Режимы сварки и работы источников питания сварочной дуги

Швы сварных соединений в зависимости от взаимного расположения деталей подразделяют на стыковые, угловые, тавровые и нахлесточные форма и размеры шва зависят от режима сварки. При ручной дуговой сварке основными параметрами режима являются диаметр электрода, значения тока и напряжения, род и полярность тока скорость сварки.

Для высокой производительности сварочного процесса и получения качественного соединения дуга должна гореть устойчиво. Это зависит от многих факторов, среди которых основное значение имеют характеристики источников питания и наличие в материале свариваемых деталей и электродов - элементов с малым потенциалом ионизации. Для повышения устойчивости горения дуги переменного тока во флюсы вводят элементы с низким потенциалом ионизации - калий, кальций, натрий. Однако ее же на постоянном токе дуга горит надежнее. Поэтому качество сварного шва, выполненного на постоянном токе, выше, чем на переменном.

При выборе значения сварочного тока необходимо помнить, что с его увеличением возрастает количество выделенной теплоты и повышается давление дуги. При этом глубина провара возрастает. Большой ток повышает скорость плавления электрода и приводит к образованию швов с повышенной напряженностью металла.

Значение сварочного тока определяется также видом соединения: тавровые и нахлесточные соединения выполняют большим током по сравнению со стыковым.

Если для работ используют электроды диаметром 1,5...6 мм, что соответствует толщине свариваемого металла 0,5...10 мм, значение рабочего тока ориентировочно можно определить по формуле

 

Iсв=Кdэл

(4.7)

где К - коэффициент, зависящий от диаметра электрода и вида покрытия, А/мм;

d_эл - диаметр электрода, мм. При этом руководствуются следующими данными:

Таблица 4.1

dэл, мм	1…2	3…4	5…6
К, А/мм	25…30	30…45	45…60

 

Большие значения коэффициента К принимают при выполнении горизонтальных сварных швов. Для получения вертикальных швов сварочный ток уменьшают на 10.. 15 %, а потолочных - на 15... 20 %.

С уменьшением диаметра электрода при неизменной силе тока возрастает плотность тока. стабилизируется перемещение.

Специальные виды дуговой сварки

3.4.1 Аргонодуговая сварка

Сущность данного метода сварки заключается в том, что дуга горит между концом электрода и свариваемым изделием в среде защитного инертного газа - аргона. Помимо защиты от вредного воздействия окружающей среды аргон выполняет несколько положительных функций:

- способствует улучшению устойчивости горения дуги из-за меньшего катодного падения напряжения, чем в воздухе;

- из-за меньшей теплопроводности аргона уменьшаются тепловые потери столба дуги, что также приводит к увеличению устойчивости горения дуги;

- при разряде в аргоне происходит катодное распыление металла, что приводит к его очистке, в частности от оксидов, например от оксида алюминия и улучшению качества шва.

Технические данные аппаратов для аргонодуговой сварки приведены в таблице 4.2. При горении дуги возникает термоэмиссия с катода.

 

Таблица 4.2

Тип аппарата	Основное назначение	Толщина детали, мм	Род тока	Номин ток, А	Диаметр электрода, мм
УДАР-300	Сварка алюминиевых сплавов	1-12	~	300	2-6
УДАР-500	Сварка нержавеющей стали	1,5-20	~	500	2-10
АГВ-2	Автоматическая сварка различных металлов	0,8-16	=	400	2-6
АВТ	Автоматическая сварка труб из нержавеющей стали	0,5-10	=	250	1-3

 

Это явление нежелательное, поэтому для увеличения тепловой мощности дуги применяют обратную полярность. Кроме того, при прямой полярности расплавленная ванна металла покрывается пленкой окиси, что препятствует сплавлению деталей. Поэтому аргонодуговую сварку ведут на переменном токе или на постоянном токе обратной полярности. При сварке на переменном токе в схему включается осциллятор для облегчения зажигания дуги и для повышения устойчивости ее горения.

Аргонодуговая сварка производится с плавящимся и неплавящимся вольфрамовым электродом. Чаще используется неплавящийся вольфрамовый электрод. При работе на постоянном токе применяются обычные сварочные генераторы с баластными реостатами РБ-200, РБ-300, включаемыми последовательно в сварочную цепь для регулирования сварочного тока при малых значениях и для обеспечения устойчивости горения дуги. Максимальный сварочный ток некоторых горелок составляет А) ГРАД-200-250, ГРАД-400-400, ЭЗР-3-58-100, АР-10 малая-120, АР-10 большая-400. Напряжение холостого хода 130-200В.

 

3.4.2 Дуговая сварка в углекислом газе

 

Сущность этого метода заключается в том, что в зону сварки с постоянной скоростью подается электродная проволока диаметром 0,5-2 мм в струе углекислого газа (рис. 3.7). Роль углекислого газа состоит в защите расплавленного металла от окружающей среды. С целью уменьшения окисляющего действия углекислого газа электродная проволока имеет повышенное содержание раскисляющих элементов (марганца, кремния).

Данный способ сварки особенно эффективен для сварки металлов небольших толщин порядка 1-2 мм и особенно для швов сложной конфигурации, так как их сварка другими способами, например, под флюсом, затруднена или вообще невозможна закрытия шва слоем флюса.

Рис. 4.7 Схема сварки в углекислом газе. 1 - расплавленный металл, 2-электрод, 3-свариваемые детали, 4- горелка, 5- керамическая насадка, 6- штуцер для подачи газа, 7- токоввод

 

Сварка в углекислом газе выполняется в полуавтоматическом ил" автоматическом режиме. Для этого используются источники постоянного тока:

- преобразователи ПСО - 300, ПС-500, ПСМ - 1000 и др,

- выпрямители ВС - 200, ВС - 300, ВС - 500,

- генераторы типа ГРС.

Горелки для полуавтоматической сварки бывают двух типов:

- для сварки на малых токах без водяного охлаждения (до 300 А).

- для сварки на больших токах с водяным охлаждением. Для сварки используется углекислый газ, получаемый из углекислоты, транспортируемой в черных баллонах с желтой надписью, "СО₂ сварочный" емкостью 40 л, в который заливается 12,7 м³ углекислоты, дающей при испарении 25 кг углекислого газа. Если использовать пищевую углекислоту, то ее необходимо осушать, для этого между баллоном и редуктором устанавливается осушитель газа.

Наилучшие результаты получаются при сварке различных видов сталей и особенно при работе на постоянном токе обратной полярности. В этом случае уменьшается разбрызгивание металла, уменьшается устойчивость горения дуги.

3.4.3 Электрошлаковая сварка

Принцип данного вида сварки заключается в том, что расплавление электродного металла и свариваемых деталей осуществляется за счет протекания электрического тока через расплавленный флюс (шлак), обладающий электропроводностью. Этот вид обеспечивает сварку деталей большой толщины, доходящей до 2.5м, что невозможно осуществить другими способами сварки.

Свариваемые детали заключаются в медные водоохлаждаемые ползуны и нижнюю (начальную)и верхнюю(конечную) планки, служащие одновременно для начала и окончания шва. Шлаковая ванна формируется внизу, в колодце, образованном свариваемыми деталями, держателями и нижней планкой. По мере сваривания деталей медные держатели поднимаются вверх со скоростью, равной скорости образования шва.

Шлаковая ванна образуется или прямым пропусканием тока через шлак и предварительным нагревом шлака в отдельной установке и последующим заливом его в колодец. При этом обеспечивается устойчивое горение дуги. На устойчивость горения дуги влияет также внешняя характеристика источника, которая должна быть жесткой или несколько возрастающей - с увеличением тока в ванной напряжение должно быть или неизменным, или возрастать.

Электроды могут быть проволочными, пластинчатыми или ленточными. Может быть один или несколько электродов. Наиболее распространенные аппараты с одним и тремя электродами, хотя могут быть (и имеются) аппараты с 9 и 18 электродами. Данные некоторых аппаратов электрошлаковой сварки приведены в таблице 10-3.

3.4.4 Электронно-лучевая сварка

Принцип электронно-лучевой сварки заключается в концентрированном нагреве соединяемых деталей за счет использования кинетической энергии ускоренных электронов в высоком вакууме. В результате бомбардировки электронным пучком кинетическая энергия превращается в теплоту, используемую для осуществления сварки плавлением.

Для осуществления этого вида сварки необходимо получить свободные электроны, сфокусировать их в тонкий пучок и ускорить до необходимой энергии. Все это осуществляется в устройстве, называемом электронной пушкой. Свободные электроны получаются из накаленного катода, а ускорение осуществляется при прохождении электронами электрического поля высокой напряженности между катодом и анодом. Фокусировка пучка осуществляется специальной магнитной линзой, а его отклонение в заданном направлении или сканирование по определенной программе осуществляется отклоняющими катушками.

Таблица 3.3

Технические характеристики аппаратов электрошлаковой сварки

Тип аппарата	Толщина деталей, мм	Номин.  ток	Uраб, В	Кол-во элек-в	Диаметр электрода
А-306А: Сварка прямолинейных	20-60	800	40	1	3-5
А-372Р: Сварка прямолинейных и	До 450	300	45-55	3	3
А-741: Сварка прямолинейных и переменной кривизны стыков	До 2500	9000	36-55	3	3

 

Этот способ сварки имеет ряд существенных достоинств перед другими, главными из которых являются следующие:

1. Плотность поступающей в зону энергии можно очень точно регулировать, что позволяет широко варьировать глубину провара толщину свариваемых изделий.

2. Возможна сварка деталей любой конфигурации, поскольку электронный луч легко управляется с помощью электрических и магнитных полей, то возможна сварка деталей любой конфигурации.

3. Околошовная зона имеет очень незначительную толщ] поэтому при сварке практически не происходит нагрев свариваемых деталей.

4. Возможность фокусировки пучка электронов до микрон) размеров позволяет использовать этот вид сварки для целей микроэлектроники, радиотехники.

5. Сварка в вакууме исключает любое окисление свариваемых. деталей. Это позволяет соединять детали из весьма тугоплавких материалов, таких как молибден, вольфрам, что недоступно для других способов сварки.

Недостатком данного способа является наличие вакуумных насосов и вакуумных систем, а также сложность устройства и технологии, ^] требует высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Параметры некоторых типов установок для электронно-лучевой сварки приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4

Тип установки	Диаметр камеры	Длина камеры	Uкв, В	I, мА
ЭЛУ4 Общие виды сварки	700	1200	60	35
У-74: Сварка труб	800	1000	40	75
У-101 Сварка труб	500	500	25	500

 

Конструкционной основой электронно-лучевой сварки являете вакуумная камера на которой сверху монтируется электронная пушка.

Камера имеет герметические вводы дли подачи энергии, подачи охлаждающей воды, передачи движения к находящимся внутри механизма перемещения свариваемых деталей. Камера откачивается форвакуумными и высоковакуумными насосами для создания разряжения не выше 10^-3 Па.

Ток пучка, а значит и мощность нагрева можно регулировать как изменением тока накала катода и плотности тока ускоренных электронов, а также ускоряющим напряжением. Катоды пушек могут быть прямонакаленные вольфрамовые в виде спиралей или нитей или подогревные, состоящие из подогревного катода и подогревной таблетки. Подогревные катоды обычно изготавливаются из гексаборида лантана, дают значительно большую плотность тока, чем прямонакальные. Но они более сложны в изготовлении.

 

3.4.5 Плазменная сварка

Плазменная сварка и плазменная резка основаны на создании плазменного столба или плазменной струи - потока высокоионизированных частиц с большим запасом энергии, позволяющим достигать температуры 20000К.

Для создания потока ионизированных частиц используется дуговой разряд между двумя электродами в продуваемом инертными газами канале, стенки которого охлаждаются водой. За счет охлаждения внешней части плазменного столба, он концентрируется в центре канала, что приводит к высокой степени ионизации газа и концентрации в нем большой энергии. Эта энергия и используется для сварки или резки металлов.

Источниками питания плазменного сварочного аппарата являются сварочные генераторы постоянного тока или сварочные выпрямители. Возбуждение дугового разряда осуществляется осциллятором, включаемым параллельно источнику тока, а регулирование сварочного тока осуществляется балластным сопротивлением, включаемым последовательно источнику тока.

Мощность плазменной горелки существенно зависит от состава газа. Например, смесь 86% гелия и 14% аргона дает мощность в 2 раза большую, чем при использовании чистого аргона, что объясняется более высоким потенциалом ионизации гелия. Длина яркосветящегося ядра плазменной струи может меняться от 2 -3 до 40 -50 мм в зависимости от геометрии канала, состава и скорости подачи газа, тока и напряжения дуги.

Плазменная струя нашла наиболее широкое применение для резки металлов, не поддающихся обычным способам резки, например, для резки нержавеющей стали, меди, алюминия, керамики. Обычно используется смесь аргона с водородом, концентрация которого может достигать 30%. Плазменной струей можно сваривать металлы и неметаллы, а также их сочетания. В таблице 4.5 приведены параметры установок плазменной сварки.

Таблица 4.5

Тип установки	Назначение	Uхх,В	Номин. ток, А	Wпотр, кВт
УПСР-300-2	Сварка нерж.стали до 5мм	65	300	16
А-1255	Сварка мет. и сплавов до 1мм	55	10	0,8
А-1326	Сварка мет. и сплавов до 1мм	80	30	2,5

 

Контактная сварка

Контактная сварка или сварка сопротивлением.

Этот вид сварки относится к одной из разновидностей сварки давлением, при которой детали механически сжимаются для получения соединения и в месте стыка каким-то образом подводится энергия, используемая для разогрева свариваемых деталей. При контактной сварке или сварке сопротивлением энергия выделяется за счет пропускания тока через свариваемые детали и выделения тепловой энергии на большом сопротивлении контакта. Если сами детали не являются практически сопротивлением электрическому току, то место стыка представляет большое сопротивление и вся выделяемая на нем тепловая энергия идет на разогрев деталей.

Контактная сварка бывает трех разновидностей, определяемых геометрией шва и электродов: стыковая, точечная, роликовая. На рис. 10-6 показаны эти типы сварки. Во всех случаях переходное сопротивление контакта может быть определено выражением

(4.8)

 

где К₁ - коэффициент, зависящий от материала контакта деталей;

F_k - усилие сжатия контакта; m - коэффициент, учитывающий форму поверхностей контактирующих деталей; К_t - коэффициент, учитывающий температуру контакта.

(4.9)

 

где α - температурный коэффициент сопротивления материала,

Т - температура контакта.

При Т близкой к комнатной К_т можно принять равным единице.

Значение коэффициента К₁, для различных пар свариваемых деталей следующее:

АL-АL-0,006; Сu-Сu-0,0004; АL-Сu-0,001 сталь-сталь-0,0076; Аg-Аg-0,0006;

латунь-латунь-0,00067

Значение m для контакта плоскость - плоскость равно единице, для контактов сфера - сфера и сфера - плоскость m =0,5.

Из этих численных значений коэффициентов следует, что чем лучше контакт, тем больше m, меньше К₁ и тем меньше сопротивление.

 

Рис. 4.8. Основные разновидности контактной сварки: а - стыковая, б - точечная, в - роликовая. I - направление сварочного тока

Стыковая сварка

При стыковой сварке торцы свариваемых деталей приводятся в соприкосновение, после чего через них пропускается ток, место стыка разогревается до необходимой температуры и продольным сжатием достигается сплошность соединений - осуществляется пластическая сварка. По окончанию цикла сварки ток выключают и снимают усилие.

Рис.3.9 4.9 Зависимость усилия сжатия от температуры разогрева при стыковой сварке малоуглеродистой стали

 

При стыковой сварке два параметра взаимосвязаны друг с другом -температура стыка и сжимающие усилие. Чем выше температура, тем меньше требуется усилие. На рис. 3.9 такая зависимость приведена для малоуглеродистой стали.

Стыковая сварка бывает двух видов: без оплавления (сварка сопротивлением) и с оплавлением. В первом случае нагрев торцов осуществляют только пропусканием тока. Токи очень большие, достигают 5-10кА, удельная мощность составляет 10-15 кВт/см². Соединяемые детали в этом случае, как правило, небольшого поперечного сечения. Во втором случае сварка производится в несколько стадий: предварительный подогрев, оплавление и окончательная осадка. Вначале усилие составляет 5-20 МПа, затем включается ток и происходит разогрев места стыка до 900-1100 К, после этого сжимающие усилие снижают до 2-5 МПа, что приводит к увеличению сопротивления контакта и снижению тока. В это время контакт осуществляется на небольшой площади, на выступающих остриях, где температура повышается до температуры плавления и выступы исчезают. Затем такой же процесс происходит на следующих выступах и т. д. Очередные выступы разогреваются также за счет теплопроводности. Происходит перегрев металла на выступах, его парообразование, выбрасывание пара и частиц жидкого металла из зоны стыка. Часть жидкого металла стекает вниз.

 

 

 

Контрольные вопросы (ответить письменно)

1. Как формируются падающие характеристики в сварочном трансформаторе?

2. Перечислите способы регулирования сварочного тока.

3. Какие величины определяют из опытов холостого хода и короткого замыкания?

4. Назовите способы сварки сварочными трансформаторами.

5. Как осуществляется плавное регулирование сварочного тока?

6. Каким должно быть безопасное напряжение для работы сварщика?

7. Для каких целей при сварке необходимо регулирование сварочного тока?