Методы сварки

Мерилом мастерства древних зодчих считалось умение построить здание без единого гвоздя. Тогда в ходу были дерево и топор, а как поступают современные умельцы в наш "железный" век? Без болта и заклепки они возводят небоскребы, мосты, плотины, туннели и трубопроводы. Одним из самых надежных и долговечных способов крепления является электросварка. Быстрота, экономичность и прочность - вот главные преимущества, которые позволили ему получить широкое распространение не только в промышленности, но и в быту. Электросварка - это ведущий вид сварки в нашей промышленности. Сваркой называется неразъемное соединение двух или более деталей, с помощью электрического тока присадочного материала (электрод). Первым кто применил сварочную дугу для сварки металла, был русский изобретатель Н.Н.Бенардос. На протяжении многих десятилетий сварку улучшали и совершенствовали, пока, наконец, она прочно не вошла в нашу промышленность. И вот уже целый век нам служит сварочное оборудование.

Cовременные технологии позволяют соединять стали различного уровня легирования и многие цветные сплавы. При этом тип решаемых задач определяет и методы, выбор которых влияет не только на качество, но и на стоимость работ.

В нашей стране используются очень много видов сварки: автоматическая сварка под флюсом, электрошлаковая сварка, газовая сварка, световая сварка, термическая сварка, контактная сварка, диффузионная сварка, газопрессовая сварка и многие другие виды.

В зависимости от характера и интенсивности сварочных работ и размеров свариваемых деталей выпускают большой ассортимент оборудования с различными техническими характеристиками, однако две из них обязательны для аппаратов бытового потребления. Первая - это максимальный сварочный ток, вторая - время, на протяжении которого в 10-минутном рабочем цикле этот ток вырабатывается. Например, аппарат, рассчитанный на 120-амперный ток при 60 %-ном рабочем цикле, должен обеспечивать 120 А в течение не более 6 минут из каждых 10 минут эксплуатации. Остальные 4 минуты отведены на режим холостого тока, при котором аппарат отдыхает.

Приборы и методы современной сварки

Сварка применяется практически во всех отраслях - в промышленности, строительстве, на транспорте. О современных масштабах ее использования свидетельствует тот факт, что более половины валового национального продукта страны получают с привлечением сварочных и родственных им технологий. Всего разработано более 100 видов сварки. С помощью сварки удается соединять любые металлы и сплавы, пластмассы, керамику, стекло. Столь широкая популярность сварочных процессов предопределила большой интерес к мероприятиям по этой тематике, таким как специализированные выставки.

Сварка в промышленных условиях. Завод "Электрик" (г. Санкт-Петербург) -российский производитель сварочного оборудования. Накопленный предприятием многолетний опыт помог его специалистам создать новый сварочный трактор ТС-80 для автоматической дуговой сварки и наплавки стальной электрической проволоки с применением флюса на протяженные швы разных типов. За счет новых технических решений агрегат поддерживает стабильность сварочных режимов в процессе работы при любых условиях эксплуатации.

В нем применены усовершенствованная система управления, новые мощные электродвигатели (180 Вт) с тахогенераторами и токоподвод, обеспечивающий надежный контакт с электродной проволокой. Схема управления трактором позволяет предварительно выставлять необходимые режимы и плавно их корректировать во время сварки. Трактор может работать автоматически с зависимой или независимой от напряжения на дуге скоростью подачи проволоки.

В новой модели увеличен размах настроечных перемещений сварочной головки: по высоте - до 300 мм, по горизонтали - до 150 мм. Разворот головки под разными углами позволяет вести сварку в любых положениях: в колее, вне колеи, в "лодочку", в угол и т. д. Прозрачная труба флюсоподвода очень удобна для визуального контроля наличия флюса. Каретка трактора - полноприводная, поэтому перемещение трактора по изделию происходит без пробуксовок. Сцепление и расцепление колес с приводом оперативно осуществляется с помощью зубчатой муфты.

На тракторе предусмотрены места для крепления копиров (регулируемых направляющих устройств) и флюсоотсоса. Ток сварки при постоянном включении нагрузки (продолжительность включения нагрузки ПН - 100%) достигает 1250 А. Для сварного шва можно использовать электродную проволоку диаметром 2-5 мм. Скорость ее подачи - 4-6 м/мин., скорость сварки - 0,1-2 м/мин. Масса трактора - не более 85 кг.

Предприятие выпустило новую модификацию известного источника ВДУ-505-1 - универсальный сварочный выпрямитель ВДУ-505-2 с более широкими технологическими возможностями. Это устройство можно применять для автоматической и полуавтоматической сварки, для ручной сварки штучным электродом и сварки в среде аргона неплавящимся электродом. ВДУ-505-2 оснащен новым блоком управления с возможностью регулирования угла наклона внешней вольтамперной характеристики (ВАХ). В зависимости от ожидаемых параметров дуги электрода в заданном режиме (ручном, полуавтоматическом, аргоновой дугой) выбирается один из пяти вариантов, различаемых углами наклона ВАХ.

Таким образом, при колебаниях сварочного тока дуговое напряжение изменяется в допустимых пределах. Процесс протекает стабильно, обеспечивая мелкокапельный перенос электродного металла. При этом значительно снижается процент разбрызгивания: коэффициент потерь не превышает 4%. ВДУ-505-2 обеспечивает сварочный ток 500 А при ПН 60% и 385 А при ПН 100%. Диапазон его регулирования составляет от 60 до 500 А на жесткой и от 50 до 500 А на падающей ВАХ. Диаметр штучных электродов может быть от 2 до 6 мм. Масса агрегата - не более 290 кг при габаритах 760_700_900 мм.

Еще одна новинка завода - универсальная установка УДГУ-2510, предназначенная для ручной сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов. Она позволяет производить сварку алюминия и его сплавов с использованием переменного тока, а с использованием постоянного - изделий из нержавеющих сталей, титановых и медно-никелевых сплавов.

Установка состоит из силового блока, возбудителя-стабилизатора сварочной дуги, сварочных горелок, пульта дистанционного управления. К ней прилагается комплект принадлежностей. Компактный и удобный в переноске блок возбуждения дуги, к которому подключается горелка, дает возможность работать на расстоянии до 50 м от источника. С помощью дистанционного пульта управления осуществляется регулирование сварочного тока на месте сварки.

Система управления позволяет предварительно устанавливать сварочный ток по цифровому индикатору и плавно его регулировать в процессе работы. Аппарат может работать в постоянном и импульсном режимах. Токи импульса и паузы регулируются по отдельности. В УДГУ-2510, разработанной для промышленных условий эксплуатации и рассчитанной на длительную непрерывную работу, предусмотрена схема защиты от перегрузки.

Установка обеспечивает мягкую устойчивую дугу, хорошо регулируемую во всем диапазоне токов. Пределы подстройки сварочного тока - от 5 до 250 А на постоянном токе и от 10 до 250 А - на переменном. Благодаря такому широкому диапазону удается сваривать материалы толщиной от 0,3 до 8 мм. Установка обеспечивает сварочный ток 250 А при ПВ 60% и продолжительности цикла 10 минут.

Электродуговая сварка

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла.

б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.

в) Сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами. При этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги.

г) Сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применение постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительному (анод).

Ручная дуговая сварка

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях - нижнем, вертикальном, горизонтальным, потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Производительность процесса в основном определяется сварочным током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.

В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основным металлом. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толщиной 30 - 35 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла - ванна жидкого шлака. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва, покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами, сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов - подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производстве для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 - 100 мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

Электрошлаковая сварка и приплав

При электрошлаковой сварке основной и электродный металл расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Процесс электрошлаковой сварки начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и формирующими устройствами (ползунами), охлаждаемые водой, подаваемой по трубам, путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой.

После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак, являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака (до 2000 градусов по Цельсию) и расплавления кромок основного металла и электродной проволоки. Проволока вводится в зазор и подается в шлаковую ванну с помощью мундштука. Проволока служит для подвода тока и пополнения сварочной ванны расплавленным металлом.

Как правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном положении свариваемых заготовок. По мере заполнения зазора между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие ползуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после себя затвердевший сварной шов.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты. В начале шва - непровар кромок, в конце шва - усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на вводной, а заканчивают на выходной планках, которые затем удаляют газовой резкой.

Шлаковая ванна - более распределенный источник теплоты, чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновременно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести сварку металла большой толщины за один проход.

Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл толщиной более 150 мм сваривают тремя проволоками, а иногда и большим числом проволок, исходя из использования одного электрода на 45 - 60 мм толщины металла. Специальные автоматы обеспечивают подачу электродных проволок и их поперечной перемещение в зазоре.

Электрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с автоматической сваркой под флюсом: повышенную производительность, лучшую макроструктуру шва и меньшие затраты на выполнение 1 м сварного шва.

К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термическая обработка (отжиг или нормализация) для измельчения зерна в металле сварного соединения.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано - сварных и лито - сварных конструкций, таких, как станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п. Толщина свариваемого металла составляет 50 - 2000 мм.

Терминология

Для дальнейшего решения задачи, а также для общего понимания проблемы нам потребуется знание некоторых терминов, связанных с электросварочными установками.

Электросварочная установка - комплекс функционально связанных элементов соответствующего электросварочного и общего назначения электротехнического, а также механического и другого оборудования, средств автоматики, обеспечивающих осуществление необходимого технологического процесса. Состав элементов электросварочных установок зависит от их назначения, конструктивного исполнения оборудования, степени механизации и автоматизации. В состав электросварочных установок в зависимости от перечисленных условий входят кабельные линии, электропроводки и токопроводы внешних соединений между элементами установки, а также в пределах установки трубопроводы систем водоохлаждения и гидравлического привода, линий сжатого воздуха, азота, аргона, гелия, углекислого газа и других газов, а также вакуума.

Источник сварочного тока - специальное электротехническое устройство, способное обеспечить подачу электрической энергии с соответствующими параметрами для преобразования ее в необходимое количество теплоты в зоне плавления или нагрева металла (или неметаллического материала) до пластического состояния для проведения указанных в 7.6.1 процессов.

Сварочная цепь - предназначенная для прохождения сварочного тока часть электрической цепи электросварочной установки от выводов источника сварочного тока до свариваемой детали изделия (термин по ГОСТ 18311-80).

Автономные электросварочные установки - установки с источниками сварочного тока, снабженными двигателями внутреннего сгорания, в отличие от электросварочных установок, питающихся от электрических сетей, в том числе присоединяемых к передвижным электростанциям. Электросварочные установки по степени механизации технологических операций разделяются на установки, на которых эти операции выполняются вручную, полуавтоматические (когда автоматически поддерживается электрический режим сварки, а остальные операции выполняются вручную) и автоматические.

Список литературы

1. Вересов Г. П. Электропитание бытовой РЭА. М.,1983.

2. Белопольский И. И., Пикалова Л. Г. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 272с.

3. Сидоров И. Н., Скорняков С. В. Трансформаторы бытовой РЭА. М.: Радио и связь, 1994. - 367с.

4. Каретников К. А. Расчет трансформаторов и дросселей. М..:, 1973. - 272с.

5. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотным преобразованием. Л.:Энергоатомиздат, 1991.

6. А. С. 1317420 СССР, МКИ 05 1/569 Источник питания с бестрансформаторным входом.

7. Простаков В. Г. Открытия, изобретения. 1987.N22.

8. Петров А. Эффективный импульсный стабилизатор напряжения. Радиолюбитель. N1, 1993, с. 29,