Entwicklung des Lichtbogenschweißens
Geschichte des Lichtbogenschweißens
Erste praktische Anwendung ein Regenbogen Beim Elektroschweißen von Metallen gelang dies erst 1882, als N.N. Benardos in St. Petersburg ein „Verfahren zum Verbinden und Trennen von Metallen durch direkte Einwirkung von elektrischem Strom“ entwickelte, das er „Elektrohephaestus“ nannte.
Nach der Schlussfolgerung der Akademiker N. S. Kurnakov, O. D. Khvolson und anderen besteht das Wesentliche dieser Methode darin, dass das bearbeitete Objekt mit einem und die Kohle mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden wird und zwischen dem bearbeiteten Objekt und dem Spannungsbogen ein Spannungsbogen entsteht Die Kohle erzeugt eine ähnliche Wirkung wie die Flamme einer Lötlampe, wenn Metall erhitzt und geschmolzen wird. Eine spezielle Kohlenstoff- oder andere leitfähige Elektrode wird in den Halter eingesetzt und der Lichtbogen wird von Hand unterstützt.
In den Jahren 1888 - 1890 wurde die Methode, die Wärme eines Lichtbogens zum Schweißen von Metallen zu nutzen, vom Bergbauingenieur N.G. verbessert.Slavyanov, der die Kohlenstoffelektrode ausschließlich durch eine Metallelektrode ersetzte und ein halbautomatisches Gerät zur Versorgung einer Metallelektrode während des Brennens und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens entwickelte, das er „Schmelzgerät“ nannte.
Die Essenz der Wege Lichtbogenschweißen, entstanden als Ergebnis der Arbeit der talentierten Ingenieure-Erfinder N. N. Benardos und N. G. Slavyanov, ist bis heute unverändert geblieben und kann wie folgt charakterisiert werden: Der zwischen der Elektrode und den verbundenen Teilen des Produkts gebildete Lichtbogen schmilzt das Grundmaterial von Das Produkt wird mit seiner Hitze erhitzt und die der Lichtbogenflammenzone zugeführte Elektrode schmilzt – ein Füllmaterial, das in Form von Tropfen geschmolzenen Metalls die Verbindungsstelle füllt und mit dem Grundmetall des Produkts verschmilzt. In diesem Fall wird die Gesamtwärmeerzeugung des Lichtbogens durch die Wahl eines geeigneten Modus reguliert, dessen Hauptparameter der Strom ist.
In der praktischen Anwendung wurden und werden zahlreiche Verbesserungen der Methoden erzielt, die das Wesen der Prozesse nicht verändern, sondern ihren praktischen Wert steigern. Die Entwicklung der geschaffenen Schweißverfahren geht einher mit der Entwicklung der Energiegrundlagen der Schweißtechnik in Richtung einer Verbesserung der Qualität und Produktivität des Schweißens.
Die wichtigsten Bedingungen, die zu dieser Entwicklung beigetragen haben, waren:
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Gewährleistung eines stabilen Lichtbogenbetriebs;
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Erzielung einer angemessenen Qualität und Festigkeit der Verbindung.
Die erste Bedingung wurde durch die Schaffung von Energiequellen erfüllt, deren Eigenschaften durch die Eigenschaften eines Lichtbogens unter Schweißbedingungen bestimmt wurden.
Der Lichtbogen als Hauptwärmequelle und Energieverbraucher beim Schweißen ist durch eine dynamische Belastung gekennzeichnet, bei der es in Zeitintervallen von Hundertstelsekunden zu starken Änderungen des elektrischen Regimes im Lichtbogenkreis kommt.
Das Abschmelzen der Elektrode und die Übertragung von Metall von der Elektrode auf das Werkstück führen zu starken Schwankungen der Lichtbogenlänge und zu wiederholten Kurzschlüssen der Lichtbogenstromquelle (bis zu 30 Mal pro Sekunde) in sehr kurzen Abständen. In diesem Fall bleiben Strom und Spannung nicht konstant, sondern ändern sich augenblicklich von einem bestimmten Wert zu einem Maximum und umgekehrt.
Solche Lastsprünge stören den Gleichgewichtszustand des Lichtbogensystems – aktuelle Quelle… Damit der Lichtbogen bei einem bestimmten Stromwert lange brennt, ohne zu erlöschen und nicht in andere Formen der elektrischen Entladung überzugehen, ist es notwendig, dass die den Lichtbogen versorgende Stromquelle schnell auf auftretende Veränderungen reagiert Modus des Lichtbogens und sorgt für dessen stabilen Betrieb.
Zu Beginn der Entwicklung der elektrischen Schweißtechnik erfolgte dies mit Hilfe eingebauter Ballastwiderstände, um den Strom zu begrenzen und den Lichtbogen im Hauptstromkreis der elektrischen Maschinen sequentiell zu beruhigen. Anschließend entstehen spezielle Stromquellen mit fallender Charakteristik und geringer magnetischer Trägheit, die den Anforderungen, die sich aus den Eigenschaften des Schweißlichtbogens ergeben, voll und ganz gerecht werden.
Parallel zur Entwicklung der Elektroschweißtechnik werden Studien durchgeführt, die es ermöglichen, die Hauptparameter der statischen Eigenschaften des Lichtbogens unter Schweißbedingungen zu ermitteln und die optimalen Bedingungen und die wichtigsten elektrischen Parameter der Energiequellen und deren Einfluss darauf zu untersuchen die Stabilität und Kontinuität des Brennens des Lichtbogens während des Schweißens.
In der nächsten Zeit wurde auf der Grundlage der Erforschung der Statik und Dynamik des Prozesses in Elektroschweißmaschinen eine Klassifizierung von Schweißmaschinensystemen und -geräten entwickelt und eine einheitliche verallgemeinerte Theorie von Schweißmaschinen erstellt.
Eigenschaften des Lichtbogenschweißverfahrens
Der Prozess des Lichtbogenschweißens ist ein sehr komplexer Komplex physikalischer, chemischer und elektrischer Phänomene, die in allen Phasen und in extrem kurzen Zeiträumen kontinuierlich ablaufen. Im Vergleich zu herkömmlichen metallurgischen Verfahren zum Schmelzen von Metallen unterscheidet sich der Schweißprozess:
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kleines Badvolumen mit geschmolzenem Metall;
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hohe Temperaturen der Metallerwärmung, die bei hohen Geschwindigkeiten und lokaler Erwärmung zu hohen Temperaturgradienten führen:
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eine untrennbare Verbindung zwischen dem aufgetragenen Metall und dem Grundmetall, wobei letzteres sozusagen eine Form für ersteres darstellt.
Somit ist das erhitzte und geschmolzene Metall in einem kleinen Schweißbadvolumen von einer erheblichen Masse des Grundmetalls mit niedrigerer Temperatur umgeben. Dieser Umstand bestimmt natürlich die hohen Aufheiz- und Abkühlraten des Metalls und damit die Art und Richtung der im Schweißbad ablaufenden Reaktionen.
Beim Durchgang durch die Lichtbogenstrecke wird das geschmolzene zusätzliche Metall bei sehr hohen Temperaturen der Atmosphäre des Lichtbogens ausgesetzt, was zur Oxidation des Metalls und zur Absorption von Gasen aus ihm führt, und es wird eine Aktivierung von Inertgasen (hauptsächlich Stickstoff) beobachtet Lichtbogen, dessen Aktivität in herkömmlichen metallurgischen Prozessen vernachlässigbar ist.
Das geschmolzene Metall im Schweißbad ist außerdem einer Lichtbogenatmosphäre ausgesetzt, in der physikalisch-chemische Reaktionen zwischen dem Metall, seinen Verunreinigungen und den von ihm absorbierten Gasen stattfinden. Als Folge dieser Phänomene weist das abgeschiedene Schweißgut einen erhöhten Sauerstoff- und Stickstoffgehalt auf, was bekanntermaßen die mechanischen Eigenschaften des Metalls verringert.
Wenn ein Metall in einen Lichtbogen übergeht und im geschmolzenen Zustand an der Stelle der Verunreinigung im Eisen verbleibt, verbrennen auch Legierungszusätze, was ebenfalls die mechanischen Eigenschaften des Metalls verschlechtert. Gase, die bei der Verbrennung von Verunreinigungen entstehen, sowie solche, die bei der Erstarrung der Metallschmelze im Metall gelöst werden, können zur Bildung von Hohlräumen und Poren im abgeschiedenen Metall führen.
Somit erschweren die beim Schweißen ablaufenden Prozesse die Gewinnung von qualitativ hochwertigem Schweißgut. Es stellte sich heraus, dass diese Schwierigkeiten so groß waren, dass es ohne besondere Maßnahmen unmöglich war, eine Schweißnaht mit Eigenschaften zu erhalten, die den Eigenschaften des Schweißguts, das den Hauptindikator für die Schweißqualität darstellt, nahe kommen.
Verbesserung der Lichtbogenschweißtechnik
Die wichtigste Maßnahme zur Verbesserung der Qualität und Festigkeit von Metallverbindungen bei bestehenden Lichtbogenschweißverfahren war die Verwendung spezieller Beschichtungen – Beschichtungen auf den Elektroden.
In der Anfangszeit bestand die Funktion solcher Beschichtungen darin, durch ihre ionisierende Wirkung die Zündung zu erleichtern und die Stabilität des Lichtbogens zu erhöhen. Später kommt es mit der Entwicklung dicker oder hochwertiger Beschichtungen, deren Funktion neben der Erhöhung der Stabilität des Lichtbogens auch darin besteht, die chemische Zusammensetzung und Struktur des abgeschiedenen Metalls zu verbessern, zu einer deutlichen Steigerung der Schweißqualität beobachtet.
Die Entwicklung spezieller Beschichtungen auf Elektroden hat es in den letzten Jahren ermöglicht, den Einsatz grundlegender Methoden zum Schweißen und Schneiden von Metallen unter Wasser zu verbreiten. In diesem Fall besteht der Zweck der Beschichtungen auf den Elektroden (aufgrund ihres langsameren Abbrennens als die Elektrode) auch darin, einen Schutzschild um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten und eine Blase zu bilden, in der der Lichtbogen mit den beim Verbrennen der Beschichtungen freigesetzten Gasen brennt .
Gleichzeitig mit der Verbesserung der Qualität der Schweißverbindung ist eine Steigerung der Schweißproduktivität zu beobachten, die beim Handschweißen durch eine Erhöhung der Leistung des Schweißlichtbogens bei gleichzeitiger Vergrößerung des Durchmessers der Metallelektrode erreicht wird. Eine deutliche Leistungssteigerung und eine Vergrößerung der Elektroden führten dazu, dass das manuelle Schweißen durch automatisches Schweißen ersetzt wurde.
Die größten Schwierigkeiten beim automatischen Schweißen stellten die Elektrodenbeschichtungen dar, ohne die ein qualitativ hochwertiges Schweißen unter modernen Anforderungen nahezu unmöglich ist.
Eine erfolgreiche Lösung bestand darin, die Beschichtung aus zerkleinertem körnigem Flussmittel nicht der Elektrode, sondern dem Grundmetall zuzuführen.In diesem Fall brennt der Lichtbogen unter einer Flussmittelschicht, wodurch die Wärme des Lichtbogens effizienter genutzt wird und die Naht vor Lufteinwirkung geschützt wird. Diese Ergänzung stellte eine Verbesserung des grundlegenden Metallelektrodenschweißprozesses dar, der die Produktivität erheblich steigerte und die Schweißqualität verbesserte.
Die Möglichkeit, den thermischen Zustand der zu verbindenden Metalle mithilfe moderner Energiequellen für den Schweißlichtbogen zu steuern, ermöglicht die Realisierung aller Übergangsformen des Fügeprozesses vom plastischen in den flüssigen, geschmolzenen Zustand der Werkstoffe. Dieser Umstand eröffnet neue Möglichkeiten, nicht nur verschiedene Metalle, sondern auch nichtmetallische Materialien miteinander zu verbinden.
Mit der Verbesserung der technologischen Schweißverfahren steigt die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Schweißkonstruktionen. In der Anfangszeit, als der Schweißvorgang ausschließlich manuell durchgeführt wurde, wurde das Lichtbogenschweißen bei allen Arten von Restaurierungs- und Reparaturarbeiten eingesetzt.
Die Bedeutung des Lichtbogenschweißens als eines der wichtigsten und fortschrittlichsten technologischen Verfahren ist derzeit unbestreitbar. Erfahrungen mit dem Einsatz des Schweißens in verschiedenen Branchen haben eindeutig gezeigt, dass diese Methode der Metallbearbeitung nicht nur eine Metalleinsparung (25–50 %) ermöglicht, sondern auch die Herstellung von Arbeiten aller Arten von Metallkonstruktionen erheblich beschleunigt.
Die Entwicklung der Mechanisierung und Automatisierung des Prozesses, die auf eine kontinuierliche Steigerung der Produktivität bei gleichzeitiger stetiger Steigerung der Qualität und Festigkeit des Schweißens abzielt, erweitert den Anwendungsbereich weiter.Derzeit ist das Lichtbogenschweißen das führende technologische Verfahren bei der Herstellung von Metallkonstruktionen aller Art, die unter statischen und dynamischen Belastungen bei niedrigen und hohen Temperaturen arbeiten.
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