Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

A WAY OF MELTING METALS USING ALTERNATING CURRENT

Sadriev R.Sh.
The article is devoted to the problem of melting the metals having hard-melting oxidic cover on the surface. Researches were done the arc discharge having an opposite polarity and burning between the nozzle of a plasma torch and a ware which is caused and stabilized with the help of a not plasma. As a result of the experiments the examples made of non-ferrous metals and aluminum were got.
Сварка является одним из самых распространенных технологических процессов в машиностроении и строитель­стве. Простейшие приемы сварки были известны еще с глу­бокой древности. Древним была известна в основном литей­ная сварка. Соединяемые детали заформовывали и подогре­вали, а место соединения заливали заранее приготовленным расплавом металлов. Чтобы получить изделие из железа и его сплавов, нужно было нагревать металлов кузнечных горнах и проковывать его. Такой метод получил название горновой, или кузнечной, сварки. Этот вид сварки был ши­роко известен и использовался во всем мире вплоть до конца XIX века. Научное обоснование и дальнейшее раз­витие сварка получила благодаря трудам великого русско­го ученого-энциклопедиста М.В.Ломоносова и его дру­га - академика Г.В. Рихмана. Широко известны слова Ло­моносова, о том, что «...електрическая сила открывает великую надежду к благополучию человеческому».

Русский электротехник, профессор Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров развил учение Ломоносова об электрической дуге и в 1802 году проде­монстрировал членам медицинской коллегии свое замеча­тельное открытие - электрическую дугу, которая возни­кает при соединении двух угольков, соединенных проводами с источником тока высокого напряжения. Продолжая экс­периментировать в своей лаборатории, ученый заменяет один из углей металлической проволокой и в результате получает пламя, от которого плавится металл. Таким об­разом ученый пришел к выводу, что электрическую дугу можно использовать для плавления металла.

Для практического осуществления электрической сварки металлов понадобились многие годы совместных усилий физиков и техников. В 1882 году россиянин Н.Н.Бенардос предложил способ электрической дуговой сварки угольным электродом. Идея электросварки посетила Бенардоса во время посещения кузни, когда ученый наблюдал за кузнечной сваркой - разогревом кромок стальных и свинцовых деталей и проковыванием их в месте соединения. Бенардос предложил разогревать кромки при помощи электрической дуги. Для соединения свинцовых плас­тин аккумуляторов изобретатель использовал тепло элек­трической дуги, открытой В.В.Петровым. Дуга возникала между углем и аккумуляторной пластиной, которая была электропроводка и служила одновременно вторым элект­родом. К пластине, прижатой к раме, подсоединялся один полюс батареи, второй полюс должен быть соединен с уголь­ным стержнем, закрепленным в специальной рукоятке. Ученый касался углем места соединения. От дуги начали плавиться кромки соединенных деталей, образуя так на­зываемую ванну расплавленного металла. Вводя в пламя дуги конец свинцового прутка, Бенардос расплавил его. В образовавшейся сварочной ванночке происходило сли­яние соединяемых частей металлов. После затвердения образовался однородный наплавленный металл - свар­ной шов.

В 1888 году другой русский ученый - Н.Г.Славянов - изобрел способ дуговой электрической сварки, ко­торый был назван электрической отливкой металлов. Спо­соб обеспечил непрерывное плавление и повысил эффек­тивность сварки. Кроме того, Славянов впервые осуществил и описал сварку дугой, погруженной во флюс.

В 1940 году академик Е.О.Патон, основываясь на работах Славянова, разработал со своими учениками спо­соб скоростной автоматической сварки под флюсом. Этот способ положен в основу механизации сварочного произ­водства в нашей стране.В настоящее время широко применяется электроду­говая, электрошлаковая и плазменно-дуговая сварка [1,2].

Из всех видов сварки менее исследованным является плазменно-дуговая сварка. По этой причине были проведены исследования дугового разряда обратной полярности, горящий между соплом плазменной горелки и изделием, возбуждаемый и стабилизируемый с помощью факела плазмы, в ходе экспериментов были получены сваренные образцы из цветных металлов и алюминия толщиной в десятые доли миллиметра. Однако в этом случае блуждание катодного пятна приводит к образованию широкого шва и зна­чительной зоны термического влияния по сравнению, например, с микроплазменной сваркой дугой прямой полярности.

В разработанном способе сварки дуга обратной полярности используется только в один полупериод для разрушения (очистки) окисных пленок на кромках свариваемых деталей. Плав­ление металла осуществляется в другой полупериод высоко­концентрированным источником тепла - дугой прямой поляр­ности, горящей между электродом плазматрона и из­делием. При этом получается узкий шов с малой зоной терми­ческого влияния.

Рисунок 1. Схема принципа плазменной сварки на переменном токе:

  1. - электрод;
  2. - плазменная дуга;
  3. - свариваемое изделие;
  4. - источник питания.

Сущность способа иллюстрируется схемой, изображенной на рис.1. Между электродами плазматрона в потоке плазмообразующего газа непрерывно горит дежурная ду­га постоянного тока, создающая в промежутке электрод - изделие факел плазмы. При подаче на сопло горелки положительного относительно изделия полупериода напряжения между електродом и изделием формируется дуга обратной полярности с неста­ционарным катодным пятном. В течение этого полупериода про­исходит разрушение окисной пленки на кромках свариваемого изделия. Величина тока обратной полярности выбирается толь­ко из соображений качественной очистки и поэтому мала. За­тем на медный электрод горелки поступает отрицатель­ный относительно изделия полупериод напряжения. При этом формируется плазменная дуга с большой плотностью энергии, достаточной для плавления, и, таким образом, осуществляется сварка металлов, имеющих на поверхности тугоплавкие окисные пленки [3].

В созданном способе плазменной сварки на переменном токе на электроды попеременно подаются полупериоды напряжения синусоидальной формы промышлен­ной частоты (50 Гц). Как следует из описанного способа свар­ки, через изделие проходит асимметричный переменный ток, а по медному электроду - только ток прямой полярно­сти. Поэтому оплавления электрода, как при аргонодуговой сварке на переменном токе, не происходит. Это обеспечивает высокую пространственную устойчивость и стабильность горе­ния дуги даже на токах = 1 А.

Возможность раздельной регулировки тока прямой и обрат­ной полярности является важным технологическим преимуще­ством данного способа сварки, поскольку это позволяет незави­симо управлять степенью очистки поверхности и скоростью плавления металла.

Режим дежурной дуги и величины токов в различные полупериоды являются важными технологическими параметрами, оптимальный выбор которых обеспечивает ста­бильность процесса сварки цветных металлов и хорошее каче­ство сварного соединения.

Следует отметить, что нестационарное катодное пятно в процессе своего блуждания не только очищает открытые по­верхности изделия, но и проникает в зазор между свариваемыми кромками, обеспечивая получение высококачественного сварного соединения без окисных включений. Это свойство пятна проникать в щели, трещины, поры, раковины и т. п. было использовано нами при разработке спо­соба заварки дефектов в различных металлах, в том числе и алюминии. Сущность этого способа заключается в следующем. В начале процесса дефектный участок изделия (в том числе внутренние полости дефектов) очищается от окисной пленки и других загрязнений дугой обратной полярности, горящей между электродом и изделием. Ток дуги мал, и заплавления дефектов не происходит. По окончании очистки наступает вторая стадия процесса - заплавление дефекта по способу сварки на перемен­ном токе.

Рисунок 1. Динамичеекая вольт-амперная характеристика дуги

Стабильность процесса горения дуги прямой и обратной по­лярности на переменном токе иллюстрируется динамической вольт-амперной характеристикой (рис.1). По оси абсцисс записывается ток дуги, по оси ординат - падение напряжения. В обоих случаях как при , так и при  харак­теристика  для дуги прямой полярности падающая . Характеристика подобна статическим вольт-амперным характеристикам плазменной дуги на постоянном токе.

 Как показала практика, разработанный способ плазменной сварки металлов на переменном токе является устойчивым процессом даже на малых токах и позволяет осуществлять качественную сварку алюминия и его сплавов малых и весьма малых толщин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М., Машиностроение, 1970. 335 с.
  2. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Изд. Машиностроение Ленингралское отд-ие. 1987.
  3. Теория термической электродуговой плазмы. Под ред. Жукова М.Ф. Новосибирск. 1987.