СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДУГОВАЯ ЭЛЕКТРОСВАРКА

Автоматизация и механизация процесса дуговой электросварки может быть признана одной из важнейших задач современной сва­рочной техники. Ручная дуговая электросварка слишком трудо­ёмка, требует большого количества квалифицированных кадров, сравнительно дорога и, естественно, не может обеспечить однород­ности продукции,, а так как последующий контроль качества свар­ки затруднён, недостаточно надёжен и не всегда выполним, то доверие к качеству сварки снижается, и заведомо уменьшаются допускаемые напряжения для сварных швов и т. д.

Анализ себестоимости дуговой электросварки показывает, что основной составляющей себестоимости является заработная плата сварщика, поэтому добиться существенного снижения стоимости можно лишь за счёт уменьшения расходов по заработной плате. В условиях социалистического государства такое снижение расхо­дов по заработной плате может быть осуществлено лишь за счёт повышения производительности труда, замены работы человека ра­ботой машин и механизмов. Если бы не удалось осуществить ши­рокой механизации и автоматизации процесса дуговой электро­сварки, то он, несомненно, стал бы вытесняться другими процесса­ми, лучше поддающимися механизации. К такому опасению сейчас нет оснований, так как автоматизация дуговой электросварки за по­следние годы делает столь быстрые успехи, что уже сейчас этот процесс по степени автоматизации основных операций может счи­таться одним из наиболее передовых и прогрессивных процессов современной промышленности.

Развитие автоматической дуговой сварки начинается вместе с изобретением этого технологического процесса. Уже изобретатели способа дуговой электросварки, русские инженеры Бенардос и Сла - вянов, правильно понимали важность автоматизации нового про­цесса и уделяли много внимания конструированию и испытанию электросварочных автоматов. Они оставили ряд остроумных кон­струкций, из которых изготовленный Славяновым электросвароч­ный автомат «Плавильник», как он его называл, сохранился до на­

ших дней не только в чертежах, но и в натуре (музей Ленинград­ского политехнического института).

На протяжении последних десятилетий появляются разнообраз­нейшие конструкции дуговых автоматов, но лишь с 1940 г. с появ­лением и широким промышленным внедрением нового вида автома­тической сварки под флюсом начинается и всё нарастает успех про­мышленного применения автоматической дуговой электросварки.

Выдающаяся роль в развитии автоматической электросварки в Советском Союзе принадлежит Институту электросварки АН УССР, организованному и руководимому Героем Социалистического Труда академиком Е. О. Патоном.

Автоматизации хорошо поддаются все основные виды дуговой электросварки: сварка металлическим электродом по способу Сла - вянова, сварка угольным электродом по способу Бенардоса, атом­новодородная сварка, аргонодуговая сварка. По степени механиза­ции процесса различают автоматы и полуавтоматы; в последних со­храняется ещё довольно значительная доля ручной работы свар­щика.

Для осуществления процесса автоматической сварки требуется целый комплекс машин, механизмов и приспособлений, образующий автоматическую установку для дуговой электросварки. Устройство, производящее зажигание дуги, подачу электродов по мере сгора­ния и обеспечивающее устойчивое горение дуги, называется авто­матической головкой для дуговой сварки или дуговым автоматом. Наиболее важное промышленное значение естественно имеют авто­маты для сварки металлическим электродом. Устройство дугового автомата для сварки металлическим электродом схематически по­казано на фиг. 85. Общая идея устройства автомата заключается в следующем: вместо отдельных коротких электродов, применяемых в процессе ручной сварки, при автоматической сварке используется электродная проволока большой длины в форме мотка или бухты (весом до 50 /сг), сматываемая механизмом автомата и подаваемая в зону дуги по мере сгорания. Проволока подаётся через переда­точный механизм и ведущие ролики небольшим приводным электро­двигателем автомата мощностью около 100 вт. Пройдя ведущие ролики, а также часто и правильный механизм, устраняющий кри­визну и придающий сматываемой с бухтьі проволоке прямолиней­ность, она поступает в мундштук или токоподвод автомата, где проволока прижимается к токоведущим контактам и скользит по ним, получая сварочный ток, питающий Дугу.

Расстояние от токоподводящих контактов до дуги невелико (несколько сантиметров), поэтому автомат работает как бы корот­ким, непрерывно возобновляемым электродом. Это является важ­ным преимуществом автомата, так как уменьшается нагрев прово­локи джоулевым теплом и создаются возможности применения очень высоких плотностей тока в электродной проволоке без её перегрева. Подача проволоки производится автоматически со ско­ростью её плавления, поэтому длина дуги при сгорании проволоки остаётся всё время приблизительно постоянной. Многие автоматы также автоматически производят зажигание дуги в начале сварки и повторное зажигание при случайном обрыве в процессе работы.

Регулирование процесса сварки в автомате может быть осуще­ствлено различными путями. Например, можно связать скорость лодачи электрода с напряжением дуги, т. е. её длиной. При нор­мальной длине дуги, т. е. при нормальном её напряжении, автомат подаёт проволоку со скоростью, равной примерно скорости её плав­ления; при уменьшении длины дуги скорость подачи проволоки уменьшается, вследствие чего длина дуги и её напряжение возра­стают и приходят к нормальному установленному значению. При

случайном увеличении длины дуги скорость подачи проволоки воз­растает и длина дуги, а вместе с тем и её напряжение, уменьша­ются, восстанавливая нормальную заданную величину. При корот­ком замыкании, когда напряжение дуги падает почти до нуля, по­дача электрода меняет своё направление, т. е. электрод подаётся не вперёд к основному металлу, а отдёргивается назад, удаляя конец электрода от основного металла. По включении автомата, когда конец электрода ещё не касается изделия и дуга между ними отсутствует, напряжение между электродом и изделием равно полному напряжению холостого хода источника тока. Это напря­жение выше нормального напряжения дуги и потому электрод по­даётся вперёд к изделию. Когда конец электрода коснётся изделия и замкнёт накоротко дуговой промежуток, напряжение падает почти до нуля, происходит реверсирование подачи и зажигание дуги. Если при отрыве электрода дуга не загорится, то напряжение снова возрастает до максимума и описанный процесс будет непрерывно повторяться, пока не загорится дуга. После зажигания дуги начи­нается подача электрода вперёд к изделию с изменениями скорости подачи соответственно напряжению дуги. Таким образом, длина дуги поддерживается автоматически постоянной с точностью, недо -

сгупной для ручной сварки. Современные автоматы довольно легко поддерживают напряжение дуги с точностью ± 0,5 в, что соответ­ствует точности поддержания длины дуги ± 0,2—0,3 мм.

Дуговой автомат представляет собой автоматический регулятор, поддерживающий постоянство режима дуговой сварки по возмож­ности независимо от воздействия внешних и случайных возмущаю­щих факторов.

По характеру регулирования различают регуляторы непрерыв­ного и прерывистого действия. В первых непрерывное изменение регулируемой величины вызывает непрерывное перемещение регу­лирующего органа. У регуляторов прерывистого действия непре­рывное изменение регулируемой величины вызывает периодическое скачкообразное перемещение регулирующего органа, могущего за­нимать лишь определённые положения — «позиции». По числу воз­можных положений или позиций регулирующего органа различают двух-, трёх - и многопозиционные регуляторы прерывистого дей­ствия. Особенно часто применяются двухпозиционные регуляторы, у которых регулирующий орган может занимать одно из двух край­них положений, что соответствует, например, включению тока п его выключению.

Дуговые автоматы могут быть разделены на два основных типа:

1) с плавкими (преимущественно стальными) электродами, в которых скорость плавления и подачи электрода велика, порядка нескольких десятков и даже сотен метров в час;

2) с неплавкими (уголь, вольфрам) электродами, у которых скорость сгорания и подачи электрода мала, порядка нескольких •сантиметров в час.

Наибольшее практическое значение и технический интерес пред­ставляют автоматы с плавкими электродами. В основу регулирова­ния работы дугового автомата с плавким металлическим электро­дом могут быть положены различные принципы. В настоящее вре­мя существует два основных вида дуговых автоматов с плавким электродом, различных по принципу регулирования: 1) автоматы с регулированием электрических величин дуги; 2) автоматы с по­стоянной скоростью подачи электрода.

В автоматах первого типа регулируемой является какая-либо электрическая величина сварочной дуги, регулирующей величиной— скорость подачи электрода. Регулируемой величиной могут служить напряжение, ток или мощность дуги и т. д. В современных автома­тах за регулируемую величину принимают лишь напряжение дуги. В сварочной дуге напряжение практически не зависит от силы тока и зависит только от длины дуги, изменяясь пропорционально изме­нениям длины, что можно выразить эмпирической формулой

и = a - j - bL,

где U ■— напряжение дуги;

L ■— длина дуги; а и b — постоянные величины, определяемые опытным путём.

При наличии автомата, поддерживающего постоянство напряже­ния дуги, длина дуги останется постоянной и процесс сварки со­хранит нормальный характер. Таким образом, регулирование по­стоянства напряжения дуги эквивалентно регулированию постоян­ства её длины.

На протяжении десятков лет дуговые автоматы для плавкого - электрода строились только с автоматическим регулированием по­стоянства напряжения дуги. В 1942 г. сотрудник Института электро­сварки АН УССР имени Е. О. Патона В. И. Дятлов впервые пред­ложил новый принцип устройства дуговых автоматов, у которых электрод подаётся с постоянной скоростью, не зависящей от напря­жения дуги или каких-либо других факторов. Очевидно, подобная система может устойчиво работать лишь при условии, что скорость - плавления электрода возрастает при уменьшении и снижается при увеличении длины и напряжения дуги. Такое регулирование воз­можно в системе автомата прежде всего за счёт внешней характе­ристики питающего источника тока. Для устойчивого горения дуги необходима падающая характеристика источника тока, поэтому изменение длины и напряжения дуги будут вызывать изменение тока в дуге, а тем самым и скорости плавления электрода, которая меняется приблизительно пропорционально току. С увеличением длины и напряжения дуги уменьшается ток в дуге и наоборот; чем более пологим является рабочий участок внешней характеристики,, тем сильнее меняется ток с изменением напряжения и тем интен­сивнее идёт процесс регулирования. Таким образом, работа автома­та с постоянной скоростью подачи тесно связана с внешней харак­теристикой источника тока, поэтому работу автомата следует рас­сматривать совместно с источником тока.

По исследованиям Института электросварки АН УССР в усло­виях сварки под флюсом, для которой только и применяются авто­маты с постоянной скоростью подачи, имеется ещё второй регули­рующий фактор: коэффициент плавления электрода уменьшается с увеличением напряжения дуги и возрастает с уменьшением напря­жения. Эта зависимость, найденная экспериментально, усиливает регулирование и ускоряет восстановление нормального режима сва­рочной дуги, поддерживая длину дуги приблизительно постоянной. Таким образом, система с постоянной скоростью подачи обладает автоматическим саморегулированием, усиливающимся с увеличе­нием скорости плавления электрода и с уменьшением крутизны характеристики питающего источника тока на рабочем участке. Автоматы с постоянной скоростью подачи применяются лишь при значительных скоростях плавления электрода, не менее 40—50 м/час.