Оборудование для ручной дуговой сварки

Источник питания сварочной дуги – это устройство, которое позволяет получать необходимый по роду и силе ток. Источники сварочного тока должны иметь специальную внешнюю характеристику, т. е. зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи, которая может быть крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастающей.

Работу любого источника характеризуют три основных его состояния: режим холостого хода (сварочная цепь разомкнута, дуга не горит), режим короткого замыкания (в сварочной цепи течет ток короткого замыкания) и режим нагрузки (дуга горит устойчиво при заданном рабочем токе). Этим состояниям соответствуют определенные точки его внешней характеристики.

Для ручной дуговой сварки используются источники с крутопадающей характеристикой. Для получения такой характеристики используются трансформаторы с повышенным индуктивным сопротивлением X_т, (для обычного силового X_т » 0). Тогда напряжение на выходе трансформатора (напряжение сварочной дуги U_д) будет определяться формулой

,

где U_хх – напряжение холостого хода трансформатора (В)

Y_д – ток дуги (сила сварочного тока, А)

Х_т – индуктивное сопротивление сварочного трансформатора (Ом).

Увеличение сварочного тока (при уменьшении длины дуги) вызывает снижение напряжения на дуге и наоборот, т. е. электрическая мощность дуги почти не изменяется, и этим обеспечивается стабильное горение сварочной дуги. Максимальная сила тока, соответствующая режиму короткого замыкания на первом этапе зажигания дуги, также ограничена, что предупреждает перегрев проводов и самих источников тока и определяется величиной индуктивного сопротивления трансформатора Х_т:

.

Таким образом, регулирование тока короткого замыкания и сварочного тока в различных конструкциях сварочных трансформаторов выполняется за счет изменения величины его индуктивного сопротивления Х_т.

Источник тока должен быть электробезопасным для сварщика (вторичное напряжение источника на холостом ходу ограничено величиной 60–80 В). Следует помнить, что абсолютно безопасным является напряжение 36 В для сухих помещений и 12 В – для сырых. Однако при напряжении ниже 60 В возникают трудности при возбуждении дуги, таким образом, сварочное напряжение не является абсолютно безопасным и при определенных условиях (болезненное состояние, алкогольное опьянение, сырое помещение и т. д.) может привести к смертельному исходу.

Для ручной дуговой сварки в зависимости от рода тока в сварочной цепи используют источники переменного тока – сварочные трансформаторы и источники постоянного тока – сварочные выпрямители и генераторы.

Источники переменного тока более распространены, так как обладают рядом технико-экономических преимуществ: сварочные трансформаторы проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД, чем выпрямители и генераторы.

Существуют сварочные трансформаторы двух групп:

1. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием. Эти трансформаторы могут быть двух типов. В первом случае дроссель может выполняться отдельно от трансформатора. Во втором – в однокорпусном исполнении.

2. Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием также разделяются на два типа: с подвижным шунтом или с подвижной обмоткой.

Наиболее широко используются трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием и подвижной первичной обмоткой. Трансформатор (рис. 1) состоит из замкнутого магнитопровода 1, который собирается из пластин электротехнической стали, и двух обмоток. Вторичная обмотка 3 крепится на магнитопроводе неподвижно. Первичная обмотка 4, подключаемая к промышленной сети, может свободно перемещаться вдоль стержней магнитопровода с помощью винтового механизма 2. Первичная и вторичная обмотки разнесены друг относительно друга, что обусловливает повышенное индуктивное сопротивление трансформатора вследствие появления магнитных потоков рассеяния. При работе трансформатора основной магнитный поток Ф_о, создаваемый первичной и вторичной обмотками, замыкается через магнитопровод. Часть магнитного потока замыкается вокруг обмоток через воздушное пространство, образуя потоки рассеяния Фs₁ и Фs₂. С увеличением расстояние между обмотками увеличиваются потоки рассеяния и, следовательно, возрастает индуктивное сопротивление трансформатора.

Для регулирования сварочного тока изменяют расстояние между обмотками трансформатора. Минимальный сварочный ток соответствует наибольшему расстоянию между обмотками и максимальным потокам рассеяния.

Кроме традиционных источников питания дуги для ручной дуговой сварки все более широко применяются инверторные источники переменного тока. При достаточно большой мощности они имеют малые габариты и массу.

Рабочее место сварщика (сварочный пост) при небольших габаритах изделий организуют в сварочных кабинах размерами 2,0×2,5×2,0 м. Обязательна вытяжная вентиляция. В кабине устанавливают сварочный трансформатор, предусматривают наличие рубильников, кабелей, электрододержателя, заземления источника питания, корпусов рубильников, сварочных столов. На посту должен находиться комплект приспособлений: зубило, молоток и металлическая щетка для удаления шлака, электрошкаф для прокалки электродов, мерительный инструмент, щитки и маски для предохранения сварщика от брызг металла, частиц шлака искр и излучения. Щиток удерживается в руке, а маска надевается на голову и освобождает руку сварщика. Щиток и маска имеют смотровое окно со светофильтром, который поглощает опасные излучения дуги. Различают ослабляющие светофильтры постоянной плотности (черные стекла), которые имеют оптическую плотность (число, показывающее, во сколько раз снижается яркость свечения дуги) от 3 до 13 в зависимости от марки, а также светофильтры с изменяющейся оптической плотностью. Последние без дуги прозрачны, а при ее зажигании за время менее 0,01 с оптическая плотность фильтров автоматически возрастает до номинальной. Действие таких светофильтров основано на способности жидких кристаллов менять свою оптическую плотность под влиянием внешних воздействий.

Спецодежду для сварщика изготавливают из плотного брезента или сукна, на ней не должно быть открытых карманов. Обувь должна иметь глухой верх, брюки навыпуск. Рукавицы изготавливают из плотного брезента, кожи или асбестовой ткани.

Сварочные электроды

Электрод для ручной дуговой сварки (см. рис. 2) представляет собой металлический стержень 1 длиной 300–450 мм, на поверхность которого нанесено покрытие 2. В процессе сварки дуга 6 горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится и вместе с металлом расплавленных кромок свариваемых заготовок образует металлическую ванну 4. Плавится также и покрытие электрода, образуя защитную шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла, что предохраняет его от вредного воздействия атмосферы. Совокупность металлической и шлаковой ванн называют сварочной ванной. По мере движения дуги металлическая ванна затвердевает, и формируется сварной шов 5. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 3.

Стержни электродов изготовлены из сварочной проволоки. Стандартом предусмотрено 77 марок стальной проволоки диаметром 0,2–12 мм, которые делятся на три группы: низкоуглеродистую (Св-08А и др.), легированную
(Св-10Х5М и др.) и высоколегированную (Св-06Х19Н10МЗТ и др.). В марках проволоки «Св» означает «сварочная», первые две цифры – содержание углерода в сотых долях процента, последующие буквы и цифры – содержание легирующих элементов в соответствии с маркировкой легированных сталей; последняя буква «А» – пониженное содержание серы и фосфора.

Покрытия электродов предназначе-ны для обеспечения стабильного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздействия атмосферы и формирования металла шва с заданным составом и свойствами. Равномерное горение дуги достигается за счет введения в покрытие стабилизирующих компонентов – легкоионизирующихся веществ (соединений натрия, калия, кальция в виде мела, мрамора и т. п.). Газовая защита сварочной ванны выполняется введением в покрытия газообразующих веществ: целлюлозы, крахмала и др. Для обеспечения шлаковой защиты в покрытия вводят шлакообразующие элементы – рутиловый концентрат, полевой шпат, марганцевую руду. Для удаления кислорода из сварочной ванны в покрытия вводят раскисляющие компоненты – сплавы железа с активными металлами, например, ферромарганец. Входящий в его состав марганец реагирует с растворенным в ванне кислородом, а также с кислородом оксидов и восстанавливает чистое железо, сам марганец при этом окисляется и уходит в шлак. После застывания шлак образует на поверхности шва твердую стекловидную корку. При удалении шлаковой корки ударами молота следует беречь глаза от разлетающихся стекловидных частичек шлака, закрываясь щитком или маской. В покрытия также вводят легирующие элементы для легирования металла шва. Кроме того, в покрытия добавляют пластификаторы и связующие, придающие покрытию прочность и хорошее сцепление со стержнем.

Различают следующие виды покрытий:

1) кислые (основные компоненты – MnO и SiO₂), обладают хорошими технологическими свойствами, но при сварке выделяют токсичные соединения марганца, поэтому их применение сокращается;

2) рутиловые (основной компонент – TiO₂), обладают высокими сварочно-технологическими свойствами;

3) основные(содержат CaCO₃ и MgCO₃), технологические свойства ограничены;

4) целлюлозные(основные компоненты – целлюлоза и другие органические вещества), создают хорошую газовую защиту и образуют малое количество шлака, например электроды ОМА2.

Стандартное условное обозначение электродов содержит основную информацию о сварочных электродах.

Режим сварки

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и сила сварочного тока.

Диаметр электрода d выбирается в зависимости от толщины листов свариваемого металла S с помощью табл. 1.

Таблица 1

S, мм	1–2	3–5	6–10	11–15	16–20	21 и более
d, мм	2–3	3–4	4–5		5–6	6–8

Сила сварочного тока I определяется по формуле:

I = (20 + 6d)·d, А.

При сварке высоколегированных сталей для уменьшения перегрева металла расчетное значение силы тока уменьшают на 20–30 %.

В производственных условиях для определения силы сварочного тока ориентируются на паспортные данные электродов.

Листы толщиной до 6 мм свариваются встык с одной стороны, а до 12 мм – с двух сторон без разделки кромок. При односторонней сварке листов толщиной более 6 мм выполняется обычно V-образная разделка кромок под углом 60° (рис. 3, а). Если шов можно выполнять с двух сторон, то для толщин свыше 12 мм делают Х-образную разделку (рис. 3, б). Существуют и другие виды разделки кромок.

Рис. 3. V-образная (а) и Х-образная (б) разделка кромок

При толщине свариваемых листов более 6 мм производится многопроходная сварка, так при стыковой сварке листов толщиной 20 мм выполняется 6–7 проходов.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях – нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном (рис. 4), при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Рис. 4. Возможные пространственные положения при сварке:

а – нижнее; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное

Подводимая к свариваемому изделию теплота характеризуется тепловой мощностью дуги. Полная тепловая мощность сварочной дуги

Q = K·I·U, Bт,

где I – сила сварочного тока, А,

U – напряжение на дуге, В,

K – коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для переменного тока K » 0,84).

Часть мощности дуги рассеивается, а то количество теплоты, которое вводится в свариваемое изделие, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги:

G = r·Q, Вт,

где r – КПД дуги (для ручной дуговой сварки r » 0,81).

Основными дефектами сварных соединений являются непровары и несплавления, трещины, раковины и поры.

Качество полученных соединений определяется различными средствами технического контроля: внешним осмотром, неразрушающими и разрушающими методами и др.

Электроконтактная сварка

Контактная сварка – это процесс образования неразъемного соединения за счет нагрева металла проходящим через пятно контакта электрическим током и пластической деформации сварного шва сжимающим усилием. Максимальное количество тепла выделяется в месте сварочного контакта из-за незначительной площади вершин микровыступов и наличия пленок загрязнений и оксидов на поверхности. При непрерывном сдавливании заготовок нагретый металл в местах контакта деформируется, поверхностные оксидные пленки разрушаются и удаляются из зоны контакта. Нагрев продолжается до необходимого пластичного состояния или оплавления материала заготовок.

Параметрами режима контактной сварки являются величина сжимающего усилия Р (Н), плотность тока j (A/мм²) и время протекания тока t (с).

Основными способами контактной сварки являются стыковая, точечная и шовная сварка.

5.1. Стыковая сварка

При стыковой сварке изделия свариваются по всей поверхности соприкосновения. Способ применяется, в основном, для соединения заготовок из сортового проката и труб. Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах сварочной машины, сдавливают силой Р и включают ток (рис. 5). По окончании нагрева ток отключают и одновременно увеличивают сжимающее усилие Р, – производят осадку (проковку).

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния называют сваркой сопротивлением, а при разогреве до оплавления – сваркой оплавлением.

Циклограммой сварки называют совместное графическое изображение силы тока и величины давления в процессе сварки. Циклограммы различных способов сварки похожи, время прохождения сварочного тока обычно существенно меньше времени приложения сжимающего усилия Р (рис. 6).

Перед стыковой сваркой сопротивлением заготовки очищают различными методами, и торцы их плотно подгоняют друг к другу. Сварка оплавлением не требует особой подготовки места соединения, так как в процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а загрязнения удаляются. Стыковой сваркой соединяют заготовки из сталей, медных, алюминиевых и других сплавов при изготовлении концевого режущего инструмента, железобетонной арматуры, длинномерных трубчатых изделий, железнодорожных путей и т. д.

5.2. Точечная сварка

Точечной сваркой называется способ контактной сварки, при котором заготовки соединяются на отдельных ограниченных участках соприкосновения – точках. Листовые заготовки толщиной 0,2–6 мм сжимают между электродами сварочной машины (см. рис. 7) и включают ток. Нагрев продолжают до расплавления внутренних контактирующих слоев. После этого ток выключают, давление несколько увеличивают, а затем снимают. В результате образуется литая сварная точка. Кристаллизация точки протекает под давлением, это позволяет избежать образования усадочных раковин. Перед сваркой место соединения очищают от загрязнений и оксидных пленок. Параметры режима сварки (силу тока, время и давление) подбирают по справочным таблицам, а затем корректируют опытным путем. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из сталей, алюминиевых сплавов в различных отраслях промышленности. Незаменима точечная сварка в автомобилестроении при изготовлении кузовов, кабин, дверей.

5.3. Шовная сварка

Шовной сваркой называется разновидность контактной сварки, при которой подвод тока от источника питания к свариваемым заготовкам осуществляется при помощи двух вращающихся дисковых электродов – роликов (рис. 8).

Листовые заготовки собирают внахлест, зажимают между электродами и пропускают ток. При движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной герметичный шов. Шовная контактная сварка – высокопроизводительный процесс, ее скорость может достигать 10 м/мин, она широко применяется для соединения сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов; толщина листов – от 0,3 до 4,0 мм. Особенно эффективно применение шовной сварки в массовом производстве при изготовлении емкостей для жидкостей и газов. Широко применяется шовно-стыковая сварка труб с прямым продольным сварным швом.

5.4. Сварка аккумулированной энергией

Недостатком контактной сварки является кратковременное импульсное потребление значительной мощности в момент сварки, что создает существенную нагрузку для питающей электрической сети. Сварка предварительно накопленной энергией позволяет создать более благоприятные условия нагружения для сети.

Существует четыре разновидности сварки аккумулированной энергией:

1) конденсаторная – энергия накапливается в батарее конденсаторов;

2) электромагнитная – энергия запасается в магнитном поле специального сварочного трансформатора;

3) инерционная – энергия запасается во вращающихся частях генератора;

4) аккумуляторная – энергия накапливается в аккумуляторной батарее.

Наиболее широко применяется конденсаторная сварка, она используется в производстве электроизмерительных и авиационных приборов, часовых механизмов, фотоаппаратов, элементов полупроводников и электронных схем.

Основными дефектами соединений при стыковой сварке являются непровары, а также чрезмерный рост зерна и обезуглероживание сталей из-за перегрева. Основной показатель качества точечной и шовной сварки – размеры ядра сварной точки и литой зоны шва.

Качество контактной сварки контролируют внешним осмотром, методами неразрушающего контроля, а непровар – разрушением образцов в тисках молотком и зубилом.