какую вольтамперную характеристику должен иметь сварочный источник питания для ручной дуговой сварки

Сварочная дуга используется человечеством для неразъемного, герметичного соединения металлов более века назад. Ее изучением занимался физик Вольт. Затем появились устройства для сварки. Электрический разряд возникает в момент короткого замыкания между электродом и свариваемой деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, образуется ванна расплава. Создается диффузный однородный слой металла на месте свариваемого стыка.

Изучив вольт-амперные характеристики процесса, ученые усовершенствовали процесс сварки, создали сварочные аппараты, поддерживающие стабильное горение дуги.

Что такое сварочная дуга, определение

Что можно назвать сварочной дугой – это, по сути, длительный проводник, состоящий из ионизированных частиц, существующий во времени благодаря поддерживающему электрическому полю. Дуговой разряд характеризуется непрерывной формой, высокой температурой, возникает в газовой среде, способной к ионизации.

В учебниках сварщика определение сварочной электродуги звучит следующим образом: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из смеси ионизированных воздушных или защитных газов, а также испарившихся компонентов присадочного и основного металла.

Природа и строение

За короткое время разогреть металл до температуры плавления можно мощной сварочной дугой. Ее свойства характеризуются плотностью тока, вольтамперными показателями. С точки зрения электротехники, дуговой столб – ионизированный газовый проводник между катодом и анодом с большим сопротивлением, способностью к свечению. Детальное рассмотрение строения сварочной дуги поможет понять сущность температурного воздействия. Длина электродуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:

• анодную, она не более 10 микрон;
• катодную, она в 10 раз меньше анодной;
• столб – видимая светящаяся полоска.

За температуру сварочной дуги отвечает поток свободных электронов. Они образуются на катодном пятне. Оно разогревается до 38% температуры плазмы. В дуговом столбе электроны двигаются к аноду, а положительные частицы – к катоду. У столба нет собственного заряда, он остается нейтральным. Внутри частицы разогреваются до 10 000°С, металл при этом в среднем нагревается до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.

Место входа и нейтрализации электронов называют анодным пятном. Его температура выше, чем катодного на 4–6%.

Напряжение в анодной и катодной зонах существенно снижается, свечения не возникает. Видима только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют индивидуальные средства защиты.

Строение сварочной дуги

Дуговая электрическая сварка. Виды, устройство, схема дуговой сварки.

При дуговой сварке в газовой среде защита обеспечивается наличием аргона, аргон-гелия, азота, углекислого газа, паров воды.

Возникающий при сварке капельный перенос обеспечивает доставку в сварочную ванну до 95 % всего металла плавящегося электрода. Остальные 5 % теряются в виде брызг. Процесс переноса капли металла включает в себя следующие стадии: оплавление торца электрода, отекание металла, образование капли грушевидной формы. У самого основания капли образуется тонкая шейка, имеющая высокое электрическое сопротивление. В ней плотность тока резко возрастает, перегревая шейку и удлиняя каплю, которая тут же обрывается, на мгновение замыкая накоротко цепь тока. При этом шейка взрывается, образуя большое количество пара и газов, отбрасывающих каплю в направлении сварочной ванны. Далее процесс повторяется.

При ручной сварке электрод длиной 450 мм расплавляется за 1,52 мин. Расстояние межэлектродного промежутка l при сварке должно быть больше длины капли металла, отрывающегося от электрода, и равно 4-7 мм.

Из-за малой протяженности столба дуги (4-7 мм) и низкого значения линейного градиента потенциала между приэлектродными пятнами дуги, рабочее напряжение равно 8-12 В. С учетом того что напряжение дуги состоит из анодного и катодного падений напряжения и их значения зависят от тока дуги, материала электродов и изменяются в незначительных пределах, напряжение на сварочной дуге составляет от 18 до 45 В. При незначительном увеличении тока напряжение, необходимое для горения дуги, снижается и ВАХ дуги приобретает падающий характер.

В больших сварочных токах ВАХ становится жесткой. Скорость плавления электрода и свариваемого металла определяется главным образом мощностью, выделяющейся на электродах, а столб дуги выполняет технологические, а не энергетические функции. Основным показателем установок дуговой сварки является сварочный ток. Напряжение же холостого хода источника питания является условием, обеспечивающим устойчивое горение сварочной дуги.

Заметим, что напряжение зажигания дуги при переходе тока через нуль зависит от ряда факторов, но в первую очередь от силы тока. С повышением тока напряжение зажигания дуги уменьшается. Соотношение между напряжением зажигания и напряжением горения дуги для сварки открытой дугой Uз = (1,3-2,5)Uд. При сварке же на больших токах под флюсом напряжения зажигания дуги и ее горения будут одинаковыми.

Виды сварки по степени механизации.

Сварку подразделяют на ручную, полуавтоматическую и автоматическую. Отнесение процесса сварки к тому или иному виду зависит от того, каким образом выполняются зажигание и поддержание нужной длины дуги, манипуляции электродом, перемещение электрода по линии наложения шва и завершение процесса сварки. При этом технологические действия для образования шва производятся сварщиком вручную.

Ручная сварка выполняется плавящимся электродом с покрытием (рис. 1.1) или неплавящимся электродом с газовой защитой.

При полуавтоматической сварке плавящимся электродом механизирована часть операций, например подача электродной проволоки или флюса в сварочную зону, перемещение горелки по свариваемой детали и др. Остальные операции сварки выполняются сварщиком вручную.

При автоматической сварке под флюсом (рис. 1.2, а) автоматизировано большинство сварочных операций. Так, сварочная проволока 2 и гранулированный флюс 1 подаются в зону дуги, горящей в полости 3, заполненной парами металла и материалов флюса. 

Рис. 1.1. Схема ручной дуговой сварки: 1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — кратер; 4 — сварочная дуга; 5 — проплавленный металл Fпp; 6 — наплавленный металл Fн; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкий шлак; 9 — покрытие электрода; 10 — стержень электрода; 11 — электрододержатель; 12 — сварочная цепь; 13 — источник питания; H — высота сварочного шва; h — глубина проплавленного металла заготовок; l — ширина сварочного шва

Рис. 1.2. Схема сварки под флюсом (а) и в среде защитных газов (б)

По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны и образует легко отделяющуюся от шва шлаковую корку 5, металл же сварочной ванны кристаллизуется в виде сварного шва 4. Шлак защищает металл от воздействия кислорода и азота воздуха, легирует и замедляет охлаждение металла шва, что улучшает качество наплавленного металла при высокой производительности процесса.

При автоматической сварке в защитном газе (рис. 1.2, б) возникающая между электродом и металлом дуга окружена газом 6, подаваемым под небольшим давлением из сопла 1. Газовая защита применяется при сварке плавящимися и неплавящимися электродами. Назначение газа сводится к физической защите сварочной ванны от воздействия воздуха. 

Способы сварки.

Кратко рассмотрим наиболее распространенные способы сварки.

Сварка в камерах с контролируемой атмосферой применяется для соединения легкоокисляющихся металлов и их сплавов. В камере можно создать атмосферу из инертных газов — это обеспечит высокое качество сварного соединения.

Сварка трехфазной дугой применяется при ручной и механизированной сварке. Суть этого способа заключается в том, что к двум электродам, закрепленным в специальном держателе, и к свариваемому изделию подводится переменный ток от трехфазного источника питания. После возбуждения горит не одна дуга, как обычно, а одновременно три дуги: между обоими электродами и между каждым из электродов и изделием. Эта тройная дуга по отношению к свариваемому изделию является независимой и делает расплавление электродов непрерывным процессом, обеспечивая высокое качество сварного шва.

При сварке ненлавящимся электродом дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием. При этом электрод проходит через насадку, по которой в зону сварки подается аргон. Поэтому такая сварка называется аргоновой. Диаметр вольфрамового электрода может быть 1-4 мм. Аргоновая сварка деталей толщиной 3 мм и более эффективно выполняется невольфрамовым плавящимся электродом на автоматах и полуавтоматах. Этот способ сварки более производительный, чем сварка вольфрамовым электродом, и может применяться для сварки практически всех металлов: легированных сталей, меди, никеля и их сплавов, титана, алюминия, алюминиевых и магниевых сплавов, которые свариваются даже без применения флюсов. Главным преимуществом такой сварки является то, что в процессе работы сварщик может видеть место сварки и регулировать процесс.

Сварка в углекислом газе может выполняться как неплавящимся, так и плавящимся электродом на автоматах и полуавтоматах.

1.2. Источники питания дуговой сварки

Главной особенностью сварочных источников тока является то, что они способны выдерживать во время работы многократные короткие замыкания во вторичной цепи. Это происходит при зажигании дуги касанием электродов и во время сварки, когда скорость подачи плавящегося электрода опережает скорость его плавления.

Рис. 1.3. Внешние характеристики источника питания при слабо- и крутопадающей статической характеристике дуги

Более того, из-за нелинейности ВАХ дуги, имеющей падающий, жесткий и восходящий участки, ВАХ источника питания должна иметь соответствующий вид.

При сварке в ручном и автоматическом режимах под слоем флюса с автоматическим регулированием напряжения на дуге, когда ВАХ дуги слабопадающая (рис. 1.3, кривая 1), внешняя ВАХ источника должна быть крутопадающей (рис. 1.3, кривая 2). Известно, что чем больше крутизна падения ВАХ источника питания (ИП) в рабочей точке К (рис. 1.3, кривая 3), тем меньше колебания тока при неожиданных изменениях длины дуги и условий ее горения. При таких характеристиках напряжение холостого хода ИП в 1,8-2,4 раза больше напряжения дуги.

При сварке в автоматическом режиме под флюсом с саморегулированием дуги, имеющей жесткую характеристику, ВАХ ИП должна быть пологопадающей для повышения саморегулирования дуги. При сварке же в среде защитных газов и при большой плотности постоянного тока в электроде ВАХ дуги возрастающая. Таким образом, внешняя характеристика ИП для еще большей активности саморегулирования должна быть жесткой или возрастающей. Источники питания должны обеспечивать возможность настройки различных режимов сварки — установление заданных значений тока и напряжения, обеспечивающих сварочный ток.

Оценкой динамических характеристик ИП служит скорость нарастания напряжения на его зажимах при переходе от режима короткого замыкания к режиму холостого хода. При этом важным является время нарастания напряжения от нуля до возбуждения дуги и время восстановления напряжения: каждый из этих параметров не должен превышать 0,03 с.

Источники питания сварочной дуги переменного тока – это сварочные трансформаторы, которые бывают одно- и трехфазными, а по количеству питаемых сварочных постов — одно- и многопостовыми.

По возможности получения падающих внешних характеристик и регулирования тока источники питания бывают двух типов: трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, состоящие из двух раздельных аппаратов (трансформатор и дроссель), и трансформаторы с развитым магнитным рассеянием (с подвижными катушками, с магнитными шунтами, со ступенчатым регулятором).

Трансформаторы с отдельным дроссельным регулятором (рис. 1.4), сопротивление которого можно изменять в широких пределах, состоит из сердечника А с двумя обмотками: первичной I и вторичной II, создающей напряжение холостого хода 60-65 В. Первичную обмотку подключают к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В.

Регулятор тока — дроссель В состоит из магнитопровода (ярмо) и обмотки, расположенной на неподвижной части магнитопровода (якорь). Между ярмом и якорем делают воздушный зазор 5, изменяя который с помощью винта можно осуществлять плавное регулирование сварочного тока. При увеличении зазора 5 электрическое сопротивление (индуктивное) дросселя уменьшается, а ток в сварочной цепи увеличивается. При уменьшении же зазора 5 электрическое сопротивление дросселя увеличивается, а сварочный ток уменьшается.

Дроссельная катушка в цепи создает падающую внешнюю характеристику, благодаря этому напряжение на дуге изменяется в соответствии с колебаниями и изменениями ее длины.

Рис. 1.4. Схема сварочного аппарата с отдельным регулятором: А — трансформатор; В — дроссель; I — первичная обмотка; II — вторичная обмотка; 8 — воздушный зазор

Рис. 1.5. Схема трансформатора СТН со встроенным регулятором: А — магнитопровод трансформатора; В — магнитопровод регулятора; С — ярмо; Ф — основной магнитный поток; Фк — магнитный поток регулируемого контура; Ф’к — магнитный поток первичного контура; Ф»к — магнитный поток вторичного контура

Сварочный трансформатор типа СТН со встроенным регулятором (рис. 1.5) имеет на общем магнитопроводе три обмотки: первичную I и вторичную II обмотки трансформатора и обмотку регулятора (дроссельную катушку) IIK, включенную последовательно со вторичной обмоткой.

Регулирование сварочного тока обеспечивается изменением воздушного зазора 5 между магнитопроводом и якорем С.

Главным преимуществом трансформаторов этой серии является компактность, меньший расход меди и трансформаторной стали; при изменении тока с большого значения до минимального напряжение холостого хода несколько увеличивается, что обеспечивает высокую устойчивость горения сварочной дуги.

Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием имеют наибольшее распространение при ручной дуговой сварке, в них регулирование сварочного тока осуществляется изменением расстояния между обмотками или подвижным магнитным шунтом. Этим способом изменяют сопротивление потока рассеяния и соответственно индуктивность трансформатора: при увеличении сопротивления шунтирующей цепи индуктивность рассеяния трансформатора снижается и соответственно сварочный ток увеличивается. 

Источники питания сварочной дуги постоянного тока подразделяют на две группы: сварочные преобразователи и сварочные выпрямители. Технические характеристики некоторых сварочных источников питания приведены в табл. 1.1.

Сварочный преобразователь состоит из генератора постоянного тока и двигателя (электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания).

Однопостовые сварочные генераторы делятся на три основные группы, в зависимости от схемы формирования падающей внешней характеристики:

1) генераторы с расщепленными полюсами и с поперечным полем, падающая внешняя характеристика которых обеспечивается путем размагничивания основного поля генератора магнитным полем реакции якоря;

2) генераторы с независимым возбуждением, падающая внешняя характеристика которых обеспечивается уменьшением основного магнитного потока генератора потоком последовательной обмотки. Питание независимой обмотки возбуждения осуществляется от генератора — возбудителя или выпрямителя;

3) генераторы с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками, падающая внешняя характеристика которых обеспечивается размагничивающим действием потоков последовательной обмотки и реакции якоря генератора.

В генераторах сварочного тока с расщепленными полюсами предусмотрен двойной способ регулировки сварочного тока: сдвигом щеток и реостатом в цепи регулируемой обмотки, что позволяет увеличить пределы изменения тока без радикального изменения напряжения холостого хода генератора. Сдвиг щеток против направления вращения якоря генератора уменьшает размагничивание потока реакции якоря и увеличивает ток короткого замыкания (сварочный ток). Сдвиг же щеток по направлению вращения якоря уменьшает ток короткого замыкания.

Централизованная схема питания сварочных постов (СП) с применением многопостовых сварочных генераторов обладает рядом преимуществ перед однопостовым вариантом: сокращаются затраты на приобретение, ремонт и обслуживание СП; уменьшается потребность в площадях; увеличивается коэффициент использования оборудования и др.

Для создания нормальной работы СП при их питании от многопостового генератора, последний должен иметь жесткую внешнюю характеристику, т. е. напряжение генератора при изменении тока не должно изменяться более чем на 5 % от номинального значения.
Таблица 1.1 Технические характеристики сварочных источников питания

Рис. 1.6. Схема многопостового преобразователя с балластными реостатами

Подключение СП к генератору осуществляется через балластные реостаты (БР), которые позволяют изменять сопротивление в широких пределах, изменяя тем самым сварочный ток. Балластный реостат обеспечивает падающую характеристику, служит регулятором тока, ограничивает и регулирует ток короткого замыкания в сварочной цепи поста в момент зажигания дуги.

Сварочные генераторы с жесткими и пологопадающими внешними характеристиками применяют как многопостовые ИП или для питания автоматов или полуавтоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. Генераторы данного типа (рис. 1.6) имеют особую систему возбуждения: в ней потоки обмоток 1 и 3 направлены согласно, а напряжение холостого хода регулируют с помощью реостата 2. Каждый сварочный пост включается через балластное сопротивление 4, обеспечивающее регулирование тока в широких пределах.

Универсальный сварочный генератор (рис. 1.7) может менять форму внешней характеристики и регулировать динамические свойства. Падающая характеристика может быть изменена на жесткую переключением сериесной обмотки (СО) переключателем (П) со встречного включения на согласное и рассчитанным изменением числа включенных витков; регулируемый дроссель (Др) позволяет получить требуемые динамические характеристики.

Сварочные выпрямители базируются на использовании полупроводниковых приборов, которые позволяют существенно расширить номенклатуру ИП для дуговой сварки. Их главным преимуществом является равномерная загрузка силовой сети переменного тока и оптимальное использование трансформатора, питающего выпрямитель. Вследствие меньшей электромагнитной инерции динамические свойства выпрямителей лучше генераторов постоянного тока. Ток и напряжение в них изменяются при переходных процессах почти мгновенно, и КПД выпрямителей выше, чем у сварочных преобразователей с генератором постоянного тока.

В сравнении со сварочными трансформаторами трехфазные выпрямители обеспечивают большую стабильность дуги, особенно на малых токах, поэтому напряжение их холостого хода может быть несколько ниже.

Тиристорные выпрямители являются замкнутой системой автоматического регулирования с отрицательной обратной связью по току при падающих внешних характеристиках и положительной обратной связью по выходному напряжению при жестких внешних характеристиках. Возможна и совместная работа обратной связи по току и напряжению для создания расчетной крутизны наклона пологопадающих внешних характеристик.

Структурная схема сварочного тиристорного выпрямителя с падающими характеристиками представлена на рис. 1.8, где Т — силовой трансформатор; БП — блок подпитки; ТРН — тиристорный регулятор напряжения; ДТ — датчик тока; СД — сварочная дуга; БЗТ — блок задания тока; БС — блок сравнения; БФУ — блок фазного управления; КЗ — корректирующее звено.

Рис. 1.7. Электрическая схема универсального сварочного генератора

Рис. 1.8. Структурная схема сварочного тиристорного выпрямителя с падающей характеристикой

Расчетное напряжение сравнивается с сигналом обратной связи, пропорциональным мгновенному значению сварочного тока, и усиленная разность между ними направляется на вход блока фазового управления. Поступающие на тиристорный блок импульсы отпирания позволяют поддерживать величину сварочного тока с высокой точностью.

Для устранения пульсаций и поддержания стабильного процесса сварки в цепь включается индуктивность, значение которой зависит от режимов сварки. Широкое применение получили различные схемы, обеспечивающие минимальную пульсацию выпрямленного тока как для ручной, так и для автоматической сварки.

Выпрямитель ВСС-300-3 (рис. 1.9) представляет собой однопостовую сварочную установку, включающую понижающий трансформатор Т, блок выпрямителей В, пускорегулирующую аппаратуру и вентилятор. Трехфазный понижающий трансформатор имеет падающие внешние характеристики. Изменение сварочного тока осуществляется за счет изменения потока рассеяния между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Пределы регулирования сварочного тока производятся переключением обмоток трансформатора со «звезды» на «треугольник».

Выпрямитель ВСС-300-3 собирается по трехфазной мостовой схеме Ларионова. Он снабжен фильтрами для подавления радиопомех, а также схемой защиты, отключающей его от сети при чрезмерной перегрузке.

Для сварки металлов малых толщин в среде аргона постоянным и импульсным токами применяются транзисторные преобразователи серии АП. Принципиальная схема таких аппаратов (рис. 1.10) включает силовой трехфазный трансформатор Т, выпрямитель В, блок транзисторов БТ, блок управления БУ, генератор импульсов ГИ и блок поджига дуги БП. Блок поджига включает осциллятор, который обеспечивает зажигание дуги Д без касания электродов.

Рис. 1.9. Принципиальная схема сварочного выпрямителя ВСС-300-3

Рис. 1.10. Принципиальная схема и внешние характеристики аппаратов типа АП

Сварочный ток регулируется плавно при помощи блока транзисторов, обеспечивая крутопадающую ВАХ. Для получения импульсной дуги в цепи управления имеется генератор импульсов регулируемых амплитуд, длительности и частоты.

1.3. Особенности ручной дуговой сварки

Ручной дуговой сваркой выполняют множество операций соединения деталей в цехах, непосредственно на конструкциях и стройплощадках. Это обусловило высокие требования к применяемому оборудованию и самому процессу сварки. Переносные сварочные установки снабжены сварочными кабелями соответствующего сечения (табл. 1.2).

Держатели электродов при технологических приемах должны надежно удерживать электроды диаметром 0,3-6 мм, сделанные из холоднотянутой или горячекатаной проволоки (из такого же материала, что и свариваемые детали). Условные обозначения присадочного материала и легирующих элементов приведены в табл. 1.3.

Марка сварочной проволоки может состоять: из букв «Св», означающих «сварочная»; буквенных обозначений элементов, входящих в состав проволоки; из числа, соответствующего ее диаметру в миллиметрах; числа, показывающего содержание углерода. Например, для сварки алюминия и его сплавов применяется проволока марок СвАМц, СвАМб, АЛ9 и др.; для сварки меди и ее сплавов — проволока M1, M2; для сварки бронзы — проволока БрКМц3-1; латуни — проволока Л63, Л60-1 и др.

Проволоки для механизированной сварки имеют маркировку, состоящую из букв: Э — электродная, О — омедненная, Ш — электрошлако- вая, ВД — воздушно-дуговая, ВИ — вакуум-индукционная.
Таблица 1.2 Сечение сварочных кабелей

Таблица 1.3 Условные обозначения присадочного материала и легирующих элементов источников питания

Классификация электродов зависит: от материала, из которого они изготовлены; от металла, для сварки которого они предназначены; от количества покрытия, нанесенного на металлический стержень; от химического состава стержня и покрытия; от характера шлака, образующегося после сварки.

Маркировка электродов для сварки конструкционных сталей состоит из обозначения марки и типа электрода, диаметра стержня, типа покрытия и номера ГОСТа. Например, УОНИ-13/45-Э42А-4,0Ф ГОСТ 9467-60 расшифровывается так: УОНИ-13/45 — марка электрода; Э42А — тип электрода; 4,0Ф — диаметр и покрытие электрода.

Величину сварочного тока выбирают в зависимости от марки и диаметра электрода, с учетом положения шва в пространстве, вида соединения, толщины и состава свариваемого металла, температуры окружающей среды. Сварочные работы ведутся на максимально возможном токе. Режим сварки металлов разной толщины и свойств дается в специальных руководствах.

1.4. Особенности полуавтоматической и автоматической сварки

При автоматизации сварки не только скорость подачи проволоки в зону горения дуги, но и возбуждение и поддержание горения дуги, перемещение дуги должны соответствовать скорости сварки.

Производительность автоматической сварки в 5-20 раз выше, чем ручной, при высоком качестве шва и экономии электроэнергии и материалов. Флюсы и присадочную электродную проволоку выбирают по тем же критериям, что и при ручной сварке. Что касается плотности тока, то ее выбирают значительно большей, а диаметр сварочной проволоки при токах 100-3 000 А варьирует от 1 до 6 мм.

Установка для автоматической сварки включает три основные части: сварочный агрегат, источник питания и аппаратный ящик с пультом управления. Установки для механизированной и автоматизированной сварки бывают следующих видов: сварочные полуавтоматы; сварочные автоматы; сварочные тракторы.

Сварочные полуавтоматы ведут сварку и наплавку с автоматической подачей проволоки и других сварочных материалов в зону горения дуги и ручным движением дуги вдоль сварного шва. Полуавтоматы для сварки в защитных газах (рис. 1.11) состоят из горелки 1 со шлангом 2, механизма 3 подачи электродной проволоки, кассеты или катушки 5, блока управления 4, если он объединен с источником питания; сварочного кабеля 10, цепей управления 9, аппаратуры для регулирования подачи газа 8 (при сварке в углекислом газе); шланга 6, источника питания 7.

Полуавтоматы для сварки под флюсом включают те же узлы, но вместо газовой аппаратуры они имеют устройства подачи флюса.

Рис. 1.11. Схема шлангового полуавтомата для сварки в защитных газах

Для сварки изготовляют специальные горелки на определенный ток, величину которого выбирают из стандартного ряда токов: 125, 160, 220, 250, 315, 400, 500, 630 А.

Сварочные автоматы могут быть подвесными, самоходными, а также в виде сварочных тракторов общего или специального назначения. Напряжение на дуге при сварке под флюсом выбирают по опытным данным, показывающим изменение напряжения дуги в зависимости от величины сварочного тока, диаметра электрода, марки металла и других параметров. Обычно U = 32-24 В при I = 180-300 А и U = 40-44 В при I = 1 0001 200 А (для электродов диаметром 2 и 5 мм под флюсом АН/348А).

Диаметр электродной проволоки d3 (мм) можно приближенно вычислить из выражения

Iсв = 110dэ + 10dэ2. (1.3)

Сварочный трактор представляет собой самоходный агрегат для сварки под флюсом, который несет на самоходной тележке подающий механизм, сварочную горелку, механизм настройки и корректировки передвижения, флюсовую аппаратуру и систему управления. Конструктивное исполнение тракторов возможно в двух вариантах: перемещающиеся по изделию и перемещающиеся по рельсам.

Рис. 1.12. Сварочный трактор АДС-1000-2: 1 — тележка; 2 — механизм поперечной корректировки; 3 — стойка; 4 — рукоятка муфты; 5 — зажим стойки; 6 — пульт; 7 — кассета; 8 — зажим коромысла; 9 — коромысло; 10 — бункер; 11 — рукоятка; 12 — механизм вертикальной корректировки; 13 — сварочная головка

На рис. 1.12 показан сварочный трактор АДС-1000-2. Его перемещение осуществляется от электродвигателя постоянного тока. Исполнительная система трактора оснащена средствами автоматического ведения сварочного процесса с программным управлением координатами как инструмента, так и изделия, а также условиями режима сварки. Этот агрегат называют также промышленным сварочным роботом.

Роботы блочно-модульной конструкции специального назначения применяются в крупносерийном и массовом производствах для сварки изделий, требующих перемещения сварочного инструмента от одной до четырех степеней подвижности.

Электрическая дуга в большинстве электротехнологических процессов является главным технологическим инструментом и позволяет выполнять множество операций: нагрев, резку, плавку, сварку.

Виды сварочной дуги

Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:

• прямого действия, разряд перпендикулярен заготовке, параллелен электроду;
• косвенного действия, разряд возникает между двух электродов, наклоненных друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.

Классификация состава плазмы столба:

• открытого типа возникает в воздушной атмосфере благодаря испаряемым из обмазки и металла компонентам;
• закрытая, возникающая под слоем флюса за счет газообразной фазы, образовавшейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
• с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.

Разновидности сварочной электродуги

Подразделение сварочной электродуги на виды осуществляется на основе нескольких признаков. Так, по критерию «Тип электротока и расположение электродов в рабочей зоне» формируются следующие группы:

• прямого действия. Это когда разряд расположен параллельно по отношению к продольной оси электрода и перпендикулярно относительно обрабатываемой металлической поверхности;
• косвенного действия. Здесь электрод наклонен к поверхности заготовки под углом, равным 40,0°-60,0°. Разряд проходит между этим расходным элементом и металлом;
• комбинированная. Представляет собой сочетание вышеуказанных дуг. В качестве примера можно привести 3-фазную дугу. Ее 2 дуги осуществляют электрическую связь электродов с объектом сварки. Третья же горит между двумя изолированными один от другого электродам.

Плазменный столб зависимости от его состава бывает:

• открытым. Формируется в газах атмосферы. В качестве подпитывающей среды выступают химические соединения, испаряющиеся из объекта сварки и обмазки электрода;
• закрытым. Продуцируется под флюсом. Обязательное условие – наличие газообразной фазы, образованной частицами, являющимися продуктами испарения флюса, расходного элемента – электрода, и самого металла, находящегося в жидком агрегатном состоянии;
• с подачей защитной смеси. Ею может быть газ, обладающий инертными свойствами, и т.д.

Еще один признак, на основе которого эксперты подразделяют электродугу на виды, это тип электрода. Для сварки задействуются следующие расходные элементы:

• стальные, обмазка которых содержит включения, обеспечивающие ионизацию газа;
• произведенные из угля либо графита;
• тугоплавкие, изготовленные из металла вольфрам (элемент W).

По критерию «время воздействия» сварочная электродуга бывает импульсной, а также постоянной.

Условия горения

Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.

Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.

Как возникает электрическая сварочная дуга

Как и любой электрический разряд, сварочная электродуга появляется при замыкании цепи. Возникновение тока при касании электрода к свариваемому металлу приводит к выработке большого количества тепла. В точке замыкания появляется расплав, он тянется за кончиком электрода, образуется шейка, которая мгновенно распыляется из-за сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитного облака, они переносят поток электронов.

Направленность потока зависит от рода тока. Дуга разжигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота угасания и розжига электродуги зависит от параметров рабочего тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:

• напряжение, возрастание приводит к увеличению мощности только в небольшом диапазоне, существуют ограничения по размеру электрода;
• сила тока, большой ампераж обеспечивает стабильное горение;
• величина напряжения плазмы, пропорциональна мощности.

Длиной сварочной дуги называют расстояние от сварного кратера до кончика электрода. От этой величины зависит объем выделившегося тепла.

По мощности сварочной дуги определяют скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время выполнения сварочных работ. Регулировка силы тока производится для корректировки температуры в рабочей зоне, даже на длинном столбе электродуга не будет затухать при большом ампераже. Напряжение редко изменяют в процессе сварки.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:

• мощность дуги;
• время горения,
• условия гашения.

Динамическая ВАХ описывает неустановившееся состояние электродуги, когда ее длина колеблется. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость вольтажа от ампеража при постоянной дуговой длине. График делится на три области:

• падающая – при подъеме силы тока напряжение резко спадает, это связано с формированием столба: площадь сечения плазменного потока возрастает, электропроводность плазмы изменяется;
• жесткая, это участок стабильной плотности тока и падения напряжения, с ростом ампеража от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр дугового столба (анодное и катодное пятна, соответственно, изменяются);
• возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного пятна, она ограничена диаметром электрода, при увеличении ампеража по закону Ома увеличивается U, R дугового столба.

Статическая вольт-амперная харакетиристика сварочной дуги: 1 — падающая; 2 — жесткая; 3 — возрастающая.

ВАХ процесса обычной ручной сварки с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ограничена двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Механизированной сварки с использованием флюсов соответствует графику II и III областей, сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы – III.

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

1. Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
2. В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
3. Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
4. В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
5. Удлиняясь, она утоньшается с образованием т.н. шейки. В какой-то момент та испаряется и превращается в облако заряженных частиц. Одновременно вследствие высокой температуры в данной зоне ионизируется воздух или защитный газ.
6. Под действием электрического поля носители отрицательного заряда устремляются к аноду, положительного – к катоду. Начинается процесс протекания тока в плазме.

В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится.
Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

Современные сварочные аппараты оснащаются генератором высокочастотных колебаний (осциллятором). Это устройство позволяет возбуждать дугу бесконтактным способом.

При каких условиях начинается горение

Электрическая сварочная дуга возникает при силе тока от 10 до 1000 А и разности потенциалов 15-40 В. В холодном воздухе розжиг затрудняется, поскольку тот слабо ионизируется. В таких условиях прогревают заготовку либо подают теплый защитный газ.

Источники питания дуги

Для создания разряда используют и постоянное, и переменное напряжение. В первом случае сварной шов получается более качественным, а металл разбрызгивается меньше.

Ток из сети 220 В преобразуется трансформатором, дающим на выходе 15-40 В.

С целью уменьшения его габаритов в современных сварочных аппаратах используют схему, состоящую из таких узлов:

1. Входного выпрямителя.
2. Инвертора – электронного устройства с быстропереключающимися транзисторами, управляемого микросхемой.
3. Трансформатора.
4. Выходного выпрямителя.

Инвертор является источником питания дуги.
Инвертор превращает постоянный ток в переменный с частотой до 80 кГц. Это позволяет не только уменьшить размеры трансформатора, но и повысить КПД аппарата.

Параметры источника подбирают с учетом способа выполнения работ. Например, при ручной сварке длина дуги колеблется, поэтому нужен аппарат с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Благодаря ему разряд при растягивании не гаснет, а при его укорочении ток не становится слишком большим.

При сварке плавящимся электродом с него стекают на заготовку капли металла. В такие моменты возникает ток короткого замыкания, превышающий дуговой на 20%-50%. Он пережигает образовавшийся металлический мостик, и плазменный разряд образуется снова. Эти колебания происходят в короткие моменты времени, поэтому источник должен быстро реагировать на них, стабилизируя разность потенциалов.

Рекомендуем к прочтению Технология сварки арматуры

Чем и как определяется мощность

Плазма представляет собой проводник с протекающим по нему электрическим током. Значит, на вопрос о том, чем определяется мощность сварочной дуги, дается тот же ответ, что и для любого резистора: напряжением и амперажем. Скорость выделения тепла равна произведению этих величин.

Мощность варьируют силой тока, которая зависит от длины дуги.

Увеличение разности потенциалов позволяет нарастить мощность только в небольших пределах. К тому же возможность такой регулировки ограничена размером электрода.

Чаще мощность варьируют силой тока, которая, в свою очередь, зависит от длины дуги. Одновременно меняется и температура нагрева металла, а с ней и скорость выполнения работ.

Особенности дуги

Благодаря особым свойствам, электрическая дуга используется при сварке с тугоплавкими и плавящимися электродами. Она быстро разогревает металл, образуя ванну расплава. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.

По природе происхождения электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные отличительные характеристики дуги:

• высокая температура, создаваемая плотным током (ампераж зависит от длины столба, достигает тысяч А на см2);
• небольшие значения анодного и катодного падения напряжения, слабо зависящие от первоначально заданного вольтажа;
• неравномерность распределения напряжения электрического поля между полюсами;
• пространственная устойчивость;
• саморегулирование мощности, ВАХ;
• четко очерченные границы, ясно видимые в окружающей среде.

Зажигание производится двумя способами:

• коротким касанием (электрод подводится впритык, повышается риск залипания);
• чирканьем (невозможен в труднодоступных местах).

Билеты экзамена для проверки знаний специалистов сварочного производства 1 уровень

БИЛЕТ 4

ВОПРОС 1. Назовите основные наружные дефекты шва при РДС.

1. Нарушение размеров и формы шва, подрезы, прожоги, наплывы, свищи, не заваренный кратер.

2. Нарушение размеров и формы шва, трещины, поры, шлаковые включения.

3.Прожоги, наплывы, свищи, оксидные вольфрамовые включения, несплавления.

ВОПРОС 2. В каких пределах изменяется стандартный угол скоса кромки при V-образной разделки элементов стальных конструкций по ГОСТ 5264-80

ВОПРОС 3. Какой буквой русского алфавита обозначают алюминий и медь в маркировке стали?

1. Алюминий — А, медь — М.

2. Алюминий — В, медь — К.

3. Алюминий — Ю, медь — Д.

ВОПРОС 4. Укажите способ устранения влияния магнитного дутья

1. Увеличением параметров режима сварки, механической зачисткой свариваемых кромок.

2. Изменением места токоподвода, угла наклона электрода, заменой постоянного тока переменным.

3. Изменением угла раздела кромок, уменьшение зазора в стыке.

ВОПРОС 5. Что такое режим холостого хода сварочного трансформатора?

1. Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети, а вторичная замкнута потребителем.

2. Первичная обмотка трансформатора подключена к питающей сети, а вторичная обмотка отключена от потребителя.

3. Первичная обмотка трансформатора не подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута потребителем.

ВОПРОС 6. Что из перечисленного ниже влияет на выбор диаметра электрода и величины сварочного тока?

1. Марка и толщина свариваемого металла.

2. Температура окружающей среды.

3. Все перечисленное в п.п.1,2.

ВОПРОС 7. Укажите правильное подразделение электродов по типу покрытия по ГОСТ 9466?

1. Кремнесодержащие, марганцесодержащие и нейтральные покрытия.

2. Окислительные, восстановительные и пассивирующие покрытия.

3. Кислые, основные, целлюлозные и рутиловые покрытия

ВОПРОС 8. Для сварки какого класса сталей применяют электроды типов Э70, Э85, Э100, Э125, Э150?

1. Для сварки теплоустойчивых сталей.

2. Для сварки конструкционных сталей повышенной и высокой прочности.

3. Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

ВОПРОС 9. Что из перечисленного ниже является причиной появления шлаковых включений?

1. Плохая защита места сварки от ветра на монтаже.

2. Следы влаги и масла на свариваемых кромках.

3. Низкое качество электродного покрытия при ручной дуговой сварке.

ВОПРОС 10. Когда наблюдается мелкокапельный перенос металла при сварке в защитных газах?

1. На малых значениях плотности сварочного тока.

2. На больших значениях плотности сварочного тока.

3. На средних значениях плотности сварочного тока.

ВОПРОС 11. Какой из перечисленных факторов в большей степени влияет на ширину шва при РДС?

1. Величина сварочного тока.

2. Поперечные колебания электрода.

3. Напряжение на дуге.

ВОПРОС 12. Укажите требования к режиму подогрева при сварке разнородных сталей перлитного класса

1. Устанавливается режим, соответствующий более легированной из свариваемых сталей.

2. Устанавливается режим, соответствующий менее легированной из свариваемых сталей.

3. Устанавливается усредненный режим подогрева.

ВОПРОС 13. Укажите, как влияет увеличение диаметра электрода (при неизменном токе) при ручной дуговой сварке на пространственную устойчивость дуги

1. Возрастает, так как уменьшается блуждание активного пятна.

2. Снижается, так как усиливается блуждание активного пятна по сечению конца электрода.

3. Никакого влияния не оказывает.

ВОПРОС 14. Какую вольтамперную характеристику должен имеет источник питания для РДС?

ВОПРОС 15. Укажите требования, предъявляемые к качеству подготовки поверхности кромок, пред сваркой

1. Разрешается применять металл в состоянии поставки.

2. Поверхности стыка кромок детали и прилегающая к ним зона должны быть чистой, без окалины, ржавчины, масла, смазки и грязи.

3. Поверхности стыка кромок детали и прилегающая к ним зона должны быть без следов влаги.

ВОПРОС 16. Укажите как выбирают плотность защитного стекла в сварочной маске при дуговой сварки

1. В зависимости от способа сварки.

2. В зависимости от величины сварочного тока.

3. В зависимости от остроты зрения сварщика.

ВОПРОС 17. Когда появляются временные сварочные деформации?

1. Образуются во время сварки.

2. Возникают после сварки.

3. Появляются после охлаждения свариваемого металла.

ВОПРОС 18. Какие дефекты допускается устранять сварщику (не привлекая руководителя работ)?

1. Любые дефекты, включая дефекты типа непроваров и трещин.

2. Трещины и межваликовые несплавления.

3. Поверхностные поры, шлаковые включения, межваликовые несплавления, подрезы.

ВОПРОС 19. Какая минимальная величина тока может оказаться смертельной для человека при попадании под электрическое напряжение?

1. Сила тока равная 1 мА.

2. Сила тока равная 10 мА.

3. Сила тока равная 50 мА.

ВОПРОС 20. Какой линией изображают невидимый сварной шов на чертеже?

1. Сплошной основной.

3. Штрих – пунктирной.

Для перехода на следующую страницу, воспользуйтесь постраничной навигацией ниже

Источник