ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Для питания сварочной дуги требуется источник тока, удовлетворяющий ряду требований. Он должен иметь достаточно высокое напряжение холостого хода, т. е. обеспечивать напряжение между электродом и изделием, достаточное для легкого возбуждения дуги, но не превышающее 80 … 90 В, что определяется нормами безопасности труда. Источник должен обладать достаточной мощностью для выполнения определенных сварочных работ. Сварочный источник не должен выходить из строя в режиме короткого замыкания, поскольку этот режим всегда имеет место при сварке. Он должен иметь устройство для возможности плавного регулирования сварочного тока, обладать хорошими динамическими свойствами, т. е. обеспечивать быстрое восстановление режима после коротких замыканий и устойчиво работать на заданном режиме.

Исходя из этих требований конструируются сварочные источники. Одной из важных характеристик сварочного источника является его внешняя или вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая собой зависимость между напряжением на клеммах источника и сварочным током. Внешняя характеристика сварочного источника (рис. 4.9) в зависимости от его назначения (для ручной или автоматической сварки, для сварки в защитных газах и т. п.) может быть крутопадающей 1, возрастающей 2 или жесткой 3.

Рассмотрим работу энергетической системы источник - дуга. Для этого совместим на одном графике (рис. 4.10) ВАХ источника и статическую характеристику дуги. Точка 1 ВАХ источника соответствует режиму холостого хода, когда источник включен в сеть и на его выходных клеммах имеется напряжение U_хх, но ток отсутствует. Точка 4 соответствует режиму короткого замыкания, когда электрод коснулся заготовки, например, в момент возбуждения дуги. При этом напряжение между электродом и заготовкой стало равно нулю.

В точках 2 и 3 вольтамперные характеристики источника и дуги пересекаются. Это означает, что ток, протекающий через дугу, равен току, протекающему через источник, а напряжение на электродах равно напряжению на клеммах источника. Иначе говоря, равенство токов и напряжений определяет условие энергетического равновесия системы. Устойчивое равновесие эта система имеет только в точке 3, координаты которой и определяют режим горения дуги (I_СВ U_д).

Для того чтобы изменить режим сварки, например увеличить сварочный ток, конструкцией источника предусматривается возможность изменения (регулирования) положения кривой ВАХ. Так, для увеличения сварочного тока до значения I_СВ2 ВАХ изменяют так, чтобы точка пересечения 5 со статической характеристикой дуги оказалась в области больших токов.

В большинстве случаев сварки используют однопостовые источники, рассчитанные на питание только одной сварочной дуги. Для питания дуги постоянного тока могут быть использованы сварочные генераторы с приводом от электродвигателя или от двигателя внутреннего сгорания, а также полупроводниковые сварочные выпрямители.

Для питания дуги переменного тока применяют сварочные трансформаторы. По сравнению с источниками постоянного тока они просты по конструкции, проще в эксплуатации, долговечнее, имеют более высокий КПД. Однако источники постоянного тока предпочтительнее в технологическом отношении, обеспечивают более устойчивое горение дуги, лучшее отделение капли электродного металла и др., что и определяет необходимость их применения в тех или иных случаях.

В отдельных случаях целесообразно использовать многопостовые источники питания. Такие источники имеют жесткую внешнюю характеристику, а регулирование сварочного тока для каждого поста осуществляется путем включения последовательно с каждой дугой балластного реостата (активного сопротивления).

Крутопадающая характеристика сварочного источника переменного тока может быть получена за счет отдельной реактивной катушки (дросселя) с увеличенным индуктивным сопротивлением, включенной последовательно с дугой (рис. 4.11, а). Регулирование величины воздушного зазора в магнитопроводе дросселя δ_др позволяет изменять индуктивное сопротивление и, следовательно, сварочный ток.

Более совершенной является конструкция сварочного трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки размещены на одном общем сердечнике, но расстояние между обмотками можно изменять, за счет чего достигаются изменение магнитного рассеяния и регулирование сварочного тока (рис. 4.11,б).

Источники с крутопадающей ВАХ используют при ручной дуговой сварке. При такой форме ВАХ источники имеют достаточно высокое напряжение холостого хода (что облегчает возбуждение дуги) и ограниченное значение тока короткого замыкания, который не превышает рабочий (сварочный) ток более чем на 40 … 50%. Поэтому в режиме короткого замыкания (например, при возбуждении дуги) источник не находится в аварийном режиме. Кроме того, при крутопадающей характеристике источника колебания тока, связанные с изменением длины дуги, невелики, и это обеспечивает, что весьма важно, получение равномерного по глубине проплавления металла.

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

В основе наиболее распространенного способа дуговой сварки, называемого ручной дуговой сваркой, лежат предложенные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами.

Сварку называют ручной по той причине, что при выполнении ее штучный электрод, имеющий мерную длину, вручную перемещают вдоль свариваемых заготовок в нужном направлении и одновременно подают в зону горения дуги.

При сварке по методу Бенардоса применяют угольные или графитовые электроды диаметром 6 … 30 мм, длиной 200 … 300 мм. Для сварки по методу Славянова используют металлические электроды, имеющие диаметр 1,6 … 12мм и длину 150 … 450 мм.

В настоящее время для получения сварного соединениячаще всего применяют ручную дуговую сварку плавящимися электродами с покрытием. Схема сварки металлическим электродом с покрытием приведена на рис. 4.12. Процесс сварки протекает следующим образом: на электрод и заготовку подается напряжение от источника тока, в результате чего между стержнем электрода 7 и основным металлом 1 горит дуга 8. Под действием тепла дуги стержень электрода плавится, и капли расплавленного металла стекают в металлическую ванну 9. Одновременно со стержнем плавится покрытие электрода 6. При этом вокруг дуги образуется газовая защитная атмосфера 5, а на поверхности расплавленного металла жидкая шлаковая ванна 4. Металлическая и шлаковая ванны образуют сварочную ванну. После того как электрод и дуга смещаются, сварочная ванна начинает затвердевать, в результате чего формируется сварной шов 3. Жидкий шлак по мере остывания образует твердую шлаковую корку 2. После полного остывания металла шва и шлака шлаковая корка 2 легко удаляется с поверхности шва.

В ванне расплавленного металла протекают металлургические процессы испарения либо окисления компонентов свариваемого сплава, например углерода, некоторых легирующих элементов (марганца, кремния и др.), насыщение расплавленного металла атмосферными газами. В результате химический состав сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом может измениться, что обычно приводит к снижению его механических свойств. Для обеспечения заданных состава и свойств шва используется покрытие электрода, в состав которого вводят легирующие элементы, элементы- раскислители и элементы, защищающие расплавленный металл от воздействия воздуха. Кроме этого покрытие электродов обеспечивает стабильность горения дуги. Для решения всех этих задач в состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.

Газовая защита зоны сварки и расплавленного металла создается при сгорании газообразующих веществ. Она предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода воздуха. В качестве таких веществ в покрытие вводят органические соединения — древесную муку, декстрин, целлюлозу, крахмал и т.п.

Шлаковая защита предохраняет расплавленный металл от кислорода и азота воздуха путем образования шлаковых оболочек на поверхности капель, электродного металла и шлакового покрова на поверхности расплавленного металла шва. Шлак уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствует выходу из него газовых и неметаллических включений. Шлакообразующими веществами покрытий являются титановый концентрат, марганцовая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок, полевой шпат и т.п.

Раскисление металла сварочной ванны осуществляется элементами, обладающими большим сродством с кислородом, чем железо. К ним относятся марганец, титан, молибден и др.

Легирование металла шва проводится для придания специальных свойств наплавленному металлу. Наиболее часто для этого применяют хром, никель, молибден, вольфрам, титан. Эти элементы вводятся как в покрытие так и в стержень электрода.

Для повышения устойчивости горения дуги в состав покрытий вводят стабилизирующие компоненты. В их состав входят соединения щелочных или щелочноземельных металлов, которые в дуге легче ионизируются, чем кислород и азот воздуха, и этим улучшают стабильность горения дуги.

Для закрепления покрытия на стержне электрода используют связующие компоненты: жидкое стекло, желатин, декстрин, пластмассы и др. По видам покрытий электроды подразделяются на: А — с кислым покрытием, Б — с основным покрытием, Ц — с целлюлозным покрытием, Р — с рутиловым покрытием, П — прочие виды покрытия.

От вида покрытия зависят его токсичность, технологические свойства электродов, область их применения, тип электрического тока, его полярность, а также возможность выполнения сварного соединения при том или ином положении шва в пространстве.

По назначению выделяют четыре группы покрытых электродов для сварки сталей: углеродистых (У), легированных (Л), теплоустойчивых (Т) и высоколегированных (В). Пятую группу составляют электроды для наплавки с целью создания поверхностных слоев с особыми свойствами (Н). В зависимости от механических и других свойств наплавленного металла эти группы электродов подразделяются на типы. Каждому типу может соответствовать одна или несколько марок электродов.

При изготовлении электродов для ручной дуговой сварки покрытия наносят на мерные стержни длиной 150 … 450 мм из сварочной проволоки. Стержни - повышенного качества, т.е. имеют ограниченное содержание серы и фосфора. В зависимости от состава сварочная стальная проволока разделяется на три группы: низкоуглеродистая (Св-08, Св-08А, Св-08ГА и др.), легированная (Св-08Г2С, Св-10Х5М, Св-18ХМА и др.) и высоколегированная (Св-06Х14, Св-04Х19Н9, Св-08Н50 и др.). В маркировке проволоки символ «Св» означает слово «сварочная», буквы и цифры – ее химический состав.

Согласно ГОСТ 2246-86 на стальную сварочную проволоку существует 77 ее марок с диаметром проволоки 0,2 … 12 мм. Наиболее применимы электроды с диаметром стержня 3, 4, 5 и 6 мм.

Для получения сварного соединения требуемых размеров, формы и качества устанавливается режим сварки, т.е. основные показатели, определяющие процесс сварки. К этим показателям при ручной дуговой сварке относятся: марка электрода, его диаметр, сила и род сварочного тока, скорость сварки.

Химический состав свариваемого металла определяет тип и марку электродов.

Ручная сварка наиболее удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях – нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины листа свариваемого металла и положения шва в пространстве. При нижнем положении шва диаметр электрода определяют по таблице 4.1, руководствуясь соотношением между диаметром электрода и толщиной свариваемого металла.

Таблица 4.1 – Зависимость диаметра электрода d_э от толщины листа свариваемого металла δ

Сварку швов в вертикальном и потолочном положении выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм.

Важным параметром режима ручной дуговой сварки является сила сварочного тока (I_св) в амперах. Ее выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода на основании следующего соотношения:

I_св = kd_э,

где k – опытный коэффициент, равный 40 … 60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35 … 40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали, А/мм; d_э – диаметр стержня электрода, мм.

Род тока и полярность определяют в зависимости от принятой для сварки марки электродов.

Скорость сварки (перемещения дуги) зависит от размеров сварного шва, коэффициента наплавки и величины сварочного тока.

Достоинством ручной дуговой сварки является ее универсальность. Данный способ получения сварных конструкций удобен при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях – нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном, при расположении швов в труднодоступных местах, Он широко используется при ремонтных и монтажных работах, а также сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов и применяется для получения сварного соединения на воздухе, под водой и в космосе. Широкое распространение способа ручной дуговой сварки способствует также простота и невысокая стоимость оборудования и расходных материалов.

Недостатком способа является низкая его производительность. Это связано, прежде всего, с тем, что 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, к сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Вместе с тем компоненты покрытия электрода при его плавлении и сгорании образуют токсичные выделения, наносящие вред здоровью сварщика и окружающей среде. По этой причине в работе сварщика предусматриваются перерывы, несмотря на снижение производительности его труда. Кроме этого в процессе работы сварщик вынужден делать остановки для установки нового электрода взамен израсходованному (при использовании плавящегося электрода), также снижающие производительность.

Процесс ручной дуговой сварки представляет собой последовательность определенных движений электродом достаточно большой длины, закрепленным в специальной рукоятке – держаке. Хорошее качество сварного шва в этом случае получается только при большом навыке сварщика - высокой его квалификации.

Недостатком ручной дуговой сварки плавящимся электродом является и наличие на поверхности шва шлаковой корки, затрудняющей сварщику в процессе работы оценку качества шва, а также наличие «огарков»- остатков электродов настолько малой длины, что сварщик работать ими уже не может, и в результате отправляет их в отходы.

Ручную дуговую сварку плавящимся и неплавящимся электродами применяют во всех отраслях промышленности для получения сварных конструкций их углеродистых и легированных сталей, а также цветных металлов.

При изготовлении сварной конструкции из стальных листов толщиной до 6 мм, их сваривают по зазору без разделки кромок заготовки. При большей толщине металла кромки разделывают - выполняют одностороннюю или двустороннюю фаску под углом 60⁰. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. Металл толщиной свыше 10 мм сваривают многослойным швом.