розвиток зварювального виробництва неможливий без створення здорових і безпечних робочих умов праці, що відповідають сучасним світовим вимогам.

Для вирішення цієї проблеми необхідно прогнозувати кількість аерозолю, що виділився в робочій зоні, для створення нормальних умов праці, і у подальшому, для проектування вентиляції, а також застосовувати засоби індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) зварників.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота пов'язана з планами науково-дослідних робіт (НДР) СНУ ім. В. Даля, з планами кафедри «Обробка металів тиском і зварювання» і НДР ВАТ ХК «Луганськтепловоз».

Мета і задачі дослідження. Мета магістерської роботи полягає у створенні безпечних умов праці зварників шляхом дослідження та розробки методики оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей (на прикладі вузлів вагонобудування).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

1. Провести аналіз існуючих методик оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей.

2. Дослідити вплив зварювальних димів на здоров'я зварників.

3. Розробити методику оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей (на прикладі вузлів вагонобудування).

4. Створення безпечних умов праці при зварюванні.

Об'єкт дослідження - зварювальний факел, що впливає на рівень запиленості у приміщенні та виникнення професійних захворювань зварників.

Предмет дослідження - дими металів зварювального факела, які утворюються при зварювані виробів із легованих сталей.

Методи дослідження - експериментальні і теоретичні.

Практичне значення отриманих результатів.

У роботі прийнятий комплексний підхід до рішення поставлених завдань: від оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні легованих сталей, до розробки методики оцінки яка дозволяє проектувати вентиляцію і цим значно підвищити умови праці зварників.

Результати досліджень дозволили:

- оцінити склад зварювального диму і розробити методику його оцінки.

Розроблена методика оцінки складу диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей, дозволяє прогнозувати кількість шкідливих речовин у повітрі робочої зони зварників, створювати нормальні умови праці, і у подальшому, проектувати вентиляцію.

Особистий внесок здобувача. Магістерська робота є підсумком експериментальних і теоретичних досліджень, які виконувалися автором під керівництвом наукового керівника. Запропоновано методику, яка дозволяє: прогнозувати склад диму, який виділяється при зварюванні виробів із легованих сталей (на прикладі вузлів вагонобудування).

У рішенні проблем оцінки складу диму використані наукові розробки: О.Г. Левченко, А.И. Гедровича, В.В. Перемитько, Б.Д. Лебедєва, А.А. Буки, В.Л. Писаренко, М.Л. Рочинского, М.З. Брауде.

Публікації. По темі дисертації опублікована 1 стаття.

1. Особливості зварювальних дуг

1.1 Види розрядів

Існують наступні види розрядів: іскровий, коронний, тліючий, дуговий. Іскровий розряд (іскра електрична) - нестаціонарна форма електричного розряду, що відбувається в газах. Такий розряд виникає звичайно при тисках порядку атмосферного й супроводжується характерним звуковим ефектом - «тріском» іскри. Температура в головному каналі іскрового розряду може досягати 10 000 К. У природі іскрові розряди часто виникають у вигляді блискавок.

Іскровий розряд звичайно відбувається, якщо потужність джерела енергії недостатня для підтримки стаціонарного дугового розряду або тліючого розряду. У цьому випадку одночасно з різким зростанням розрядного струму напруга на розрядному проміжку протягом дуже короткого часу (від кількох мікросекунд до декількох сотень мікросекунд) падає нижче напруги загасання іскрового розряду, що приводить до припинення розряду. Потім різниця потенціалів між електродами знову росте, досягає напруги запалювання й процес повторюється. В інших випадках, коли потужність джерела енергії досить велика, також спостерігається вся сукупність явищ, характерних для цього розряду, але вони є лише перехідним процесом, що веде до встановлення розряду іншого типу - найчастіше дугового. Якщо джерело струму не здатне підтримувати самостійний електричний розряд протягом тривалого часу, то спостерігається форма самостійного розряду, яка називається іскровим розрядом. Іскровий розряд являє собою пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюючих друг друга нитковидних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Ці канали заповнені плазмою, до складу якої в потужному іскровому розряді входять не тільки іони вихідного газу, але й іони речовини електродів, що інтенсивно випаровується під дією розряду.

Коронний розряд - це характерна форма самостійного газового розряду, що виникає в різко неоднорідних полях. Головною особливістю цього розряду є те, що іонізаційні процеси електронами відбуваються не по всій довжині проміжку, а тільки в невеликій його частині поблизу електрода з малим радіусом кривизни (так званого короніруючого електрода). Ця зона характеризується значно більш високими значеннями напруженості поля в порівнянні із середніми значеннями для всього проміжку. Виникає при порівняно високих тисках (порядку атмосферного) у сильно неоднорідному електричному полі. Подібні поля формуються у електродів з дуже великою кривизною поверхні (вістря, тонкі дроти). Коли напруженість поля досягає граничного значення для повітря (близько 30 кВ/см), навколо електрода виникає світіння, що має вид оболонки або корони (звідси назва).

Тліючий розряд - один з видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Формується, як правило, при низькому тиску газу й малому струмі. При збільшенні струму, що проходить, перетворюється в дуговий розряд. На відміну від нестаціонарних (імпульсних) електричних розрядів у газах, основні характеристики тліючого розряду залишаються відносно стабільними в часі. Типовим прикладом тліючого розряду, знайомим більшості людей, є світіння неонової лампи.

У техніці, електрозварюванні металів, для виплавки стали (дугова сталеплавильна піч) і в освітленні (у дугових лампах) знайшла застосування електрична дуга (дуговий розряд) - фізичне явище, один з видів електричного розряду в газі. Уперше була описана в 1802 році російським ученим В.В. Петровим. Електрична дуга є поодиноким випадком четвертого форми стану речовини - плазми - і складається з іонізованого, електрично квазінейтрального газу. Присутність вільних електричних зарядів забезпечує провідність електричної дуги.

Електрична дуга між двома електродами в повітрі при атмосферному тиску утвориться в такий спосіб. При збільшенні напруги між двома електродами до певного рівня в повітрі між електродами виникає електричний пробій. Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами й ін. Найчастіше, для ініціювання пробою при наявній напрузі електроди наближають друг до друга. Під час пробою між електродами звичайно виникає іскровий розряд, імпульсно замикаючи електричний ланцюг.

Електрони в іскрових розрядах іонізують молекули в повітряному проміжку між електродами. При достатній потужності джерела напруги, у повітряному проміжку утвориться достатня кількість плазми для того, щоб напруга пробою (або опір повітряного проміжку) у цьому місці значно впала. При цьому іскрові розряди перетворюються в дуговий розряд - плазмовий шнур між електродами, що є плазмовим тунелем. Ця дуга є по суті провідником, і замикає електричний ланцюг між електродами, середній струм збільшується ще більше нагріваючи дугу до 5000K - 50000K. При цьому вважається, що підпалювання дуги завершено.

Взаємодія електродів із плазмою дуги приводить до їхнього нагрівання, частковому розплавленню, випару, окислюванню й іншим видам корозії. Після підпалювання, дуга може бути стійка при розведенні електричних контактів до деякої відстані. При експлуатації високовольтних електроустановок, у яких неминуча поява електричної дуги, боротьба з електричною дугою здійснюється за допомогою електромагнітних котушок, сполучених з дугогасними камерами [1].

Відповідно до класифікації, запропонованої в роботі [2], електрична дуга як фізичний процес протікання струму в газі відноситься до типу самостійних розрядів, що установились. Зварювальна дуга - тривалий електричний розряд у газі, що виділяє значну кількість енергії. Величина струму в більшості випадків дорівнює декільком сотням амперів і досягає іноді 1500-2000 А й більше. Напруга зварювальної дуги внаслідок малої її довжини й великого струму змінюється звичайно в межах 20-45 В. У просторі між електродами відбувається перетворення в теплоелектричній енергії потужністю 2-30 кВт, у результаті чого електроди сильно нагріваються, плавляться й випаровуються (при зварюванні плавким електродом). При цьому в дузі, крім потоків плазми й пари, присутні потоки крапель розплаву електродів і основного металу.

Дуга складається із трьох основних частин - анодної, катодної областей і стовпа дуги (рис. 1.1). У процесі горіння дуги на поверхні електрода й основного металу утворяться активні плями, через які проходить весь струм дуги. Активна пляма, що перебуває на катоді, називається катодною, що перебуває на аноді - анодною. Електрод 1 є катодом, а виріб 4 - анодом, і в цьому випадку відіграє роль другого електрода.

Рис. 1.1. Електрична дуга прямої дії: 1 - електрод; 2-3 катодна й анодна плями; 3 - зварювальна ванна; 4 - основний метал; 6, 8 - анодна й катодна області; 7 - стовп дуги; U_a - анодна напруга; U_к - катодна напруга; U_д - напруга дуги; U_c - напруга стовпа; L_д - довжина дуги.

Для створення й підтримки дуги необхідно іонізувати повітря або газ у дуговому проміжку. Безперервна іонізація повітря або газу забезпечується електронами, що вилітають із поверхні негативно зарядженого електрода. Ці електрони зіштовхуються з атомами або молекулами газоподібних речовин, що перебувають у просторі між електродами, збуджують або іонізують їх. У процесі горіння дуги негативно заряджені частки бомбардують анод, а позитивно заряджені - катод; при цьому кінетична енергія часток перетворюється в теплові й світлову, електрони перетворюються в електрони провідності, а іони нейтралізуються.

Стовп дуги являє собою плазму, нагріту до 6000-8000°С и, що складається із суміші електронів, нейтральних атомів, позитивних і негативних іонів. Кількість енергії, що іде у стовпі дуги на спрямоване переміщення електронів й іонізацію газів, приблизно 21%.

При високій різниці потенціалів між електродом і виробом (кілька тисяч вольт) при їхньому зближенні відбувається запалювання дуги. Під дією різниці потенціалів, високої температури й світлового випромінювання електрони рухаються з великою швидкістю, відриваючись спочатку з поверхні негативного електрода (емісія електронів). Ударяючись об атоми й молекули газу матеріалу, що випаровується, електрони додають або віднімають у них негативні заряди, перетворюючи в позитивні й негативні іони, які у свою чергу рухаються в дуговому просторі, підсилюючи його іонізацію. У такий спосіб повітря, що у звичайному стані не є провідником електрики, іонізуючись у дуговому просторі, стає провідником електричного струму, внаслідок чого досягається тривале горіння дуги.

Рух електронів й іонів у дуговому просторі відбувається при наявності двох полюсів: негативного - катода й позитивного - анода, які певною мірою впорядковують рух цих часток, тому що електрони, що мають негативний заряд, а також негативні іони, рухаються до позитивного полюса, а позитивні іони - до негативного.

У дуговому просторі розрізняють біля електродні області, що характеризуються значним спаданням напруги, викликаним витратою електричного потенціалу на утворення просторових зарядів, електронів й іонів. Це негативна катодна 6 і позитивної анодна 8 області, між якими розташований стовп дуги, що представляє собою високотемпературну плазму іонізованого газу. На поверхні катода й анода перебувають яскраві катодні 2 й анодні 3 плями, через які проходить зварювальний струм. Спадання напруги анодної області позначено на малюнку буквою U_а, стовпа дуги - U_с і катодної області - U_к. Їхня сума є спаданням напруги дуги U_д і при ручному дуговому зварюванні електродом, що плавиться, становить 16-30 В. Щільність струму найбільша в катодній плямі, з якого спочатку відриваються електрони, іонізують дуговий простір і бомбардують анодну область.

Виділення теплової й світлової енергії у зварювальній дузі відбувається нерівномірно. Електрони, що досягли анода, віддають йому свою енергію. Тут утвориться сильно нагріта анодна пляма. Позитивні іони плазми рухаються до катода й, віддаючи йому енергію, формують так звану катодну пляму. Звичайно в дузі переважає електронний компонент струму, внаслідок чого на аноді виділяється більше тепла, чим на катоді. Уважається, що на анод доводиться 43, а на катод - 36% енергії, інша розсіюється в стовпі дуги.

У дугах спостерігаються потоки часток, що виходять із активних плям. Швидкість їх коливається в широких межах і може досягати 10³ м/с. У дузі між сталевими електродами швидкість потоків становить 75-150 м/с [4].

Найбільш важливі характеристики біля електродних областей - щільність струму, спадання напруги, розміри активних плям. Точний вимір цих величин утрудняється високою температурою зварювальної дуги, малими розмірами зон, рухливістю катодної плями.

Кількість парів залежить від властивостей електродного металу, режиму й полярності зварювання. Вона визначена експериментально й розрахунковим шляхом. За даними А.В. Петрова, при зварюванні електродом, що плавиться, в інертних газах у пароподібний стан переходить від 10 до 25% електродного металу. Більшому струму відповідає більша кількість металу, що випарувався. І. Д. Кулагін й А.В. Ніколаєв знайшли, що кількість металу, що випарувався, пропорційна струму й часу горіння дуги, що в експериментах було менше, ніж час існування краплі. Коефіцієнт пропорційності для залізного електрода діаметром 5 мм при прямій полярності зварювання й струмені 100-200 А дорівнює 0,2,10-3 г./(А•с), а в інтервалі 300-1300 А - 0,6•10^-3 г/(А•с). По А.А. Єрохіну відношення мас металу, що випарувався й розплавленого для наведених струмів перебуває в межах 0,05-0,15 [6]. Розрахунки для декількох способів зварювання дали значення цього відношення, що не перевищують 0,15. По розрахунках Г.И. Лєскова кількість металу, що випаровувався при струмі 200 А і прямій полярності становить 12% [4].

Наведені дані дозволяють зробити наступний висновок. Анодне спадання напруги U_а й щільність струму в плямі j_а вільно палаючих дуг мало залежать від режиму зварювання й складу сталевого електрода. Анодна пляма малорухома. Стиск дуги приводить до підвищення U_а и j_а. Катодне спадання напруги U_к і щільність струму в плямі j_к вільної дуги Fе + Fе вище, ніж U_а й j_а. Катодна пляма досить рухливо й часто ділиться на кілька плям. Зі збільшенням струму до певних значень спостерігається зниження j_к. При збільшенні струму перехід у режим стислої дуги викликає ріст значень U_к й j_к.

Зміна складу покриття електрода й наявність постійних домішок на поверхні катода приводять до значної зміни U_к й j_к. Введення іонізаторів сприяє стабілізації катодної плями, переходу до дуг без плями й зменшенню U_к й j_к.

Склад атмосфери дуги й витрата газу можуть дуже вплинути на ступінь стиску стовпа дуги й плям. Чим менше енергія дисоціації й більше теплопровідність газів, тим за інших рівних умов більше ступінь стиску стовпа й плям.

1.2 Температура зварювальної дуги

Температура дуги - один з найважливіших факторів, що визначають фізико-хімічні й металургійні процеси зварювання. Від температури залежать ступінь дисоціації й іонізації газів у дузі, розчинність газів у металі, характер протікання процесів між газовою, металевою й шлаковою фазами, характер плавлення електрода й переносу металу й т.д.

Зварювальна дуга, що характеризується високим значенням струму, відрізняється й порівняно високою температурою плазми (Т?10⁴ К). Температура дуги залежить від струму, складу покриття (газу) і електрода й інших факторів. Наприклад, усяке додаткове охолодження дуги (примусове охолодження електродів або стовпа дуги) веде до підвищення температури плазми (так званий парадокс Штеенбека). Цей ефект пов'язаний з тим, що при охолодженні зовнішніх шарів стовпа дуги електропровідність цих шарів різко падає й електричний струм починає протікати в більш вузькому каналі. При цьому в провіднику меншого перетину виділяється більше тепла й він нагрівається до більш високої температури (при колишньому струмі) [2].

При електродуговому зварюванні на нагрівання й розплавлення металу використовується 60-70% тепла. Інша кількість тепла (30-40%) розсіюється в навколишньому середовищі.

1.3 Механізм приелектродних процесів

Відомі численні спроби пояснити механізм процесу горіння дуги. Термоелектронний механізм емісії (Т-механізм) запропонований раніше всіх інших й успішно використаний для опису поводження вугільної дуги [7].

Для пояснення явищ у дузі, які не укладалися в рамки термоелектронної гіпотези, привабливим виявився механізм, запропонований Ленгмюром [8]. На підставі виведеного їм рівняння струму, який обмежений об'ємним зарядом, Ленгмюр прийшов до висновку, що в катода дуги під впливом об'ємного заряду позитивних іонів може виникати електричне поле, достатнє для істотного зниження потенційного бар'єру й виникнення холодної емісії електронів (F-механізм). З'явилася так звана автоелектронна гіпотеза дуги, що одержала широке поширення, однак не стала загальноприйнятою. Багато авторів [8, 10] висловлюють обґрунтовані сумніви в застосовності механізму автоелектронної емісії до катодів дуг, що горять на металевих електродах.

Не змінюється положення справ і при переході до термоавтоелектронного (Т - F) механізму [10]. Цей механізм припускає посилення автоемісійного струму внаслідок термічного порушення електронів. Однак для катодів з низькою температурою кипіння термічне порушення електронів може бути лише незначним і прийнятний термоавтоелектронний механізм неминуче перетворюється в сумнівний автоелектронний [13].

В окремих випадках уживаються зусилля для реабілітації старих уявлень. Так, наприклад, автори роботи [10] повернулися до ідеї «гарячих електронів», запропонованої в 40-х роках Смітом. Відповідно до цієї ідеї емісія електронів з катода в умовах дугового розряду може відбуватися без участі сильного електричного поля й не потрібне нагрівання металу або газу в його поверхні. Основна роль приділяється вторинній електронній емісії, що виникає в результаті бомбардування катода швидкими електронами, що утворяться внаслідок максвелізації первинних електронів у прикатодной області. Ця схема викликає досить емоційну критику [14], однак автори [10] знаходять аргументи в захист ідеї Сміта.

Необхідно відзначити також подальший розвиток робіт на основі квантово-механічного підходу, у якому розглядається так званий I - Т - F - механізм емісії.

З метою подолання розбіжностей результатів розрахунків для щільності електронного струму й необхідних при цьому умов на катоді дуги зі значеннями, що одержано експериментально, деякі автори [15, 16] пропонують ураховувати дію індивідуальних полів іонів (іон-електронний або I - Т - F механізм). Передбачається, що іони, наближаючись до поверхні катода, своїм власним електричним полем виривають із катода електрони, які під дією зовнішнього поля, створюваного катодним падінням потенціалу, вільно йдуть у прикатодну зону, забезпечуючи електронний компонент струму в цій області дуги. Цей механізм емісії докладно розглянутий у роботах В.С. Гвоздецького і Ю.Л. Васеніна [15], виконаних в ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН УРСР.

В.С. Гвоздецький й Ю.Л. Васенін прийшли до висновку, що іон-електронний механізм емісії в сильних електричних полях виявляється здатним забезпечити вихід до 10² електронів на кожен падаючий іон при полях, на порядок менших, чим потрібно для автоелектронної емісії (E_авт == 2 •10⁸ В/см). При зростанні напруженості електричного поля до значення Е_к = 2•10⁷ В/см залежність г_е від температури слабшає й емісія здобуває зовнішні риси автоелектронної. На основі моделі, розглянутої в роботах [15], Б. Є. Патон, В.С. Гвоздецький й Ю.Л. Васенін запропонували пояснення струмопереносу на «холодному» катоді дугового розряду при випарі легкоіонізуючих добавок матеріалу катода [17]. Як й у попередніх роботах, для реалізації запропонованого механізму необхідна наявність у поверхні катода електричного поля Е_к?10⁷ В/см. Умови утворення такої високої напруженості поля автори роботи [17] не розглядають, пояснюючи це тим, що така величина Е_к нижче, ніж загальноприйняті її значення в автоелектронній моделі. При цьому роль парких атомів матеріалу катода полягає в наступному. На невеликих відстанях l від поверхні катода до атома металу, що випарувався, його стан (атомний або іонний) нерозрізнений через інтенсивний обмін зарядом у даній системі метал - атом. У міру видалення атома від поверхні катода електронні енергетичні стани перебудовуються від зонної структури в металі до дискретних енергетичних рівнів атома (або іона). Така перебудова закінчується на деякій критичній відстані 1С від поверхні катода. Електричне поле в катода змінює потенційну енергію електрона, що надійшов на атом, так, що з'являється можливість тунельного переходу електрона зі зв'язаного стану на атомі у вільне, тобто відбувається польова іонізація. Для істотного прояву цього процесу саме й необхідно електричне поле з напруженістю Е_к?10⁷ В/см, що забезпечує вихід електрона, що звільнився, у напрямку стовпа дуги, тобто його емісію.

На підставі викладеного автори роботи [17] прийшли до висновку, що запропонований механізм емісії електронів при випарі легкоіонізуючих атомів з поверхні катода в електричному полі катодного падіння потенціалу також може забезпечити вихід до 10² електронів на один паркий атом, а висока ефективність цього механізму дозволяє використати його для пояснення струмопереносу на «холодному» катоді дугового розряду.

У дослідженнях механізму переміщення часток у дузі значно менше уваги приділяється процесам на аноді. Пояснюється це тим, що при розгляді процесів в області катодного падіння необхідно насамперед вирішити проблему утворення носіїв електрики, з яких 99% становлять електрони [8]. Зовсім інша ситуація в анода.

У цей час загальної теорії анодних явищ не існує, детально розглянуті лише окремі її питання [2]. До них ставляться дві теорії іонізації в анодній області. У першій з них передбачається, що в області анодного падіння електрони, що надходять зі стовпа, прискорюються, їхня енергія досягає величини потенціалу іонізації газу або першого потенціалу збудження: відбувається пряма або східчаста іонізація нейтральних часток (так називана Е - іонізація). У другій теорії вважається, що енергія спрямованого руху, яка одержується електронами при прискоренні в анодному просторі, перетворюється в результаті багаторазових зіткнень електронів один з одним і з важкими частками плазми в енергію неупорядкованого руху. При цьому температура електронів досягає більших значень й іонізація в анода здійснюється найбільш швидкими електронами максвелівського розподілу по швидкостях (T-іонізація).

1.4 Види зварювальних дуг

По найбільш важливих технічних ознаках розрізняють наступні основні групи зварювальних дуг (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Групи зварювальних дуг

1	2	3	4	5	6	7
Дуги прямої дії	Дуги з плавкими електродами	Дуги в парах металів	Вільні дуги	Дуги, що установилися	Відкриті дуги	Дуги постійного струму
Дуги непрямої дії	Дуги с неплавкими електродами	Дуги в газах	Стиснені дуги	Дуги, що не установилися	Закриті дуги	Дуги змінного струму

Види зварювальних дуг, що входять в групи характеризуються наступними основними особливостями.

1. У дугах прямої дії (рис. 1.2, а) метали, які підлягають нагріванню або плавленню є електродами розряду і їм передається кінетична й потенційна енергія заряджених часток. Тому електроди досить інтенсивно нагріваються й плавляться. Дуги непрямої дії (рис. 1.2, б) розташовуються у поверхонь, що підлягають нагріванню або плавленню виробів. Електродами таких дуг служать стрижні із графіту або вольфраму, не з'єднані електрично з виробами. Нагрівання й плавлення виробів відбувається лише за рахунок кінетичної енергії часток газу, що зіштовхуються з ними. Звичайно таке нагрівання мало ефективне, тому дуги непрямої дії застосовуються в тих випадках, коли потрібна порівняно невелика теплопередача від дуги до виробів. У випадку зварювання дугою непрямої дії випаровування основного металу буде мінімальне, тому що метал нагрівається тільки електродами, він не включений в електричний ланцюг.



Рис. 1.2. Типи дуг: а - прямої дії; б - непрямої дії; 1,4 - виріб, що зварюється; 2 - дуга; 3 - електрод

2. У дугах з електродами, що плавляться (рис. 1.3, а), обидва електроди в процесі здійснення зварювального процесу розплавляються, поставляючи метал у загальну ванну. Якщо один з електродів, будучи тугоплавким - вольфрамовим або графітовим, не поставляє метал у загальну ванну, то дуга називається дугою з електродом, що не плавиться (рис. 1.3, б). При збільшенні струму дуги тугоплавкий електрод також може розплавитися, тому різновиду дуг цієї групи визначаються не тільки матеріалом електродів, але й режимом їхнього горіння.

Із всіх способів електродугового зварювання в середовищі захисних газів найбільш сприятливим з гігієнічної точки зору є зварювання електродом, що не плавиться, у середовищі аргону. Зміст пилу в зоні зварювання в цьому випадку не виходить за межі 2-2,5 мг/м³; концентрації окислів марганцю в 10 разів нижче гранично допустимого рівня. Окисли азоту й окис вуглецю не виявляються навіть у пробах, відібраних поблизу зварювальної дуги [5]. Концентрація пилу при зварюванні торійованими й лантанированными (вольфрамовий стрижень із 1,5% - ний присадкою лантану) електродами ще нижче.



а) б)

Рис. 1.3. Схема зварювання в захисних газах: а - плавким електродом; б - електродом, що не плавиться

У реальних умовах атмосфера зварювальної дуги має багатокомпонентний склад. Стовп дуги з електродом, що плавиться, заповнений парами електродного металу. Напруженість поля в стовпі дуги за інших рівних умов обумовлюється матеріалом електрода. При зварюванні електродом, що не плавиться, кількість парової фази мало й склад плазми обумовлюється лише складом захисного газу.

3. Більшість електродів дуги, що плавляться, інтенсивно випаровується. Пари, рухаючись від електродів у вигляді струменя, майже повністю відтискують із області розряду інші гази. Тому пари електродів визначають основні властивості таких дуг, що й обумовило їхню назву. Коли ж використовуються вольфрамові, графітові або штучно охолоджуючі водою мідні електроди, що слабко випаровуються, склад газу розрядної області з достатньою точністю визначається її атмосферою. Останню утворять або захисні гази - аргон, гелій, водень, СО₂ й ін., які подаються в зону дуги для огородження металу від впливу повітря, або повітря при відсутності такого захисту. Однак у міру збільшення струму електроди, що слабко випаровуються, можуть випаровуватися інтенсивно, а «дуга в газах» може стати «дугою в парах», тому й у цій групі різновиду дуг також визначаються їхнім режимом.

4. Дуга вважається вільною, якщо її розвиток у просторі не обмежено до меж, обумовлених природними властивостями дуги. При наявності таких обмежень дуга називається стислою. Дугу стискають, поміщаючи її у вузьких каналах і щілинах, обмежуючи розміри електродів, обдуваючи дугу струменями газів або рідин і т.д.

5. Дуга вважається установленою, якщо тривалість її існування при заданих умовах помітно перевищує час протікання в ній перехідних процесів і параметри дуги вже не міняються в часі. Зміни сили струму, складу атмосфери, відстані між електродами, положення в просторі й т.д. характеризують неустановлені дуги. Однак при порівняно повільній зміні перерахованих факторів, коли кожному їхньому миттєвому значенню відповідають параметри дуги, близькі до установленим при цих миттєвих значеннях, такими змінами можна зневажити й дуги вважати установленими.

6. Дуга вважається відкритою, якщо навколо її відсутні перешкоди, крім самих електродів, що виключають або утрудняють циркуляцію газу в біля дуговому просторі, або затримуючі випромінювання дуги. У випадку повного огородження дуги від навколишнього простору вона стає закритою. Прикладом такої дуги є дуга під флюсом. Її атмосфера складається тільки з пар електродів й огородження - флюсу. Циркуляція газових потоків у такій дузі обмежена, випромінювання дуги в простір не проникає. Можливі напівзакриті дуги й т.д.

7. Для дуг постійного струму характерні незмінність направлення струму й, як правило, невеликі коливання його сили, обумовлені процесами в дузі. При зворотній полярності температура краплі більше висока, збільшується випар їхнього металу, знижується парціальний тиск газів на границі метал-газ. У дугах змінного струму відбуваються безперервні зміни напрямку й сили струму відповідно до змін е.д.с. джерела й процесами в дузі. Такі дуги вгасають щораз при переході струму через нуль і відновляються знову на початку кожного напівперіоду змінного струму, що живить [4].

При зварюванні змінним струмом інтенсивність виділення аерозолю періодично міняється відповідно до частоти зміни полярності струму незалежно від частоти переносу краплі. При цьому кількість аерозолю, що виділився залежить від зварювального струму; вона практично дорівнює нулю, коли миттєве значення зварювального струму близько до нуля, і досягає свого максимуму при максимальному значенні струму.

У промисловості застосування знаходить спосіб зварювання під флюсом зварювальним дротом. Але в деяких випадках зварювання й особливо наплавлення виконують стрічковими електродами. Стрічка, яка використовується для цих електродів, має товщину до 2 і ширину до 40 мм. Змінюючи форму стрічки, можна змінити й форму поперечного перерізу шва, досягаючи підвищеної глибини проплавлення пo його осі або одержуючи більш рівномірну глибину проплавлення пo всьому перетину шва. У цьому випадку великі дзеркало зварювальної ванни і ширина валіка, тому буде більше випаровуватись елементів у ЗА.

Зварювання стикових швів з обробленням крайок й кутових швів, де потрібна велика кількість наплавленого металу, виконують із порошковим присадковим металом (ППМ). Із цією же метою збільшують до 100 мм виліт електрода. Це дозволяє на 50…70% збільшити кількість наплавленого металу.

При механізованому зварюванні будь-яких типів сталей більше ЗА утвориться при зварюванні порошковим дротом (рис. 1.4, 1.5). Найбільшу токсичність мають ЗА, що утворяться при зварюванні високолегованих сталей. Це пояснюється наявністю в них шестивалентного хрому у вигляді хроматів калію й натрію, що утворяться при взаємодії хрому із з'єднаннями калію й натрію, звичайно присутніми в сердечнику дроту. Природно, при зварюванні дротом суцільного перетину хромати калію й натрію в ЗА відсутні. Тому дроти суцільного перетину мають істотні переваги перед порошковими [45]. Спалювання 1 кг порошкового дроту супроводжується утворенням і залежності від складу шихти 8-12 г. пилу, у якому утримується 0,2-0,7 г окислів марганцю, 3,8-10 г. окислів заліза, 0,2-1 г. фтористих з'єднань. У зоні подиху зварника концентрації пилу становлять за усередненим даними 10-30 мг/м³; окис вуглецю й окисли азоту в складально-зварювальних цехах не перевищують гранично допустимі концентрації. Наведені результати досліджень дозволяють зробити висновок, що умови при зварюванні порошковим дротом по характеру забруднення виробничої атмосфери близькі до умов, які спостерігаються при зварюванні електродами з рутиловим покриттям.

Рис. 1.4. Схема процесу зварювання самозахисним порошковим дротом:

1 - оболонка, 2 - сердечник, 3 - крапля розплавленого металу, 4 - дуга, 5 - зварювальна ванна, 6 - шлак, 7 - метал шва, 8 - шлакова кірка, 9 - газовиділення, 10 - основний метал

Рис. 1.5. Схема процесу зварювання порошковим дротом в СО₂: 1 - дріт, 2 - струмопідведення, 3 - сопло, 4 - СО₂.

При двохелектродному зварюванні (здвоєним, розщепленим електродом) живлення дуг зварювальним струмом здійснюється від одного джерела. Звичайна відстань між електродами <20 мм і дуги горять в одному газовому пухирі, утворюючи єдину зварювальну ванну.

Електроди можуть розташовуватися поперек або вздовж стику крайок або займають проміжне положення (рис. 1.6, а). При поперечному розташуванні електродів зварюють окремі шари багатошарових швів при збільшених зазорах у стику між крайками, a також виконують наплавлення. При послідовному розміщенні електродів глибина проплавлення зростає.

При двох дуговому зварюванні під флюсом кожен електрод приєднаний до окремого джерела постійного або змінного струму або дуги живляться різнорідними струмами. Дві дуги, які утворилися при малій відстані між електродами горять в одному газовому пухирі. Електроди розташовуються перпендикулярно до поверхні, що зварюється, або похило в площині, паралельній напрямку зварювання (див. рис. 1.6, б).

При відхиленні першої дуги на кут б₁ росте глибина проплавлення цією дугою; при відхиленні другої дуги на кут б₂ збільшується ширина шва, що визначається цією дугою, через що можна уникнути підрізів пo крайкам шва. При збільшеній відстані між електродами дуги направлені в роздільні зварювальні ванни. Звичайно у цьому випадку електроди розташовуються перпендикулярно до поверхні виробу.

Рис. 1.6. Схеми багато електродного (а) і багато дугового (б) зварювання під шаром флюсу й варіанти розташування електродів щодо осі стику (в)

Перша дуга виконує ніби попередній підігрів, котрий зменшує швидкість охолодження металу шва й біля шовної зони, a друга дуга частково переплавляє перший шов і термічно обробляє його. Змінюючи зварювальний струм кожної дуги й відстань між ними, можна одержувати потрібний термічний цикл зварювання й регулювати властивості металу зварного з'єднання.

В останні роки для зварювання тонколистового метала находить застосування імпульсна дуга. Основний метал розплавляється дугою, що горить періодично окремими імпульсами постійного струму (рис. 1.7, а) з певними інтервалами по часу. При великій перерві в горінні дуги t_п дуговий проміжок деіонізується, що призводить до утруднення повторного збудження дуги.

Рис. 1.7. Зміна зварювального струму і напруги при імпульсному зварюванні вольфрамовим електродом (а); І_св - зварювальний струм; І_деж - струм чергової дуги, t_п - час паузи, t_св - час зварювання (t_св + t_п = t_ц - час цикла); шви у площині (б) і поздовжньому перетині (в)

Для усунення цього недоліку постійно підтримується друга, малопотужна чергова дуга від самостійного джерела живлення. На цю дугу і накладається основна імпульсна дуга. Чергова дуга, що постійно підтримує термоелектрону емісію з електрода, забезпечує стабільне виникнення основної зварювальної дуги. Застосування імпульсних джерел струму дозволяє зменшити надлишкову енергію дуги, що викликає інтенсивне випаровування плавких матеріалів.

1.5 Стабілізація дуги

Стабільність горіння дуги й перенесення електродного метала в значній мірі визначаються електрофізичними характеристиками дугового розряду, які пов'язані зі складом і масою покриття (флюсу, дроту), режимом зварювання, видом струму.

У реальних зварювальних дугах першорядного значення набувають емісійні характеристики електродних покриттів і шлаків. Покриття (шлаки), які інтенсивно емітують електрони, забезпечують більш високу стабільність дуги і стійке повторне запалювання дуги змінного струму при низьких значеннях напруги запалювання [27].

Емісія позитивних іонів необхідна для підтримки електропровідності у приелектродних областях і компенсації об'ємного негативного заряду в поверхні катода. Завдяки компенсації в підтримці електричного розряду можуть брати участь термоелектрони. Електронегативні елементи, які введені до складу зварювальних матеріалів (наприклад фтор, кисень та ін.), викликають зниження напруженості електричного поля в катода. При цьому напруженість поля в анодній області і падіння анодної напруги зростають, що приводить до збільшення глибини провару зварювання на струмі при примою полярності.

Електронегативні елементи в атмосфері дуги викликають також сильне контрагирування стовпа дугового розряду. Зниження температури на периферії струмопровідного каналу повинне приводити до збагачення цієї області негативними іонами. Зміна розмірів стовпа дуги шляхом введення електронегативних елементів до складу зварювальних матеріалів - ефективний шлях керування параметрами зварювального процесу.

Перенесення електродного металу, особливо якщо він супроводжується короткими замиканнями дугового проміжку, значно впливає на стабільність дебати дуги.

Підвищити стабільність дуги можна, якщо вводити до складу покриття (флюсу) електропозитивні елементи або нижчі оксиди металів зі змінною валентністю, виводячи фториди в зовнішній шар покриттів, знижуючи активність SіО₂ у шлаку й збільшуючи масу покриття.

Введення легкоіонізуючих елементів у покриття, сердечник порошкового дроту, флюс приводить до підвищення концентрації позитивних іонів у периферійній області дуги й зменшенню її контрагирування внаслідок компенсації дії негативних іонів, а також до зниження роботи виходу електронів з катода. У цьому випадку необхідну щільність струму електронів, що виходять із катода, можна досягти при менших значеннях напруженості електричного поля в катода [27].

Стабілізація дуги досягається посиленням іонізації дугового проміжку, виробленим обмазками. При горінні дуги разом з електродним стрижнем плавиться й випаровується також й обмазка, нанесена на поверхню електрода. Пари матеріалу обмазки, потрапляючи в стовп дуги й піддаючись дії високої температури, насамперед піддаються дисоціації, тобто розпаданню складних хімічних сполук на більше прості, аж до вільних атомів. Якщо в обмазці є речовини з низьким потенціалом іонізації, наприклад лужні й лужноземельні метали, то пари обмазки легко іонізуються й підвищують електропровідність дугового проміжку, полегшуючи горіння дуги. Теорія й досвід показують, що досить домісити до газу з високим потенціалом іонізації невелику кількість пари з низьким потенціалом іонізації, щоб понизити середній ефективний потенціал іонізації газової суміші й різко збільшити ступінь її іонізації й електропровідність. Наприклад, досить домісити до повітря (потенціал іонізації близько 15 ев) близько 1% пар калію (потенціал іонізації 4,3 ев), щоб ступінь іонізації й електропровідність суміші збільшилися в кілька разів. При зварюванні сталевими електродами в дуговому проміжку є у великій кількості пари заліза з потенціалом іонізації 7,8 ев. Тому підсилювати іонізацію дугового проміжку можуть лише елементи, що мають потенціал іонізації менш 7,8 ев, К₂СО₃ (поташ), карбонат кальцію СаСО₃ і т.д., а також крейда, мармур, вапняк, польовий шпат (ортоклаз), деякі глини, деревна зола й т. п. речовини, що містять лужні й лужноземельні метали.

З метою перевірки придатності й прийнятності різних матеріалів для електродних покриттів в ІЕЗ ім. Патона К.К. Хрєновим були виконані важливі дослідницькі роботи. Він досвідченим шляхом установив вплив різних з'єднань калію, кальцію й натрію на стійкість горіння дуги. У всіх випадках з'єднання калію (потенціал іонізації 4,3 ев) дає стійкість дуги більше високу, тобто довжину дуги після природного розриву при нерухомих електродах, чим аналогічні з'єднання натрію (потенціал іонізації 5,1 ев). Цими досвідами були виявлені елементи й з'єднання, що різко знижують стійкість горіння дуги. Хромовокислий калій, що є одним з найбільш сильних іонізаторів, підвищує стійкість дуги й дає можливість працювати на дуже малих струмах, починаючи від 20 А, що досить важливо при зварюванні тонких матеріалів.

До гасителів дуги ставиться вода, тому сирі електроди погано придатні для зварювання. Не рекомендуються також для обмазок речовини, що містять кристалічну воду або сильно гігроскопічні. Гасять дугу галоїди, особливо хлор і фтор й їхні з'єднання, борна й фосфорна кислоти і їхні з'єднання. Крейда іонізує дугу до довжини 9 мм й, як більше доступна і менш шкідлива для здоров'я робітника, колись широко застосовувалась для обмазки. Але при крейдовій обмазці процес зварювання проходить без захисту від впливу атмосферного повітря, тому механічні властивості шва невисокі [26].

1.6 Енергетичні характеристики зварювальної дуги

В електричній дузі енергія джерела живлення перетворюється в кінетичну і потенційну енергію часток плазми. Ця енергія передається зварювальним або наплавленим виробам, а також плавким електродам, які постачають у зону зварювання або наплавлення розплавлений присадковий метал.

Корисною частиною енергії, що використовується у зварювальних процесах, є лише та, яка витрачається на плавлення і потрібне технологічне нагрівання виробу і присадкового метала. Звичайно у зв'язку з неминучістю поширення тепла у виробах відбувається їхнє супутнє нагрівання, часто не потрібне технологією зварювання, а іноді перешкоджає одержанню якісних зварених з'єднань. Нагрівання виробів визначається головним чином законами теплопередачі в металі виробів і лише побічно залежить від процесів у зварювальній дузі. Оскільки воно невіддільне від основного процесу плавлення металу, затрачувану на нього енергію доводиться включати в корисну.

Метал електродів, що плавляться, з отриманої їм від дуги енергією в основному надходить у зварювальну ванну на виробі. Лише невелика частина його розприскується, вибуваючи з основного процесу зварювання. Приблизні енергетичні баланси і к.п.д. окремих дуг, отримані І.Д. Кулагіним, М.М. Рикаліним І.В. Кірдо, наведені на рис. 1.8. [4].

Проаналізуємо ці три випадки розподілу енергетичних балансів. Електрична енергія, що підводиться до зварювальної дуги частково витрачається на процеси, що протікають у дузі, частково передається навколишньому середовищу шляхом конвективної і радіаційної тепловіддачі й світлового випромінювання. Ефективні к.п.д. являють собою відношення теплової потужності даної складової теплового балансу до теплового еквіваленту електричної енергії дуги. Ефективний к.п.д. процесу нагрівання виробу зварювальною дугою залежить від умов її горіння й становить залежно від способу зварювання: під флюсом - 0,80…0,95; електродом, що плавиться, з якісним покриттям - 0,70…0,85; у вуглекислому газі - 0,58…0,72; у вуглекислому газі порошковим дротом - 0,70…0,85; в аргоні електродом, що не плавиться - 0,50…0,60; в аргоні електродом, що плавиться, - 0,70…0,80. Коефіцієнт нагрівання зменшується зі збільшенням довжини дуги й збільшується з поглибленням дуги у зварювальну ванну. На к.п.д. впливає й форма деталі в зоні зварювання - так званий геометричний фактор. Наприклад, при наплавленні валика відкритою дугою в оброблення шва значення к.п.д. на 5…10% вище, ніж при наплавленні на площину. При поглибленні дуги у зварювальну ванну к.п.д. підвищується у зв'язку з поліпшенням теплообміну між дугою й виробом, а також зі зменшенням втрат теплоти з електродним матеріалом. Для більшості відкритих дуг довжиною 3…6 мм к.п.д. дорівнює 50…65%. При повнім зануренні дуги, коли втрати на випромінювання можливі тільки через зазори між поверхнею ванни й стрижневим електродом, к.п.д. оцінюють приблизно в 75…85%.

Теплота, що затрачується дугою на нагрівання електрода, флюсу або захисного газу, багато в чому залежить від характеристики дуги, умов і режиму зварювання. Наприклад, для випадку зварювання електродом, що плавиться, під флюсом теплота, витрачена на нагрівання електрода й флюсу, бере участь потім у нагріванні основного металу, що, деякою мірою впливає на характер уведення теплоти зварювальної дуги у виріб. Схема 3 (див. рис. 1.8, в) при автоматичному зварювання під флюсом є найбільш ефективна, тому що більш повно використовується дуги. Можна припустити, що 18% енергії буде йти на випари із флюсу у крайньому випадку, а на бризки 1%, тому приблизно 19% теплоти буде сприяти випаровуванню елементів у зварювальний дим, усе інше тепло 81% буде відводитись на нагрівання електроду і основного металу.



Рис. 1.8. Енергетичні баланси й к.п.д. зварювальних дуг:

а - вугільний електрод, І_д = 1000 А, U_д = 40 В; б - плавкий

електрод у відкритій атмосфері; І_д = 150ч250 А, U_д = 20ч25 В;

в-плавкий електрод під флюсом, І_д = 1000 А, U_д = 36 В.

При зварюванні плавким електродом 20% теплоти розсіється в навколишній простір, а з ними будуть виділятися і зварювальні дими в робочу зону зварника, на нагрівання електроду 25% і на основний метал 50% теплоти, 5% йтиме на розбризкування (див. рис. 1.8, б). Таким чином ефективна потужність складатиме 75%. У випадку зварювання вугільним електродом к.п.д. буде найнижчий. При зварюванні в захисних газах теплота також використовується на дисоціацію СО₂ з утворенням у ЗА СО, також утворюється О₃, NO NO₂.

При зварюванні потужними дугами електродами з якісним покриттям або під флюсом значна частина теплоти вводиться у виріб через присадковий матеріал, шлаки або флюс (див. рис. 1.8), що приводить до істотно більш складного розподілу теплового потоку.

У кінетичних розрахунках на стадії краплі треба враховувати наступне: безперервне збільшення обсягу (маси) системи за рахунок плавлення електрода; періодичний характер процесу, що відповідає частоті переходу краплі; неповний перехід рідкого металу з електрода при відділенні крапель, що приводить до зміни концентрації реагентів у них згодом (від переходу до переходу).

Рис. 1.9. Залежність концентрації реагенту в краплі від кількості переходів

Склад капель в установленому режимі знаходиться в складній залежності від характеристик переносу. Кількість елементу в частині краплі, яка залишилась, змінюється від переходу до переходу. Автори роботи [12] провели серію експериментів і визначили, що вже на сьомому переході склад краплі відрізняється від стаціонарного складу лише на 0,2%.

На стадії ванни відбуваються реакції її окислення газовою фазою. Дослідження [12] окислення марганцю сумішами аргону з киснем при зварюванні неплавким електродом сталі 10Г2 показало, що зі збільшенням окислювального потенціалу газової фази зміст марганцю в наплавленому (переплавленому) металі зменшується спочатку майже лінійно, тобто з постійною швидкістю, а потім швидкість окислення зменшується (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Залежність змісту марганцю у ванні (наплавленому металі) від парціального тиску кисню в аргоні.

2. Аналіз факторів, які впливають на виділення зварювального аерозолю

2.1 Утворення зварювального аерозолю

ЗА виходить головним чином внаслідок випару матеріалів електрода (покриття й стрижня) у зоні дугового розряду. Пара, що утвориться, під впливом тиску дуги й плазмових потоків переміщається в навколишній простір з більш низькою температурою й конденсується. Існує два механізми утворення ЗА. По першому механізму компоненти електродного й основного металів плавляться й випаровуються, а пари, що вийшли, конденсуються на виході їх з високотемпературної зони стовпа дуги й окисляються. Другий механізм полягає в утворенні під дією кисню - способу зварювання й складу захисних газів змінюється частка участі кожного з вищенаведених механізмів [37]. При електродуговому процесі через вплив на основний метал і матеріал електрода тепла дуги відбувається їхнє плавлення й частковий випар. Пари матеріалу електрода й зварювальної ванни, що утворилися у високотемпературній зоні, виділяються в навколишнє середовище, що має більш низьку температуру, де, конденсуючись у тверді частки, утворять у повітрі зваж дрібнодисперсних часток, які за рахунок аеродинамічних сил тривалий час можуть перебувати у зваженому стані (рис. 2.1). Таким чином, по механізму утворення ЗА відносяться до аерозолів конденсації і являють собою дисперсну систему, у якій дисперсною фазою є дрібні частки твердої речовини - тверда складова зварювального аерозолю (ТСЗА), а дисперсійним середовищем - суміш газів, або газоподібна складова ЗА (ГСЗА).