Оборудование для сварки плавящимся электродом
Оборудование для сварки в среде защитных газов по сложности систем регулирования делится на три основные группы: саморегулирование, регулирование одного параметра и регулирование двух параметров.
В основу принципа саморегулирования положена постоянная скорость подачи электродной проволоки вне зависимости от напряжения, тока сварки или длины дуги. Устойчивость процесса сварки обеспечивается изменением скорости плавления электродной проволоки при случайных колебаниях тока дуги, которые происходят при изменении ее длины. Каждой фиксированной скорости подачи электродной проволоки соответствует свой режим горения дуги, при котором скорость подачи равна скорости плавления металла. При небольшом изменении длины дуги меняются режим плавления электрода и упомянутые две скорости. В результате длина дугового промежутка начнет восстанавливаться.
Экспериментальные и расчетные данные и длительный производственный опыт эксплуатации сварочных аппаратов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, использующих саморегулирование дуги, показали, что существуют предельные значения тока, ниже которых процессы установления заданного режима сварки за счет саморегулирования дуги при его случайных изменениях недопустимо затягиваются и предельные значения токов, ниже которых устойчивость горения дуги становится недостаточной для получения качественных сварных соединений
Аппараты с постоянной скоростью подачи проволоки отличаются простотой и надежностью. Настройка скорости подачи производится или ступенчато (сменные шестерни или ролики, коробка скоростей), или плавно (механические вариаторы, двигатели постоянного тока).
Установку, в которой автоматизирован только режим горения дуги, принято называть полуавтоматом для дуговой сварки, а установку в которой автоматизировано еще и перемещение головки вдоль стыка - сварочным автоматом.
Полуавтоматы для дуговой сварки имеют высокие эксплуатационные свойства за счет применения тонкой сварочной проволоки (диаметром до 2,5 мм) при высоких, до 200 А/мм2, плотностях тока. Процесс саморегулирования режима горения дуги происходит достаточно интенсивно и позволяет компенсировать все колебания длины дугового промежутка, возникающие при ручном ведении сварочной головки вдоль стыка. В этих условиях скорость подачи электрода устанавливается в соответствии с необходимым режимом сварки и остается неизменной в течение всего времени выполнения шва.
В состав наиболее распространенных - шланговых - полуавтоматов входят (рис. 3): горелка 1 или комплект горелок со шлангом 2; механизм подачи электродной проволоки 3; кассета, катушка или другие устройства 4, являющиеся емкостями для электродной проволоки; шкаф или блок управления 5 (если он конструктивно не объединен с источником питания); источник питания б; провода для сварочной цепи 7 и цепей управления 8; редуктор и аппаратура для регулирования и измерения расхода газа 9; шланг для газа 10 (в полуавтоматах для сварки в защитных газах); подогреватель газа (в полуавтоматах для сварки в углекислом газе); специальный инструмент, запасные и быстроизнашивающиеся составные части полуавтомата, а также эксплуатационная документация.
Полуавтоматы для сварки без внешней защиты не имеют газовой аппаратуры.
Для того чтобы полуавтоматическая сварка могла успешно соперничать с прогрессивными методами ручной сварки, она должна сочетать преимущества автоматической сварки с маневренностью, универсальностью и гибкостью ручной.
Рис. 3. Шланговый полуавтомат для сварки в защитных газах.
Высокие эксплуатационные свойства современных сварочных полуавтоматов достигаются за счет применения тонкой электродной проволоки, проталкиваемой к электрической дуге по гибкому направляющему шлангу, который позволяет разместить относительно тяжелый механизм для подачи проволоки на значительном расстоянии от зоны сварки (рис. 3).
Сварочный полуавтомат (рис. 4) содержит кассету с проволокой 1, подающее устройство 2, гибкий направляющий шланг 3 и ручной держатель или горелку 4. Электродная проволока 5 сматывается с кассеты и проталкивается ведущим 6 и прижимным 7 роликами через канал и горелку в дугу. В канале проволока находится в сжатом состоянии; усилие сжатия изменяется от максимального при входе в канал до нуля в наконечнике 8 горелки.
Рис. 4. Шланговый полуавтомат толкающего типа.
Для мягких проволок или проволок из металла с высоким коэффициентом трения, а также для проволок малого диаметра (менее 0,8 мм) полуавтоматы толкающего типа неприменимы. В этом случае применяются полуавтоматы тянущего типа, т.е. с механизмом подачи, расположенным в рукоятке горелки. Сварку со шлангами большой длины можно осуществлять путем применения так называемых систем "тяни-толкающего" типа. Размещение тянущего механизма в ручной горелке излишне ее утяжеляет. Поэтому такие устройства применяют в исключительных случаях.
Пример конструкции горелки для механизированной сварки представлен на рис. 5. Горелка содержит изогнутый мундштук 5 с переходной втулкой 2 и наконечником 6, рукоятку I с гашеткой 4 пусковой кнопки, защитный щиток 7 и сопло 8 для создания вокруг зоны сварки защитной атмосферы 9. Сопло изолировано от наконечника и может легко заменяться. Переходная втулка имеет ряд отверстий 3, расположенных перпендикулярно направлению подачи проволоки и предназначенных для подвода в зону сопла защитного газа. Это обеспечивает получение ламинарного газового потока.
Рис. 5. Горелка для полуавтоматической сварки плавящимся электродом в защитных газах.
При сварке в углекислом газе брызги прилипают к соплу и наконечнику, ухудшая газовую защиту зоны сварки и образуя токоведущую перемычку между соплом и наконечником горелки. Для снижения вероятности прилипания брызг применяют различные сопла: охлаждаемые, составные с изоляционной прокладкой, металлокерамические и др. Несколько снижают прилипание брызг теплостойкие покрытия или хромирование сопла. Эффективно применение защитных смазок, например, силиконовых (раствора кремнийорганических соединений). При наличии смазки на поверхности сопла и наконечника, брызги металла не привариваются, а только прилипают, поэтому они легко удаляются.
При защите шва газом полуавтомат комплектуют газовым баллоном с регулирующей аппаратурой.
Сварочные автоматы.Для автоматической сварки применяют аппараты различных типов. В качестве основного оборудования для автоматической дуговой сварки (наплавки) используют сварочные автоматы, станки и установки.
Автоматы для дуговой сварки применяются как с плавящимся, так и с неплавящимся электродами. В промышленности наибольшее распространение получили сварочные автоматы для сварки плавящимся электродом. Поэтому ниже рассматриваются главным образом эти автоматы.
Автоматы для дуговой сварки (наплавки) плавящимся электродом обеспечивают выполнение механизмами без непосредственного участия человека, в том числе и по заданной программе, следующих операций: возбуждение дуги в начале сварки; поддержание дугового процесса; подачу сварочных материалов (электрода или присадочного материала, защитного газа или флюса) в зону дуги; относительное перемещение дуги вдоль линии сварного соединения путем перемещения сварочного автомата или изделия; прекращение процесса сварки.
Автоматы тракторного типа для дуговой сварки (наплавки) плавящимся электродом классифицируются по следующим признакам (ГОСТ 8213-75): а) способу защиты зоны дуги (Ф - для сварки под флюсом, Г - для сварки в защитных газах, ФГ - для сварки как в защитных газах, так и под флюсом); б) роду применяемого сварочного тока (для сварки постоянным, переменным, переменным и постоянным током); в) способу охлаждения (с естественным охлаждением токопроводящей части сварочной головки и сопла, с принудительным охлаждением — водяным или газовым); г) способу регулирования скорости подачи электродной проволоки (с плавным регулированием, плавно-ступенчатым и ступенчатым); д) способу регулирования скорости сварки (с плавным регулированием, плавно-ступенчатым и ступенчатым); е) способу подачи электродной проволоки (с независимой от напряжения на дуге подачей и зависимой от напряжения на дуге подачей); ж) расположению автомата относительно свариваемого шва (для сварки внутри колеи, для сварки внутри и вне колеи).
Аналогично можно классифицировать автоматы подвесные, самоходные и несамоходные.
В состав сварочных (наплавочных) дуговых автоматов входят: сварочный инструмент (сварочные мундштуки или горелки); механизм подачи электродного или присадочного материала; механизм перемещения вдоль линии соединения; механизм настроечных, вспомогательных и корректировочных перемещений; устройства для размещения электродного или присадочного материала; флюсовая или газовая аппаратура; системы управления; источники сварочного тока; средства техники безопасности.
Основные параметры автоматов тракторного типа для дуговой сварки плавящимся электродом должны соответствовать ГОСТ 8213-75. Аналогично этому подвесные самоходные и несамоходные автоматы для дуговой сварки плавящимся электродом имеют примерно такие же основные параметры.
Для направления движения автомата вдоль стыка разработаны различные конструкции указателей положения головки, копирующих роликов и систем слежения за стыком.
ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА
Электрошлаковая сварка(ЭШС) - это способ сварки плавлением, при котором для нагрева используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак от электрода к изделию. В этом принципиальное отличие процесса ЭШС от дуговых способов сварки.
ЭШС применяют при выполнении прямолинейных, криволинейных и кольцевых швов. Минимальная толщина деталей, соединяемых ЭШС, находится в пределах 25...30 мм. Экономически целесообразно использовать ЭШС при изготовлении толстостенных конструкций из низко- и среднеуглеродистых сталей, чугуна и цветных металлов.
Схема процесса электрошлаковой сварки:
1 — свариваемая деталь; 2 — электрод; 3 — расплавленный флюс; 4 — сварочная ванна; 5 — сварной шов; 6 — подвижные ползуны-кристаллизаторы; 7 — подвод охлаждающей воды; стрелками показано направление сварки.
Приэлектрошлаковой сварке (ЭШС) сварочный ток проходит по электроду, жидкому шлаку, обладающему определенным электрическим сопротивлением, и основному металлу, обеспечивая выделение тепла для расплавления основного и присадочного металлов, а также флюса, поступающего в ванну. Слой расплавленного шлака за счет меньшей, чем у расплавленного металла, плотности находится в верхней части ванны, исключает воздействие воздуха на жидкий металл и очищает капли электродного металла, проходящие через шлак, от вредных примесей.
Для начала электрошлакового процесса необходимо расплавление флюса и образование шлаковой ванны. Применяют следующие способы создания шлаковой ванны: «твердый старт», когда сварочный флюс вначале плавится электрической дугой во входном кармане, и «жидкий старт», когда в карман заливают жидкий флюс, который предварительно расплавляют в электрической печи. Для более легкого возбуждения дуги на дно входного кармана засыпают металлический порошок, стружку, термитные смеси, а затем дуга шунтируется подсыпаемым и расплавляющимся флюсом.
Глубина шлаковой ванны может изменяться в пределах 35...60 мм. Температура шлаковой ванны около электрода — 1900...2000°С. Скорость плавления присадочного металла при электрошлаковой сварке больше, а расход флюса в 10...20 раз меньше, чем при дуговой сварке, и составляет около 5% расхода электродной проволоки. При ЭШС обеспечивается возможность получения за один проход сварных соединений теоретически любой толщины.
Электрошлаковые швы формируют с помощью водоохлаждаемых ползунов или медных подкладок, а также стальных подкладок или замковых соединений.
Шлаковая ванна в электрической сварочной цепи является нелинейным активным сопротивлением, что позволяет использовать для сварки источники с жесткой внешней характеристикой.
ЭШС за счет значительной тепловой инерции ванны характеризуется высокой устойчивостью процесса, мало зависящей от рода тока, кратковременных изменений силы тока и даже его прерывания. Процесс устойчив при плотностях тока 0,2...300 А/мм2 и позволяет использовать проволочные электроды диаметром от 1,6 мм и пластинчатые электроды сечением от 400 мм2 и более.
Основные недостатки электрошлаковой сварки. Сварку выполняют только в вертикальном или в близком к вертикальному положениях (отклонение от вертикали не более 30°). В случае вынужденной остановки сварной шов подвергают ремонту или полностью удаляют и вновь сваривают. Кроме того, необходимо изготавливать и устанавливать перед сваркой технологические детали (планки, «стартовые карманы», формирующие устройства и др.). Крупнозернистая структура в металле шва и зоне термического влияния и обусловленная этим низкая ударная вязкость металла сварного соединения при отрицательных температурах также ограничивают область применения ЭШС.
Существует три основные разновидности электрошлаковой сварки и наплавки: проволочными электродами, плавящимся мундштуком и электродами большого сечения.
Сварка проволочными электродами. Электродная проволока диаметром 2...3 мм — наиболее распространенный тип электродов для ЭШС стыковых соединений толщиной до 500 мм. Соединения толщиной до 50 мм выполняют одним неподвижным электродом. При толщинах металла 50... 150 мм — одним электродом с колебательным движением, 100...300 мм — двумя электродами и 150...450 мм — тремя электродами. Расстояние между электродами зависит от толщины деталей и обычно не превышает 160 мм. Скорость сварки при ЭШС сравнительно небольшая и колеблется в зависимости от толщины деталей и числа электродов в пределах 0,5... 15 м/ч.
Сварка плавящимся мундштуком. Наиболее универсальный способ, которым можно соединять детали толщиной 20...2000 мм, в том числе детали имеющие переменную толщину и криволинейную форму. Плавящийся мундштук неподвижен в зазоре и представляет собой тонкостенную трубку или набор пластин толщиной 5 и 10 мм или стержней, снабженных каналами для подачи электродной проволоки. Форма плавящегося мундштука определяется конфигурацией свариваемого стыка, а материал должен быть подобен основному.
Каналы мундштука соединяют трубками с механизмом подачи электродной проволоки. Число электродов определяют из расчета: одна проволока на 50...70 мм толщины детали. Скорость подачи электрода должна быть в пределах 120... 160 м/ч при сварке толщин металла более 100... 150 мм.
Сварка электродами большого сечения.Изделия толщиной до 200мм сваривают одним пластинчатым электродом, изделия большей толщины — двумя или тремя электродами. Оптимальная толщина электродов 10... 12 мм при зазоре между кромками 28...32 мм. Ширина электрода практически равна толщине свариваемого металла, при сварке двумя и тремя электродами зазор между ними —12...16 мм.
Длину электрода выбирают, учитывая длину шва с входным карманом и выходными планками, сварочный зазор, толщину пластинчатого электрода и конструкцию зажима электрода, равную обычно 500...600 мм. Для сварки стыка длиной 1000мм требуется электрод длиной 3600 мм, поэтому способ применяют для швов длиной не более 1500мм.
Сварочный ток зависит от скорости сварки, скорости подачи пластины, толщины и ширины пластинчатого электрода, толщины свариваемого металла и устанавливается в пределах от 600 Адо 2000 Ана каждый электрод. Оптимальная скорость подачи пластинчатого электрода — 1,2...4,0м/ч.