ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ЗАЩИТНЫЕ ГАЗЫ

Защитные газы делятся на две группы: химически инертные и активные. Газы первой группы с металлом, нагретым и рас­плавленным, не взаимодействуют и практически не растворяются в них. При использовании этих газов дуговую сварку можно выполнять плавящимся или неплавящнмся электродом. Газы второй группы защищают зону сварки от воздуха, но сами либо растворяются в жидком металле, либо вступают с ним в химиче­ское взаимодействие.

Ввиду химической активности углекислого газа по отнояіе - нито к нагретому вольфраму (окисление и разрушение вольфрама) для дуговой сварки в углекислом газе используют плавящиеся электроды или неплавящиеся (угольные или графитовые).

К химически инертным газам, используемым при сварке, относятся аргон и гелий (табл. 22). Из химически активных газов основное значение имеет углекислый газ.

Аргон — газообразный чистый поставляется по ГОСТ 10157—73 трех сортов: высший, первый и второй. Содержание аргона соот­ветственно равно: 99,99%; 99,98%; 99,95%. Примесями служат кислород, азот и влага.

X раииіся и транспортируется аргон и газообразном виде в стальных баллонах под давлением 150 ат, т. е. в баллопе нахо­дится 6,2 м® газообразного аргона в пересчете ыа температуру 20° С и давление 700 мм рт. ст. Возможна также транспорти­ровка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосу­дах Дыоара с последующей его газификацией. Баллон для хра­нения аргона окрашен в серый цвет, надпись зеленого цвета.

Аргон высшего сорта предназначен для сварки химически активных металлов (титана, циркония, ниобия) и сплавов па их основе. Аргон первого сорта рекомендуется для сварки неплавя- щимся электродом сплавов алюминия, магния и других металлов, менее чувствительных к примесям кислорода и азота. Аргон второго сорта используют при сварке коррозионно-стойких сталей.

Гелий — газообразный чистый поставляют по техническим условиям. Содержание примесей в гелии высокой частоты не бо­лее 0,02%, в техническом до 0,2%. Примеси: азот, водород, влага. Храпят и транспортируют гелий так же, как и аргон, в стальных баллонах водяной емкостью 40 л при давлении 150 ат. Цвет баллона коричневый, надпись белого цвета. В связи с тем, что гелий в 10 раз легче аргона, расход гелия при сварке увеличивается в 1,5—3 раза.

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050—76. Для сварки используют сварочную углекислоту сортов 1 и II, которые отли­чаются лишь содержанием паров воды (соответственно 0,178 и 0,515 Н20 в 1 м3 СОо). Применяют иногда и ншцевую углекислоту, имеющую в баллоне в виде примеси свободную воду, в связи с чем требуется особенно тщательное осушение газа. Углекислоту транспортируют и храпят в стальных баллонах или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газифика­цией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В баллоне емкостью 40 л содержится 25 кг С02, дающего при испарении 12,5 м3 газа при давлении 760мм рт. ст. Баллон окрашен в черный цвет, надписи желтого цвета.

При применении углекислого газа вследствие большого коли­чества свободного кислорода в газовой фазе сварочная прово­лока должна содержать дополнительное количество легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего Si и Ми (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва). Наиболее широко применяется проволока Св-08Г2С.

При применении защитных газов следует учитывать техноло­гические свойства газов (например, значительно больший расход гелия, чем аргона), влияние на форму проплавлення и форму шва и стоимость газов.

Стремление уменьшить повышенное разбрызгивание металла и улучшить формирование шва при сварке в углекислом газе дало толчок к применению смесей углекислого газа с кислородом (2 5%). В этом случае изменяется характер переноса металла;

он переходит в мелкокапельный; потери металла на разбрызгива­ние уменьшаются иа 30—40%.

При сварке сталей по узкому зазору с целью стабилизации процесса сварки и уменьшения расхода дорогого и дефицитного аргона вполне целесообразно применение двойных смесей (75% Аг + Ь 25% СО.,) и тройных смесей (аргона, углекислого газа и кис­лорода). Для алюминиевых сплавов весьма эффективно с точки зрения производительности применение смеси, состоящей из 70% Не и 30% Аг. В этом случае значительно увеличивается толщина металла, свариваемого за один проход, и улучшается формирование шва. Газовые защитные смеси имеют весьма зна­чительные перспективы, по широкое их применение требует орга­низации централизованного снабжения сварочного производства смесями нужного состава. Только в этом случае применение сме­сей может дать значительный экономический эффект.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Посты для ручной и механизированной сварки металлов и уста­новки для автоматизированной сварки плавлением содержат оборудование, обеспечивающее питание источника сварочной теп­лоты — электрической дуги, шлаковой ванны, электронного или светового луча и т. п.; сварочный манипулятор, предназначенный для закрепления и перемещения детали при сварке, и оборудова­ние, обеспечивающее необходимую защиту свариваемого металла от окисления и загрязнения с помощью флюса, потока или атмо­сферы защитного газа или вакуума.

При ручной сварке различного рода манипуляторы, пози­ционеры или стенды применяют для сборки и закрепления дета­лей, подлежащих сварке. Качество сварного шва во многом опре­деляется искусством сварщика, а при механическом перемещении изделий — колебаниями скорости их перемещения манипулято­рами. Защита свариваемого металла обеспечивается покрытием электрода. При применении же полуавтоматов для дуговой сварки сварочная ванна защищается флюсом или защитным газом, пода­ваемым через сварочную головку.

Значительно более жесткие требования по точности выполне­ния устанавливаемых режимов предъявляются к манипулято­рам и механизмам перемещения сварочного источника теплоты в автоматизированных установках. Допустимы следующие коле­бания скорости перемещения: при сварке под флюсом ±5%; при аргонодуговой сварке тонколистовых металлов ±2%; в уста­новках для электронно-лучевой и лазерной сварки менее ±1%. Точность установки свариваемых изделий и отклонение поло­жении стыка при сварке не должно превышать 20—25% попереч­но |ч» размера площади пятна ввода теплоты в изделие, т. е. при сварке под флюсом это составляет 1—2 мм; при микроплазмен - 1ЮІІ — не более 0,25 мм; при электронно-лучевой и лазерной (и зависимости от диаметра луча) от ±0,1 мм до ±10 мкм.

Конструкции сварочных установок имеют особенности, свя - Пнннмс с защитой персонала от вредного воздействия различного

характера в процессе выполнения сварочных операций. В каче­стве примера можно указать на наличие устройств для отсоса вредных газов при сварке под флюсом, экранов и щитков, пре­дохраняющих персонал от интенсивного ультрафиолетового и све­тового излучения при дуговой, плазменной или лазерной сварке, элементов конструкций установок для электронно-лучевой сварки, обеспечивающих защиту от рентгеновского излучения.

При выполнении сварочной операции для получения высокого качества швов очень важны стабилизация или регулирование тепловложения источника сварочной теплоты. Скорость сварки обычно задают постоянной с необходимой степенью стабиль­ности, при этом регулируют мощность источника сварочной теп­лоты. Такое воздействие наиболее гибкое, малоинерциопное и, кроме того, позволяет в ряде случаев скомпенсировать возму­щения сварочного процесса, вызываемые другими внешними фак­торами.

При сварке плавлением наиболее распространенный источ­ник нагрева — электрическая сварочная дуга.

Требования к статической устойчивости системы источник питания — сварочная дуга. Зависимость между напряжением дуги С/д, необходимым для поддержания устойчивого горения дуги, и током дуги /д называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Форма отдельных участков характеристики дуги зависит от плотности тока в электроде (в дуге). При сварке маломощной дугой на токах менее 100 А форма статической характеристики имеет падающий характер, т. е. dUR/dIn < 0. В обычных усло­виях сварки, когда ток в дуге превышает 100 А (/д > 100 А), напряжение дуги практически остается постоянным и не меня­ется при изменении тока нагрузки, т. е. dU Ід1п ~ 0 [UR = = / (/д) ^ const].

При больших плотностях тока в электроде (при автоматиче­ской сварке в среде защитных газов, где обычно применяют малый диаметр электрода, сжатой дуге), когда катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться с возрастанием тока в дуге, а следовательно, плотность тока и напряженность пропорцио­нально увеличиваются с увеличением силы тока, статическая характеристика становится возрастающей.

Источник тока и электрическая сварочная дуга представляют собой энергетическую систему, которая в процессе сварки должна обладать достаточной устойчивостью. Под устойчивостью системы понимается такое состояние, когда параметры режима сварки /д и t/д не изменяют своей величины в течение достаточно дли­тельного времени. Причем, если в результате каких-то внешних причин (изменение длины дуги, сопротивления ее, изменение степени ионизации) произойдет изменение этих параметров, что приведет к отклонению от устойчивого равновесия, система должна снова вернуться в состояние равновесия.

Зависимость напряжения источника питания от силы тока нагрузки называется внешней характеристикой источника пита ния. Рассмотрим условия устойчивого состояния системы (устой­чивого горения сварочной дуги).

На рис. 71 изображены внешняя характеристика источника питания Uи = h (/д) и вольт-амперная характеристика дуги Un = /2 (7Д). В точках я и б эти характеристики пересекаются, т. е. для обеспечения горения дуги необходимо то напряжение, которое при этой силе тока дает источник питания. Выясним, устойчиво ли состояние сварочной дуги в этих точках. Устойчивое состояние сварочной дуги будет, если при случайном отклонении от установившегося состояния (изменении силы тока) равновесие быстро восстановится. Сварочная цепь обладает некоторой индук­тивностью, и при изменении тока в ней индуктируется э. д. с. само­индукции

где L — индуктивность. Напряжение дуги

Ua=U„ + eh = Uw-L^r,

где П„ — напряжение источника.

Предположим, что режим сварки соответствует точке а. Если вік под действием внешних факторов уменьшится и примет зна-

чепие, определяемое /Д[, то напряжение источника U„ (точка ал) станет больше напряжения дуги VR, т. е.

U„>UR и ия-ия> 0;

следовательно, сила тока начнет увеличиваться (так как L всегда положительна), пока не достигнет точки а.

При увеличении силы тока до значения /дц напряжение источ­ника становится меньше, чем напряжение дуги, а разность Un— Ua уменьшается и принимает отрицательное значение, в результате чего начинает уменьшаться сила тока 1Я до тех пор, пока не достиг­нет точки а, т. е. при режиме сварки, соответствующем точке а, вследствие действия э. д. с. самоиндукции происходит саморе­гулирование режима горения дуги, точка а определяет устойчи­вое состояние системы источник питания — сварочная дуга.

В точке б при увеличении силы тока напряжение источника Г/„ станет больше, чем напряжение дуги; следовательно, сила тока начнет увеличиваться до значения, определяемого точкой а, т. е. система снова придет в устойчивое равновесное состояние. При отклонении тока от точки б в сторону уменьшения напряже­ние дуги превысит напряжение источника, и разность U„ — Ua будет уменьшаться и стремиться к отрицательной величине. Сле­довательно, сила тока /д также начнет уменьшаться, в результате чего дуга оборвется. Таким образом, в точке б режим горения дуги неустойчив.

Требование статической устойчивости

где ку — коэффициент устойчивости.

Фактически величины dU-Jdl и dUJdl — динамические сопро­тивления сварочной дуги и источника питания при данной вели­чине тока дуги /д у. Коэффициент ку — динамическое сопротив­ление всей энергетической системы источник питания — свароч­ная дуга в данном режиме работы. Таким образом, устойчивое горение дуги определяется только общим динамическим сопро­тивлением системы источник питания — дуга. Если оно положи­тельно — режим устойчив. При нормальных сварочных режимах (сила тока дуги 100—800 A) dURldI Зз 0. Это свойственно источ­никам с падающей внешней характеристикой (рис. 71, б), жесткой или даже возрастающей, но при условии, что dUJdl < dUJdl (рис. 71, в).

При сварке малоамперной дугой внешняя характеристика источника питания должна быть крутопадающей, чтобы сохра­нялось соотношение на рабочем участке, как это показано на рис. 71, а:

Требование к динамическим свойствам источников питания. При дуговой сварке плавящимся электродом источник питания сварочной дуги воспринимает динамическую нагрузку в связи с переходными режимами, когда ток и напряжение изменяют свою величину. При этом в дуге могут происходить периодически повто­ряющиеся явления: короткое замыкание, возбуждение дуги и пере­ход к режиму устойчивого горения.

В условиях сварки при коротком замыкании а. д. с. генератора снижается до минимальных значений, равных падению напряжения в короткозамкнутой сварочной цепи, т. е. Er = IV 3RP. Поэтому необходимо, чтобы при размыкании сварочной цепи э. д. с. гене­ратора весьма быстро возросла до значений, достаточных для воз­буждении дуги, пока металл остается достаточно нагретым после короткого замыкания для существования эмиссии электронов.

Сварочные трансформаторы и выпрямители обладают значи­тельно меньшей электромагнитной инерцией и практически их можно считать безынерционными установками. Однако при корот­ких замыканиях дуги, образуемых при переносе капель, и малой электромагнитной инерции (малая величина индуктивности сва­рочной цегш) сила тока дуги нарастает недопустимо быстро. Происходит сильное разбрызгивание наплавляемого металла при сварке плавящимся электродом.

Введение дросселя в сварочную цепь снижает скорость нара­стания тока и, как следствие, разбрызгивание металла. Так, при сварке электродов УОНИ-13/45 экспериментально устано­влена зависимость коэффициента разбрызгивания от. величины индуктивности дросселя, включаемого последовательно в свароч­ную цепь источника питания дуги (рнс. 72).

При скоростях нарастания тока ~ 15 кА/с электродинамиче­ские силы, приводящие к разрушению перемычки между каплей и электродом, невелики и не вызывают заметного разбрызгивания металла. Но уже при 10 кА/с при постоянной скорости подачи электродной проволоки процесс сварки и формирование шва ухудшаются. Наблюдаются повторяющиеся длительные корот­кие замыкания, при этом проис­ходит выброс кусков нераспла - вимшейся проволоки за пределы шва.

Динамические свойства источни­ков питания для дуговой сварки в от­ношении скорости нарастания тока в некоторой мере определяются дина­мическим коэффициентом, т. е. отно­шением пикового значения тока ко­роткого замыкания к его установив­шемуся значению:

^-д ~ ■* К. 3. цА* К. 3.

где 11- з u — сила пикового тока короткого замыкания; fJt 3 y— сила установившегося тока короткого замыкания.

Таким образом, к динамическим свойствам однопостовых сва­рочных генераторов предъявляются следующие требования: значение динамического коэффициента должно быть в преде­лах 1 •< kj, <С 2,5; время восстановления напряжения дуги не должно превышать 0,05 с; скорость нарастания тока должна быть 15—20 кА/с.

Основные области применения различных источников питания сварочной дуги приведены в табл. 23.

Сварочные трансформаторы наиболее дешевы, надежны в ра­боте, и экономичны. Поэтому там, где это возможно, стараются использовать их вместо электромашинных преобразователей. Для сварки под флюсом трансформаторы используются на силы тока свыше 300 А, так как при меньших силах тока дуга на пере­менном токе горнт неустойчиво.

Постоянный ток имеет ряд технологических преимуществ при дуговой сварке или наплавке под флюсом. Поэтому источ­ники постоянного тока совсем вытеснены трансформаторами быть не могут. Наиболее перспективны источники постоянного тока — кремниевые выпрямители, в которых наиболее высокий к. и д. и минимальны потери холостого хода.

И последние годы значительно расширились области приме­нения источников питания с нологопадающими и жесткими внеш­ними характеристиками. Для всех без исключения механизиро­ванных способов сварки ири постоянной скорости но дачи элек­

тродной проволоки может быть применен источник питания с поло - гопадающей внешней характеристикой.

Габаритные размеры и масса источника питания определяются в первую очередь произведением напряжения холостого хода на силу номинального тока. У источников питания с падающими внешними характеристиками t/xx чаще всего в 2 раза больше UK. У источников с пологопадающими характеристиками £/хх лишь немного больше С/д. Поэтому масса последних значительно меньше (в среднем в 1,5 раза), а к. п. д. выше. Применение источников питания с пологопадающими внешними характеристиками в зна­чительной мере упрощает подбор режима сварки, а также упро­щает аппаратуру для сварки и наплавки электродами, имеющими переменное поперечное сечение.

ГОСТ 10594—74 регламентирует ряд номинальных токов для источников питания сварочной дуги постоянного тока (генера­торов и выпрямителей): 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000 п 5000 А.