Принцип ручной дуговой сварки метала (ММА)
Сварка металла защищенной дугой или сварка ММА представляет собой процесс, при котором происходит расплавление и соединение металлов при их нагреве дугой, создаваемой между металлическим покрытым электродом и деталью. Внешнее покрытие электрода, называемое флюсом, помогает создавать дугу и создает защитный газ и окалину, которые защищают сварку от попадания загрязнений. Сердечник электрода обеспечивает при сварке большую часть заполняющего металла.
Когда электрод перемещается вдоль детали с правильной скоростью, металл осаждается в виде равномерного слоя, называемого наплавленным валиком.
Источник питания для сварки с защищенной дугой обеспечивает ток постоянной силы (СС) и может подавать переменный ток (АС) или постоянный ток (DC), в зависимости от используемого электрода. Наилучшие характеристики при сварке обычно получаются при использовании источников с постоянным током.
Мощность в цепи сварки определяется напряжением и током. Напряжение (В) определяет длину дуги между электродом и деталью и зависит от диаметра электрода. Ток является более значимым компонентом, определяющим мощность в цепи сварки, он измеряется в амперах (А).
Величина тока в амперах, необходимая для выполнения сварки, зависит от диаметра электрода, толщины свариваемых деталей и от положения при сварке. Обычно для сварки небольших деталей требуется электрод меньшего диаметра и ток меньшей силы, чем для сварки крупных деталей такой же толщины. Для тонкого металла требуется ток меньшей силы, чем для толстого металла, а для электрода малого диаметра требуется меньше ампер, чем для электрода большого диаметра.
Предпочтительнее выполнять сварочные работы в горизонтальном положении. Однако если необходимо производить сварку в вертикальном положении или над головой, желательно использовать меньший ток в сравнении с тем, который используется при горизонтальной сварке. Наилучшие результаты сварки получаются при поддержании короткой дуги, перемещении электрода с равномерной скоростью и подаче электрода вниз с постоянной скоростью по мере его расплавления.
На передней панели сварочного источника питания имеется индикатор питания (белый), ндикатор перегрева или превышения тока (желтый), ручка регулировки тока или управляющий контроллер, регулировка выходного положительного напряжения (+) и выходного отрицательного напряжения (-). На задней панели сварочного источника питания располагается выключатель питания «ВКЛ./ВЫКЛ.», разъем для кабеля (одна фаза 50 Гц, 220 В ) и т.п.
Положительное подключение означает, что деталь соединяется с выходом (+) на сварочном источнике питания, а держатель электрода соединяется с выходом (-). Отрицательное подключение означает, что деталь соединяется с выходом (-) на сварочном источнике питания, а держатель электрода соединяется с выходом (+).
• Подсоединить деталь или держатель электрода к выходу (-), без слабины.
• Подсоединить деталь или держатель электрода к выходу (+), без слабины.
• Включить питание выключателем «ВКЛ./ВЫКЛ», при этом начнет светиться индикатор (белый).
• Теперь можно приступить к сварке ММА.
• Для улучшения качества сварки каждый зажим заземления на детали должен быть зажат плотно, и располагаться как можно ближе к месту сварки.
Предупреждение!
1) При использовании некоторых электродов деталь должна быть соединена с выходом (-), а держатель электрода должен быть соединен с выходом (+).
2) Обычно для большинства электродов деталь должна быть соединена с выходом (-), а держатель электрода должен быть соединен с выходом (+).
Индикатор перегрева или превышения тока начинает светиться в том случае, если достигнут порог срабатывания защиты по перегреву для данного оборудования. В случае перегрузки сварочного источника питания возникает перегрев. Данное сварочное оборудование автоматически перезапускается в том случае, если температура внутри сварочного оборудования падает и индикатор гаснет.
Ток сварки выбирается в зависимости от толщины обрабатываемой детали и диаметра сварочного электрода. Для оборудования ММА ток сварки составляет l2=(25-47)*D, где D — диаметр электрода, равный 2,0 мм, 2,5 мм, 3,2 мм, 4,0 мм и т.д.
Невозможно обучиться технологии сварки, просто читая о ней. Опыт приходит только вместе с практикой. Следующие страницы помогут неопытному сварщику понять некоторые аспекты сварки и приобрести знания. Для получения более детальной информации следует приобрести книгу «Дуговая сварка».
Знания оператора о дуговой сварке должны выходить за рамки знаний собственно об электрической дуге. Он должен знать, как контролировать дугу, а для этого требуются знания о сварочной цепи и об оборудовании, которое обеспечивает электрический ток, протекающий внутри дуги. Сварочная цепь начинается там, где кабель электрода подсоединяется к сварочной установке и заканчивается в месте подсоединения рабочего кабеля к той же сварочной установке. Ток протекает через кабель электрода к держателю электрода, проходя через электрод и через дугу. На рабочей стороне дуги ток протекает через металл основы к рабочему кабелю и назад к сварочной установке; цепь должна быть замкнута, чтобы ток мог протекать. Для выполнения сварки рабочий зажим должен быть плотно подсоединен к чистому металлу основы. Для получения хорошего соединения требуется удаление краски, ржавчины и т.п. Рабочий зажим должен подсоединяться как можно ближе к месту, которое будет свариваться. Сварочная цепь не должна проходить через шарниры, подшипники, электронные компоненты и другие устройства, которые могут быть при этом повреждены.
Электрическая дуга образуется между рабочей зоной и концом тонкого металлического стержня, т.е. электрода, который зажат в держателе, который удерживается сварщиком. При удержании конца электрода на расстоянии от зоны сварки или свариваемого металла основы образуется зазор величиной 1,5-2,0 мм. Электрическая дуга возникает в этом зазоре и удерживается на одном месте или перемещается по свариваемому соединению, расплавляя металл во время перемещения.
Хорошая сварочная дуга получается при наличии опыта, твердой руки, хорошего физического состояния и хорошего зрения; оператор контролирует сварочную дугу, и, тем самым, качество производимой сварки.
Рис. 1 Сварочная дуга
Природа возникновения явления
Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:
- Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
- В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
- Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
- В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
- 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.
- 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:
- Входного выпрямителя.
- Инвертора – электронного устройства с быстропереключающимися транзисторами, управляемого микросхемой.
- Трансформатора.
- 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 Как самому сделать откатные ворота
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.
Что происходит внутри дуги
На Рис. 1 изображены процессы, которые происходят в электрической дуге.
Так вы можете получить представление о том, что в действительности происходит во время сварки.
В середине рисунка виден «поток дуги», который создает дуга при наличии тока, протекающего в промежутке между концом электрода и деталью. Температура дуги в этом месте составляет приблизительно 3300° С. Это более чем достаточно, чтобы расплавить металл основы. Эта дуга достаточно широкая и достаточно горячая, на нее нельзя смотреть незащищенным глазами без риска получить болезненную травму. При наблюдении за дугой следует использовать сильно затемненные стекла, специально созданные для дуговой сварки, эти стекла вставляются в надеваемую на голову маску или в удерживаемый в руке щиток.
Дуга расплавляет металл основы и фактически проникает в него, подобно тому, как вода из садового поливального шланга проникает в землю. Расплавленный металл образует сварочную ванну, и зона расплава постепенно удаляется от дуги при ее перемещении. При перемещении дуги от зоны расплава, сварочная ванна охлаждается и отвердевает. Шлак, образующийся в верхней части сварного шва, защищает его от быстрого охлаждения.
Электрод с покрытием служит не только для того, чтобы подводить ток к дуге. Электрод состоит из металлического сердечника в виде прутка, вокруг которого нанесено спекшееся химическое покрытие. Внутренний металлический пруток расплавляется в дуге и добавляет через дугу капли расплавленного металла в сварочную ванну. Электрод обеспечивает дополнительный металл заполнения шва для заполнения канавки или зазора между двумя кусками металла основы. Покрытие также расплавляется или сгорает в дуге. Оно выполняет несколько функций. Оно делает дугу более устойчивой, обеспечивает экранирование из дымоподобного газа вокруг дуги, чтобы не допускать контакта кислорода и азота воздуха с расплавленным металлом, а также обеспечивает флюс для сварочной ванны. Флюс собирает загрязнения и образует защитную окалину. Разные типы электродов принципиально отличаются друг от друга своим покрытием. Меняя состав покрытия можно существенным образом изменять рабочие характеристики электродов. Понимая различие между покрытиями, сварщик может наиболее правильно подобрать наилучший электрод для выполнения работы.
При выборе электрода должно учитываться следующее:
1. желаемый состав сварного шва, например, мягкая сталь, нержавеющая сталь, низколегированная сталь;
2. толщина свариваемой пластины или металла основы;
3. Положение, в котором будет производиться сварка (с опущенным электродом или в другом положении)
4. состояние поверхности свариваемого металла основы;
5. возможность приобретения и работы с требуемыми электродами.
Четыре простых действия-манипуляции имеют первостепенное значение. Отсутствие абсолютного мастерства в этих четырех действиях желаю процесс сварки бессмысленным. Мастерское овладение этими четырьмя действиями делаю процесс сварки простым.
Температура электрической дуги, ее воздействие .
Выделение теплоты неодинаково в различных точках дуги. У положительного электрода выделяется 43% всего количества, у отрицательного 36% и в самой дуге (между электродами) остальные 21%.
Схема зон и их температуры в сварочной дуге
В связи с этим и температура на электродах неодинакова. Анод имеет около 4000° С, а катод 3400°. В среднем считают температуру электрической дуги 3500° С.
Благодаря различной температуре на полюсах вольтовой дуги угольные проводники
берутся различной толщины. Положительный уголь берется толще, отрицательный —
тоньше. Стержень дуги (средняя часть) состоит из потока электронов, выбрасываемых катодом, которые с огромной скоростью несутся к аноду. Обладая большой кинетической энергией, они ударяются о поверхность анода, преобразуя кинетическую энергию в тепловую.
Окружающий его зеленоватый ореол является местом химических реакций, происходящих между парами вещества электродов и атмосферой, в которой горит вольтова дуга.
Процесс возникновения сварочной дуги
Правильное положение при сварке
На рисунке показано правильное положение при сварке для правшей (для левшей оно будет противоположным):
а) Держатель электрода удерживается в правой руке.
б) Левая рука касается снизу правой руки.
в) Левый локоть располагается с левой стороны.
Сварка по возможности производится обеими руками. Это обеспечивает полный контроль над перемещением электрода. Если это возможно, сварка выполняется слева направо (правшами). Это позволяет сварщику видеть то, что он делает. Электрод следует удерживать под небольшим углом, как показано на рисунке.
Рис. 2 Правильное положение при сварке
Правильный способ зажигания дуги
Убедиться в том, что рабочий зажим имеет хороший электрический контакт с деталью. Опустить щиток и слегка поцарапать электродом по металлу; при этом будут видны разлетающиеся искры. Царапая, следует приподнять электрод на 3 мм, при этом появится дуга. Примечание: если перестать перемещать электрод во время царапания, он прилипнет. Примечание: большинство новичков пытаются зажечь дугу, производя быстрые ударные движения по плоскости. В результате, электрод прилипает, или движения производятся настолько быстро, что дуга сразу же гаснет.
Правильная длина дуги
Длина дуги представляет собой расстояние от конца прутка электрода до металла основы. После возникновения дуги очень важным является поддержание ее правильной длины. Дуга должна быть короткой, длиной приблизительно 1,5-3,0 мм. По мере сгорания электрода он должен подаваться к месту сварки, чтобы поддерживалась правильная длина дуги. Самый простой способ убедиться в том, что дуга имеет правильную длину — просто прислушаться к ее звуку. Хорошая короткая дуга создает потрескивающий звук, очень похожий на шипение жарящихся на сковороде яиц. Неправильная, длинная дуга создает глухой или шипящий звук.
Что влияет на мощность электродуги
Показатели мощности сварочной электродуги зависят от следующих основных факторов:
- питающее напряжение. Возрастание напряжения питания приводит к увеличению мощности дуги. Однако диапазон изменения значений последнего параметра неширокий. Имеются также ограничения, касающиеся размеров электродов;
- сила тока. Зависимость прямо пропорциональная. С увеличением этого параметра стабильность горения электродуги повышается;
- зависимость мощности и численного значения напряжения образовавшейся плазмы тоже прямо пропорциональная.
Длина дуги – это расстояние от расходного элемента до свариваемой поверхности в ходе выполнения работ. Данный показатель оказывает влияние на объем генерируемого тепла.
Скорость расплавления металла определяется мощностью электродуги. Этот параметр очень важен. Ведь о него зависит, сколько времени потребуется на соединение металлических деталей. Температура в области плавления изменяется силой тока. Если она достаточно большая, не будет гаснуть электродуга даже значительной длины. Заниматься настройками ампеража в ходе сварки требуется весьма редко.
Правильная скорость сваривания
При выполнении сварки важно, чтобы была видна лужица из расплавленного металла сразу за дугой, но при этом НЕ ДОЛЖНА быть видна сама дуга. Если видна ванна расплава и гребень, где она затвердевает, это указывает на правильно выбранную скорость сваривания. Граница отверждения должна располагаться на расстоянии приблизительно 10 мм от электрода.
Рис. 3
Большинство новичков пытаются выполнять сварку слишком быстро, в результате чего получается тонкий, неравномерный сварной шов в виде «червяка». Это результат того, что новичок не следит за расплавленным металлом.
Важное замечание: при выполнении сварки нет необходимости видеть дугу впереди, сзади или с боковых сторон. Сварку следует производить с постоянной скоростью. Вы поймете, что так выполнять работу легче.
Примечание: при сварке тонкой пластины сварщик может увеличить скорость сварки, а при сварке толстой пластины необходимо двигаться медленно, чтобы получить хорошее проплавление.
Условия горения
В основе сварочного процесса находится трансформирование электроэнергии в энергию тепловую. Время удержания сформированного в его ходе столба ничем не ограничено, если ионизация газа происходит очень быстро. При сваривании заготовки подвергаются нагреву, контактирующий с ними воздух становится горячим и обогащается испаряемыми веществами. Альтернативным способом является специальная подача в рабочую область газа, из молекул или атомов которого под внешним воздействием образуются ионы. Наиболее хорошо ионизируются частицы мягких щелочных металлов (входят в первую группу периодической таблицы), а также щелочноземельных металлов (это уже представители второй группы периодической таблицы). Для перевода их в активное состояние, достаточно начать пропускать электроток.
Иным обязательным условием надежного поддержания сварочного столба является высокая стабильная во времени температура катода. Ее величина – характеристика производная от площади самого катода, а также его химического состава. Без источника электроэнергии здесь не обойтись. Когда выполняются сварочные работы температурный показатель катодной зоны достигает 7000°С.
ТЕХНИКА СВАРКИ
При приобретении опыта в указанных четырех действиях необходимо всегда добиваться следующего:
1. Правильного положения при сварке;
2. Правильного зажигания дуги;
3. Правильной длины дуги;
4. Правильной скорости сваривания.
Можно сократить время на обучение, выполняя следующее упражнение. Использовать следующие материалы: — пластину из мягкой стали: 5 мм или несколько толще — электрод: 1/8″ (3,2 мм) З- заданный ток: 100-120 А пер.
Выполняемые действия
1. Научиться зажигать дугу путем царапания электродом по поверхности. При этом электрод следует держать правильно и использовать обе руки.
2. Когда обучающийся научится правильно зажигать дугу без прилипания, необходимо потренироваться в поддержании правильной длины дуги. Длину дуги следует учиться поддерживать по звуку.
3. Когда ученик научится поддерживать короткую потрескивающую дугу, необходимо начинать перемещать ее. Следует постоянно следить за сварочной ванной, а также наблюдать за валиком отверждающегося металла.
4. Выполнять сварные швы на плоской пластине. Затем делать их параллельно верхнему краю (край ближайший к сварщику). Это дает практику в выполнении прямых сварных швов и позволяет хорошо видеть прогресс в обучении, когда, например, 10-й шов выглядит значительно лучше первого. При постоянном контроле своих ошибок и прогресса сварка скоро станет рутинным делом.
Наиболее распространенные металлы
Большинство металла, которые можно найти возле фермы или небольшой мастерской, представляют собой низкоуглеродистую сталь, иногда называемую мягкой сталью. Обычно из стали такого типа изготавливают листовой металл, пластины, трубы и катаный профиль, например, швеллеры, уголковое железо и двутавровые балки. Такую сталь обычно легко варить без соблюдения специальных требований. Однако некоторые стали содержат большее количество углерода. Типичными примерами являются компенсационные пластины, оси, соединительные штанги, валы, плужные лемехи и лезвия скребков. Эти высокоуглеродистые стали также в большинстве случаев легко свариваются, однако в некоторых случаях необходимы дополнительные процедуры, как например, предварительный прогрев свариваемого металла и тщательный контроль температуры перед сваркой и после нее. Более подробную информацию о различных типах сталей и других металлах, а также о правильных процедурах их сварки можно найти в книге «Дуговая сварка».
Независимо от типа свариваемого металла важно хорошо подготовить место сварки, на котором не должно быть масла, краски, ржавчины и других загрязнений.
