Сварочное оборудование, принадлежности и инструмент сварщика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Начало века металла наступило с появлением выплавки его из руды. Самая ранняя выплавка и обработка рудной меди произошла, по данным археологов, около 700 лет назад в Малой Азии. Однако особенно высокого развития и большого разнообразия достигает техника получения неразъемных соединений металла в железном веке. Нагрев и сварку-ковку повторяли неоднократно, железо становилось чище и плотнее. В те же отдаленные времена выработалось умение сваривать отдельные куски железа путем нагрева и последующей проковки. В то же время, наряду с изготовлением простых изделий из железа и стали, кузнецы создавали сложные конструкции, широко применяя технологические приемы, в которых использовались различные виды кузнечной сварки. Сварку применяли для увеличения размеров заготовки, придания изделиям нужной формы, соединения разнородных металлов для улучшения качества лезвий режущего и рубящего оружия.

В IХ-ХIII вв. в Киевской Руси были хорошо развиты металлургия и металлообработка. В этот период технический уровень русского ремесла был выше, чем в странах Западной Европы. В Киевской Руси было освоено производство высококачественной углеродистой стали. В ХIII в. здесь увеличили высоту горна печей и усилили нагнетание воздуха мехами. Жидкий шлак стал самостоятельно стекать по канальцам, расположенным по краям основания печи. После плавки горн разбирали, извлекали из него слитки металла и проковывали их. В результате проковки металл уплотнялся, частицы шлака выдавливались. Измельчение зерна придавало металлу дополнительную прочность. Кузнечная сварка была основным, хорошо разработанным и освоенным технологическим приемом при изготовлении всевозможных железных и стальных изделий. С помощью кузнечной сварки изготавливали около 70% металлических изделий.

Монголо-татарское нашествие вызвало спад ремесленной деятельности на Руси, восстановление которой наблюдается только во второй половине XIV в., но на новой технической основе. Возникает более совершенный вид металлургического предприятия - рудня, особенностью которого было использование водяного двигателя. Поднялось на новую ступень и кузнечно-сварочное дело. Прежде всего с развитием техники сварки связано изготовление огнестрельного оружия: пушек, тюфяков и пищалей.

В ХV-XVI вв. кузнечное ремесло получило дальнейшее развитие. При изготовлении пушек применяли иногда новый процесс соединения ее частей - заливкой расплавленной бронзой. Тот или иной технологический прием кузнечной сварки не оставался неизменным. Он трансформировался в зависимости от уровня развития ремесла и товарного производства. По мере того как ремесленник переходил к изготовлению все более массовой продукции, технология ее производства все более упрощалась. Постепенно кузнечная сварка достигла такого совершенства, что ее стали использовать для производства таких особо ответственных изделий, как железнодорожные рельсы. Эту технологию впервые разработал английский инженер Никсон. В этот период кузнечная сварка достигла своей вершины. Специалисты-ремесленники в совершенстве владели технологией, изобретали новые приемы и методы соединения сложных деталей, изготовляя орудия труда, инструменты, оружие. Но самые совершенные методы кузнечной сварки уже не удовлетворяли потребностей производства. Для того чтобы отковать крупное изделие, нужна крупная заготовка. Такие заготовки получали из пакета мелких листов. Пакет, скрепленный оболочкой, нагревали в печи и проковывали - сваривали, придавая форму бруска. При необходимости несколько таких брусков соединяли между собой. При большом числе свариваемых заготовок появлялись дефекты - непровары: в отдельных местах листы не сваривались друг с другом. Наиболее опасными были внутренние непровары, приводившие к разрушению нагруженных деталей во время работы. Качество кузнечной сварки зависело от мастерства кузнецов.

Развивающаяся техника предъявляла все более серьезные требования к качеству соединения металлических деталей. Специалисты пытались усовершенствовать кузнечную сварку. Ручной труд молотобойцев был заменен работой механических молотов с массой бойка до 1 т, производящих до 100-400 ударов в минуту. Но все эти меры не решали многих проблем изготовления и ремонта промышленного оборудования. Наряду с кузнечной сваркой начиная с XV в. стали развиваться сварочные процессы, связанные с использованием теплоты, выделяющейся при сгорании горючих газов.

С начала XVIII в. начался мировой триумф уральской металлургии и уральской кузнечной сварки. Кузнечная, литейная сварка и пайка являлись основными технологическими процессами соединения металлов и осуществлялись кузнецами. Сварка выделилась в самостоятельный технологический процесс лишь в конце XIX-начале ХХ вв.

В XIX в. в промышленности кузнечная сварка была механизирована. Ручной труд молотобойца заменяется механическими молотами. Великий отечественный металлург П.П. Аносов, более 30 лет проработавший на Златоустовском металлургическом заводе, автор различных марок сталей для производства непревзойденного холодного оружия, разработал молот для проковки кричного железа. С годами совершенствовалась и технология кузнечной сварки. Этим методом стали изготавливать биметалл (бронза+сталь), трубы диаметром до 600 мм с прямым и спиралевидным швом.

Однако во многих отраслях кузнечная сварка уже не удовлетворяла возросших требований техники.

В конце XIX в. на основе достижений в области физики, химии, механики и электротехники в сварке произошел своеобразный взрыв. Это связано с созданием мощных электрических источников нагрева и освоением газокислородного пламени.

1. Технологическая часть

1.1 Виды электродов, сталей для ручной дуговой сварки

Металлические электроды изготовляют по ГОСТ 9466-75 «Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки и наплавки». Установленные ГОСТом размеры электродов следующие:

Диаметр стержня, мм	1.6	2.0	2.5	3.0	4.0	5.0	6.0	8.0	10.0	12.0
Длина стержня, мм: Из низкоуглеродистой и легированной проволоки	200 250	250	250 300	300 350	350 450	450
Длина стержня, мм Из высоколегированной проволоки	150 200	200 250	250	300 350	350	350 450

Электроды классифицируют по назначению, типу, маркам, толщине покрытия, качеству, допустимым пространственным положениям сварки и наплавки. По качеству (точность изготовления, состояние поверхности покрытия, сплошность металла шва, содержание серы и фосфора в наплавленном металле) электроды подразделяются на три группы.

Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, наплывов. Электроды, изготовленные по ГОСТу, обеспечивают устойчивое горение дуги и спокойное равномерное плавление покрытия.

Типы и требования, предъявляемые к металлическим электродам для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей, регламентированы ГОСТ 9467 -75.

Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей предусмотрено 9 типов электродов (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60).

Для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности предусмотрено 5 типов электродов (Э70, Э85, Э100, Э125, Э150).

Для сварки теплоустойчивых сталей марок 12МХ, 20ХМФТР, 15Х5,15Х5Н - Э-09М, Э-09МХ, ЭМ-09Х2М, Э-10Х5НФ.

Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указывающей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм².

Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом имеет пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия.

Виды электродов, используемых при проведении сварочных работ: МР-3С, МР-3, МР-3Т, АНО-4, АНО-21, ОЗС-12, ОЗС-4, УОНИ-13/55, а также УОНИ-13/45. Данная продукция может применяться при работе со многими видами стали.
Так, электрод сварки МР-3С используется для дуговой ручной сварки. Для работы с углеродистой сталью подойдет электрод для сварки МР-3С, МР-3, АНО-21, ОЗС-12, ОЗС-4, УОНИ-13/55, УОНИ-13/45. При содержании углерода в стали до 0,25% можно использовать электроды сварочные МР-3Т и АНО-4. А для низкоуглеродистой стали подойдет электрод для сварки МР-3С, УОНИ-13/45, для низколегированной стали - УОНИ-13/55. Сфера применения электродов для сварки довольно широка, Некоторые из них довольно универсальны, их можно использовать для двух видов стали.

Для сварки и наплавки конструкционных сталей применяются следующие типы электродов:

1) для низколегированных сталей - Э-34, Э-38, Э - 42, Э - 42А, Э - 46, Э - 46А;

2) для среднеуглеродистых и низколегированных сталей-Э-50, Э - 50А, Э - 55;

3) для легированных сталей повышенной прочности - Э-60, Э - 60А, Э - 70, Э - 85, Э-100, Э - 125, Э - 145, Э-150.

Каждому типу электродов может соответствовать несколько марок. Например, к типу Э-42А относится электроды марок УОНИ-13/45, ОЗС-2, СМ-11 и др., а к типу Э-46 - электроды АНО-3, АНО-4 и др.

1.2 Сварочное оборудование, принадлежности и инструмент сварщика

Сварочные преобразователи подразделяют на следующие группы:

По числу питаемых постов (однопостовые, предназначенные для питания одной сварочной дуги, многопостовые, питающие одновременно несколько сварочных дуг).

По способу установки (стационарные, устанавливаемые неподвижно на фундаментах, передвижные, монтируемые на тележках).

По роду двигателей, приводящих генератор во вращение и по способу выполнения (однокорпусные, раздельные).

Однопостовые сварочные преобразователи состоят из генератора и электродвигателя. Наибольшее распространение в строительстве получили однопостовые генераторы с расщепленными полюсами и генераторы с размагничивающей последовательной обмоткой.

Генераторы с расщепленными полюсами обеспечивают падающую внешнюю характеристику, используя размагничивающее действие магнитного потока якоря.

Для сварки в защитных газах применяют генераторы с жесткой или возрастающей внешней характеристикой. Такие генераторы имеют обмотки независимого возбуждения и подмагничивающую последовательную обмотку. При холостом ходе э.д.с. генератора наводится магнитным потоком, который создается обмоткой независимого возбуждения. При рабочем режиме сварочный ток, проходя через последовательную обмотку, создает магнитный поток, совпадающий по направлению с магнитным потоком обмотки независимого возбуждения. Тем самым обеспечивается жесткая или возрастающая вольт-амперная характеристика.

Многопостовой сварочный преобразователь имеет жесткую внешнюю характеристику, т.е. независимо от количества работающих постов напряжение генератора должно быть постоянным. Для получения постоянного напряжения многопостовой генератор имеет параллельную обмотку возбуждения, создающую магнитный поток и последовательную обмотку, создающую магнитный поток того же направления.

Применение многопостовых сварочных преобразователей уменьшает площади, занимаемые сварочным оборудованием, сокращает расходы на ремонт, уход и обслуживание.

Сварочные аппараты переменного тока подразделяют на четыре основные группы: сварочные аппараты с отдельным дросселем, сварочные аппараты со встроенным дросселем, сварочные аппараты с подвижным магнитным шунтом и сварочные аппараты с увеличенным магнитным рассеянием и подвижной обмоткой.

Сварочные аппараты с отдельным дросселем состоят из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора тока). При возбуждении дуги большой ток, проходя через обмотку дросселя, создает мощный магнитный поток, наводящий э.д.с. дросселя, направленную против напряжения трансформатора. Вторичное напряжение, развиваемое трансформатором, полностью поглощается падением напряжения в дросселе. Напряжение в сварочной цепи почти достигает нулевого значения.

При возникновении дуги сварочный ток уменьшается, вслед за ним уменьшается э.д.с. самоиндукции дросселя, направленная против напряжения трансформатора, и в сварочной цепи устанавливается рабочее напряжение, необходимое для устойчивого горения дуги, меньшее, чем напряжение холостого хода.

Сварочные аппараты со встроенным дросселем имеют электромагнитную схему, разработанную академиком В.П. Никитиным. Магнитный поток, создаваемый обмоткой дросселя, может иметь попутное или встречное направление с потоком, создаваемым вторичной обмоткой трансформатора, в зависимости от того, как включены эти обмотки. Сварочный ток регулируют, изменяя воздушный зазор. Чем больше зазор, тем больше сварочный ток.

Трехфазные сварочные аппараты применяют при сварке трехфазной дугой спаренными электродами. Процесс сварки осуществляется сварочными дугами, которые возбуждаются между каждым электродом и свариваемой деталью и между электродами. Они обеспечивают высокую производительность, экономию электроэнергии и равномерную загрузку фаз сети при высоком коэффициенте мощности, однако ввиду сложности сварочного оборудования и трудностей при сварке потолочных и вертикальных швов применяется ограничено.

Сварочные выпрямители получили большое распространение. Их основные преимущества: высокий коэффициент полезного действия, и относительно небольшие потери холостого хода, высокие динамические свойства при меньшей электромагнитной индукции, отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе, равномерность нагрузки фаз, небольшая масса. Сварочные выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока. Сварочные выпрямители с жесткой характеристикой предназначены для сварки в защитном газе плавящимся электродом.

Сварочный пост дуговой сварки оснащается в зависимости от вида работ. Основное оборудование сварочного поста состоит из источника питания дуги, сварочных проводов, принадлежностей и инструментов сварщика.

Сварочные провода выбирают в зависимости от наибольшего допустимого сварочного тока.

Рекомендуемые нормы

Наибольшее значение сварочного тока, А	200	300	450	600
Площадь сечения проводов, мм2 одинарного	25	50	70	95
двойного		2х16	2х25	2х35

Эти нормы установлены при длине проводов не более 30 метров. При работах на строительных площадках длина сварочных проводов может достигать 100…150 метров. При этом падение напряжения может быть значительным. Поэтому подбор провода для присоединения источника сварочного тока к питающей силовой сети определяется отдельно.

Принадлежности и инструмент сварщика:

1. Электрододержатели служат для зажима электрода и подвода к нему сварочного тока. Они должны прочно удерживать электрод, обеспечивать удобное и прочное закрепление сварочного кабеля, а также быстрое удаление огарка и закладку нового электрода.

Электрододержатели изготовляют по ГОСТ 14651 - 78 следующих типов

Тип	ЭД-12	ЭД-20	ЭД-25	ЭД-31	ЭД-40	ЭД-50
Номинальный ток, А	125	200	250	315	400	500
Сечение одножильного токопроводящего кабеля, мм2	16и25	25и35	35и50	35и50	50и70	70и90

Электрододержатели должны выдерживать 8 тыс. зажимов электрода при затратах времени на каждую замену не более 4 секунд. Электрододержатели для тока 500А должны иметь щиток для защиты руки сварщика от воздействия электрической дуги.

2. Щитки, маски или шлемы служат для защиты глаз и лица сварщика от излучения сварочной дуги и брызг металла. В них имеется смотровое отверстие, в которое вставляют светофильтр, задерживающий инфракрасные и ультрафиолетовые лучи и снижающий яркость световых лучей дуги. Снаружи фильтр защищен от брызг металла простым прозрачным стеклом.

3. Металлические щетки для зачистки разделки швов и очистки сварных швов от шлака.

4. Молоток, зубило, крепежный инструмент.

5. Набор шаблонов для контроля размеров швов.

6. Стальные клейма для клеймения сварных швов.

1.3 Технология изготовления

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений твердых материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Согласно ГОСТ 19521-74 сварка металлов классифицируется по физическим, технологическим и техническим признакам.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расcтояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

Вид сварки объединяет сварочные процессы по виду источника энергии, непосредственно используемого для образования сварного соединения.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая, термитная, литейная и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

По способу защиты металла различают сварку в воздухе, вакууме, защитных газах, под флюсом, по флюсу, в пене и с комбинированной защитой. В качестве защитных могут применяться активные газы (углекислый газ, азот, водород, водяной пар, смесь активных газов), инертные газы (аргон, гелий, смеси аргона с гелием), а также смесь инертных и активных газов. Защита расплавленного металла газом может быть струйной или в контролируемой атмосфере. Если струйная защита расплавленного металла осуществляется только со стороны сварочной дуги, то она называется односторонней, если со стороны сварочной дуги и корня шва - двусторонней.

По непрерывности процесса различают непрерывные и прерывистые виды сварки; по степени механизации - ручные, механизированные, автоматизированные и автоматические.

Свариваемость - свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Сварочная ванна - это часть металла сварочного шва находящиеся в момент сварки в расплавленном состоянии. Углубление, образующиеся в сварочной ванне под действием дуги, называется кратером. При окончании шва, кратер является зоной с наибольшим количеством вредных примесей. Поэтому в нём наиболее вероятно образование трещин.

Ручная дуговая сварка

Под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки. Параметры режима сварки подразделяют на основные и дополнительные. К основным параметрам режима ручной сварки относят диаметр электрода, величину, род и полярность тока, напряжение на дуге, скорость сварки. К дополнительным относят величину вылета электрода, состав и толщину покрытий электрода, положение электрода и положение изделия при сварке. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве. Примерное соотношение между толщиной металла S и диаметром электрода dэ при сварке в нижнем положении шва составляет: S, мм……1-2 3-5 4-10 12-24 30-60 dэ, мм….2-3 3-4 4-5 5-6 6-8 Сила тока в основном зависит от диаметра электрода, но также от длины его рабочей части, состава покрытия, положения сварки.

Чем больше ток, тем больше производительность, т.е. большее количество наплавленного металла: G=aнIсвt, где G - количество наплавленного металла, г; aн - коэффициент наплавки, г/(А*ч); Iсв - сварочный ток, А; t-время, ч. Однако при чрезмерном токе для данного диаметра электрода электрод быстро перегревается выше допустимого предела. Что приводит к снижению качества шва и повышенному разбрызгиванию. При недостаточном токе дуга неустойчива, часто обрывается, в шве могут быть непровары. Величину тока можно определить по следующим формулам: при сварке конструкционных сталей для электродов диаметром 3-6 мм Iд=(20+6dэ) dэ; для электродов диаметром менее 3 мм Iд=30dэ, где dэ диаметр электрода, мм. Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10 - 20% ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение дуги изменяется в сравнительно узких пределах-16-30 В.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях - нижнем, вертикальном, горизонтальным, потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Производительность процесса в основном определяется сварочным током.

Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значения приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

Высокопроизводительные способы ручной сварки

Для того, чтобы повысить производительность труда и облегчить труд сварщика применяют различные высокопроизводительные способы сварки: сварка с глубоким проплавлением, сварка пучком электродов, сварка трехфазной дугой, электрошлаковая сварка и приплав, сварка в среде защитных газов, сварка порошковой проволокой, сварка электрозаклепками, а также применение электродов больших диаметров и электродов, обладающих большим коэффициентом наплавки.

Сварка с глубоким проплавлением

Составы некоторых покрытий, нанесенные на стержень электрода более толстым слоем, чем обычно, позволяют сконцентрировать поток тепла сварочной дуги, повысить ее проплавляющее действие - увеличить глубину расплавления основного металла. Сварка в таких случаях ведется короткой дугой, горение которой поддерживается за счет опирания козырьком покрытия на основной металл.

Режимы сварки с глубоким проплавлением отличаются от режимов обычной ручной сварки относительно большим сварочным током и большей скоростью сварки. По сравнению с обычным способом ручной сварки открытой дугой способ сварки с глубоким проплавлением обладает следующими преимуществами: исключается необходимость держать электрод на весу, что облегчает труд сварщика; обеспечивается хороший провар корня шва; становится возможной сварка листов толщиной до 20 мм без скоса кромок; в течение нескольких дней приобретаются навыки сварщика (без затруднений); не требуется высокая квалификация сварщика; в 2-3 раза повышается производительность труда; сварные швы наиболее экономичны, минимальное разбрызгивание и угар, короткая дуга. Этот способ применяется в основном при сварке угловых и тавровых соединений.

Сварка пучком электрода

Сварка пучком электродов была предложена инженером B.C. Володиным в 1937 г. Сущность этого способа состоит в том, что два, три или четыре электрода связывают в пучок (рис. 1). В месте зажатия в электрододержателе стержни пучка соединяются между собой прихватками таким образом, чтобы контакт с электрододержателем имел каждый стержень. При соприкосновении с изделием дуга возбуждается между одним из стержней пучка и по мере его оплавления переходит на соседний, между конном которого и изделием окажется меньшее расстояние. Горение дуги поддерживается между данным стержнем и изделием до тех пор, пока за счет удлинения дуги сопротивление дугового промежутка не увеличится и дуга не переключится на другой стержень.

В связи с тем, что дуга горит поочередно между каждым стержнем пучка и изделием, нагрев стержней при данном токе будет меньше, чем при сварке одностержневым электродом при том же токе. Это позволяет при одинаковом диаметре стержней пучка и одинарного электрода применять большую величину тока при сварке пучком и тем самым увеличить производительность за счет расположения, сокращения основного времени сварки. При этом тепло дуги используется более рационально, так как во время горения дуги между изделием и одним из стержней, другие стержни подогреваются за счет излучения дуги.

Применение пучка электродов позволит увеличить сварочный ток и при этом значительно повысить часовую производительность по количеству наплавленного металла.

Однако все эти преимущества сварки пучком действительны только при сравнении со сваркой одним электродом того же диаметра, что и каждый электрод пучка. Если сравнение производить с электродом, имеющим площадь поперечного сечения, равную суммарной площади сечения стержней пучка, то преимущества окажутся на стороне сварки одинарным электродом. Поэтому, если представляется возможность, эффективнее применять электроды больших диаметров при больших сварочных токах. Применение пучка может оказаться целесообразным лишь в тех случаях, когда использование электродов больших диаметров по различным причинам невозможно.

Сварка трехфазной дугой

Сущность способа сварки трехфазной дугой состоит в следующем: в держатель, имеющий два токоподвода, закрепляют электрод, представляющий собой два электродных стержня в общем слое покрытия (рис. 2) или два обычных электродных стержня с качественным покрытием. Через токопроводы в держателе к электродным стержням подводят две фазы сварочной цепи. Третью фазу подводят непосредственно к детали. Во время сварки дуга горит между двумя электродами и между каждым электродом и изделием.

Сварку трехфазной дугой применяют при изготовлении конструкций, требующих значительного объема наплавленного металла, при наплавке твердых сплавов, исправлении дефектов в стальном литье, при сварке соединений, требующих глубокого проплавления, и при сварке ванным способом стальной арматуры диаметром 60-120 мм.

Особенность способа в том, что электрод не закрепляется в держателе, а приваривается к нему торцом, что позволяет использовать весь металл его стержня. Применение этого способа сварки позволяет несколько уменьшить число перерывов на смену электродов и на 10-15% сократить расходы сварочных материалов.

В верхней части электрода имеются зачищенные концы для присоединения в специальном электрододержателе к двум фазам трехфазного источника питания, которым может быть как специальный трансформатор, так и два однофазных трансформатора, соединенных по схеме открытого треугольника.

В связи с тем, что через дугу протекают три тока сдвинутых по фазе на 120^o, устойчивость дуги значительно выше чем при питании однофазным током. Поэтому при сварке трехфазной дугой могут использоваться электроды с фтористо-кальциевыми покрытиями, которые непригодны для сварки однофазным переменным током.

Так как при отрыве от изделия дуга будет продолжать гореть между электродами (Э), то включение трансформаторов должно производиться магнитным пускателем по специальной схеме (рис. 3), при которой катушка контактора КК во время горения дуги включена на падение напряжения в дросселе (Др).

При отведении держателя от изделия катушка контактора обесточивается и он выключает сварочные трансформаторы СТ.

При касании электродным стержнем изделия И включается цепь, питаемая вспомогательным трансформатором ВТ, Контактор срабатывает и включает сварочные трансформаторы, после чего катушка контактора снова оказывается включенной на падение напряжения в дросселе.

Некоторым недостатком ручной дуговой сварки трехфазной дугой является необходимость изготовления специальных электродов, непригодность для сварки в потолочном и вертикальном положениях, а также большой вес электрододержателя с электродом.

Электрошлаковая сварка.

Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее тока (рис. 4).

Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак, разогревает его, это приводит к раславлению кромок основного металла и электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва - непровар кромок, в конце шва - усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества: возможна сварка металла любой толщины (с 16 мм). Заготовки с толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка, при толщине более 150 мм используются нескольких проволок. Есть опыт сварки толщиной до 2 м.

Недостаток способа - образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

1. Основными параметрами режима электрошлаковой сварки проволочным электродом являются следующие величины: диаметр электродной проволоки (обычно принимается равным 3 мм);

2. величина сварочного тока;

3. скорость подачи электрода;

4. напряжение на шлаковой ванне;

5. скорость сварки;

6. толщина свариваемого металла;

7. скорость поперечных перемещений электрода;

8. время выдержки у ползуна при сварке с поперечными колебаниями;

9. величина недокрыша при сварке несколькими проволоками (рис. 5);

10. количество сварочных проволок (электродов);

11. величина зазора;

12. марка флюса;

13. глубина шлаковой ванны;

14. расстояние от электродов до ползунов.

Все эти параметры существенно влияют на качество и формообразование сварного шва и должны правильно подбираться. При выборе параметров электрошлаковой сварки обычно исходят из двух условий:

1. Выбранный режим электрошлаковой сварки должен гарантировать сплошность сварного соединения - отсутствие внутренних и внешних несплавлений. При сварке проволочными электродами необходимо обеспечить провар кромок на глубину 6-10 мм на сторону.

2. При электрошлаковой сварке на выбранном режиме с применением выбранного электродного металла в шве не должны возникать горячие (кристаллизационные) трещины, для чего режим электрошлаковой сварки должен обеспечивать получение оптимального коэффициента формы сварочной ванны.

Рассмотрим влияние некоторых параметров режима электрошлаковой сварки на форму и размеры шва и способ их выбора, исходя из указанных условий, для сварки малоуглеродистой и низколегированной сталей проволоками Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2, Св-10ГСМТ.

Сварочный ток

Ток в сварочной цепи зависит от скорости подачи электродной проволоки и связан с ней линейной зависимостью I_св = (1,6 - 2,2)·v_св [1] (коэффициенты зависят от марки флюса и проволоки).

Увеличение тока при увеличении скорости подачи может быть объяснено тем, что с увеличением скорости подачи уменьшается расстояние между концом погруженного в шлаковую ванну электрода и поверхностью металлической ванны. Высота слоя шлака уменьшается и, как следствие, уменьшается сопротивление слоя шлака. Это приводит к повышению тока, к дополнительному подогреву ванны, повышению температуры шлака и, следовательно, к дальнейшему уменьшению его сопротивления. С другой стороны, увеличение температуры увеличивает скорость расплавления электрода и увеличивает расстояние между концом электрода и металлической ванной. Это приводит к установлению нового стабильного состояния в процессе плавления электрода.

Повышение тока приводит к примерно пропорциональному увеличению глубины металлической ванны и к некоторому увеличению глубины провара (последнее наблюдается при токе не выше 700 а). В результате, коэффициент формы металлической ванны с увеличением тока снижается и вероятность образования в шве горячих трещин возрастает.

Чем больше содержится в шве углерода, тем больше должен быть коэффициент формы, чтобы не возникало горячих трещин, а следовательно, тем меньше должен быть ток.

Величину сварочного тока выбирают в зависимости от величины отношения толщины свариваемого металла к числу электродов.

Напряжение

Изменение напряжения в наибольшей мере влияет на ширину шва, которая связана с напряжением зависимостью, выражаемой почти прямой линией (рис. 4). Увеличение напряжений приводит также к некоторому увеличению глубины металлической ванны.

В целом же с увеличением напряжения коэффициент формы металлической ванны увеличивается.

Для получения металлической ванны оптимальной формы, при которой нет опасности образования горячих трещин, большему току должно соответствовать несколько большее напряжение. С достаточной точностью для практических целей напряжение для шлаковой сварки может быть определено по формуле: U = 12 + sqrt (125-s/(0,075·n)), где sqrt - квадратный корень.

Скорость сварки

Увеличение скорости сварки достигается за счет увеличения скорости подачи электрода и тока и уменьшения зазора. Скорость сварки может быть определена по уравнению:

	где n - число электродов (n=1); a - зазор между деталями; s - толщина свариваемого металла; ky - коэффициент, учитывающий усиление (ky=1,05 - 1,1).

Скорость поперечных перемещений электрода.

Скорость влияет на ширину шва и его качество. Увеличение скорости поперечных перемещений уменьшает глубину провара.

Эта характеристика выбирается в зависимости от скорости подачи электрода, причем перемещения должны быть обратно пропорциональны подаче. Скорость поперечных перемещений может быть также определена по уравнению:

v_пп = 66 - 0,22·(s/n)

Зазор и глубина шлаковой ванны.

Зазор для толщин до 150 мм принимается равным 25 ± 3 мм.

Время выдержки у ползуна.

Время выдержки у ползуна принимают равным 4-8 сек.

Расстояние между проволоками рассчитывается по следующим формулам:

· при поперечных перемещениях l_э = (s / n) + 8

· без поперечных перемещений l_э = s / n

Сухой вылет электрода берется равным 60-70 мм.

Недоход электрода до ползунов 5-7 мм.

Флюсы для электрошлаковой сварки должны удовлетворять следующим требованиям:

1. обеспечивать быстрое наведение шлаковой ванны, устойчивое протекание электрошлакового процесса. Флюсы должны иметь высокую электропроводность, высокую температуру кипения;

2. обеспечивать нормальное формирование шва без подрезов, без наплывов;

3. не отжимать ползуны, не вытекать в зазоре между ползунами и свариваемой деталью при достижимой на практике точности сборки;

4. давать легкоотделяющуюся от поверхности шва шлаковую корку.

Этим требованиям удовлетворяют многие флюсы (табл. 1).

Таблица 1. Флюсы для электрошлаковой сварки

Марка флюса	Химический состав, %	Прочие
	SiO2	Al2O3	MnO	CaO	MgO	Na2O K2O	CaF2	FeO	S	P
								Не более
АН-8	34,3	13,0	23,5	5.5	6,0		16,0	1,5	0,15	0.15
АН-8М	36,5	до 5.5	50,0	6,0	до 1.0	3.5	14,0	1,5	0,15	0,15
48-ОФ-6	до 4,0	23,5	до 0,3	19,5	до 0,3		52,5	1.5	0,05	0,04
АН-25	7,5			13,5	3,0		38,0		0,10		35,0-40,0
АНФ-1	до 5,0						не менее 92.6		0,10
АНФ-5	до 2,0						75.0-80.0		0,05	0,02	17,0-25,0

Установлено, что устойчивость электрошлакового процесса возрастает с повышением электропроводности флюса. Наибольшей электропроводностью обладает флюс АНФ-1, изготовляемый путем дробления природного минерала - плавикового шпата.

Чем хуже электропроводность флюса, тем при более высоком напряжении должна производиться электрошлаковая сварка, чтобы обеспечить одинаковый провар кромок. Так, если при применении флюса АНФ-1 оно обычно составляет 25-30 в, то при флюсе АН-8М требуется напряжение около 40 в, а при флюсе ФЦ-7 - 45-50 в.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п.

Сварка в среде защитных газов

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа.

Сварку в углекислом газе производят почти во всех пространственных положениях, что очень важно при производстве строительно-монтажных работ. Сварку осуществляют при питании дуги постоянным током обратной полярности. При сварке постоянным током прямой полярности снижается стабильность горения дуги, ухудшается формирование шва и увеличиваются потери электродного металла на угар и разбрызгивание. Однако коэффициент наплавки в 1.6… 1.8 раз выше, чем при обратной полярности. Это качество используют при наплавочных работах. Источником питания дуги постоянным током служат сварочные преобразователи с жесткой характеристикой ПСГ-350, ПСГ-500.

Таблица 2. Режим сварки выбирается в зависимости от толщины свариваемых кромок

Толщина металла, мм	Диаметр электродной проволоки, мм	Сварочный ток, А	Напряжение дуги, В	Скорость сварки, м/ч	Расход газа, л/мин
0.8-1.5	0.5-0.8	60-100	17-20	17-20	5-7
1.5-2.0	0.8-1.0	80-120	19-20	16-20	6-8
2.0-3.0	1.0-1.2	100-130	19-20	14-16	8-10
3.0-4.0	1.2-2.0	120-200	20-24	16-20	12-16

Сварочный ток и скорость сварки зависят от разделки свариваемого шва. Напряжение устанавливается таким, чтобы получить устойчивый процесс сварки при возможно короткой дуге (1.5-4.0 мм). При большей длине дуги процесс сварки неустойчивый, увеличивается разбрызгивание металла, возрастает возможность окисления и азотирования наплавляемого металла. Скорость подачи электродной проволоки зависит от сварочного тока и напряжения. Практически она устанавливается так, чтобы процесс протекал устойчиво при вполне удовлетворительном формировании шва и незначительном разбрызгивании металла.

Расход углекислого газа устанавливается так, чтобы обеспечить полную защиту металла шва от воздействия атмосферного воздуха.

Защита сварочной ванны при сварке в углекислом газе осуществляется углекислым газом и выполняется только плавящимся электродом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо - и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.

Основной недостаток - разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).

По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и автоматической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при применении аргона оксидов и шлаковых включений; возможность ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т.п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

Сварка порошковой проволокой и электрозаклепками

Порошковая проволока представляет собой непрерывный электрод трубчатой или другой, более сложной конструкции с порошкообразным наполнителем - сердечником. Сердечник состоит из смеси минералов, руд, ферросплавов металлических порошков, химикатов и других материалов. Назначение различных составляющих сердечника подобно назначению электродных покрытий - защита расплавленного металла от вредного влияния воздуха, раскисление, легирование металла, связывание азота в стойкие нитриды, стабилизация дугового разряда и др.

Составляющие сердечника должны, кроме того, удовлетворять общепринятым требованиям, предъявляемым ко всем сварочным материалам: обеспечивать хорошее формирование швов, легкую отделимость шлаковой корки, провар основного металла, минимальное разбрызгивание металла, отсутствие пор, трещин, шлаковых включений и других дефектов, определенные механические свойства швов и сварных соединений и т.д.

Порошковые проволоки используются для сварки без дополнительной зашиты зоны сварки, а также для сварки в защитных газах, под флюсом, электрошлаковой. Проволоки, используемые для сварки без дополнительной защиты, называются самозащитными. Входящие в состав сердечника таких проволок материалы при нагреве и расплавлении в дуге создают необходимую шлаковую и газовую защиту расплавленного металла. В настоящее время наибольшее распространение получили порошковые проволоки для сварки в углекислом газе и самозащитные порошковые проволоки.

В зависимости от диаметра и состава порошковой проволоки сварка может осуществляться во всех трех пространственных положениях.

При сварке порошковой проволокой характер плавления и переноса металла, температурные условия, формирование газошлаковой защиты и другие факторы, отличаются от наблюдаемых при других способах сварки, что приводит к изменению условий взаимодействия металла с азотом.

Величина применяемых на практике напряжений дуги и сварочных токов для данной порошковой проволоки ограничена определенными пределами, т.е. для данной проволоки существует диапазон режимов, в пределах которого возможен нормальный технологический процесс сварки. Этот диапазон принято называть диапазоном рабочих режимов сварки. Нарушение его приводит к появлению дефектов в швах, резкому ухудшению технологических характеристик. Повышение напряжения дуги приводит к увеличению содержания азота в металле.

К самозащитной порошковой проволоке предъявляется ряд требований, от выполнения которых зависит возможность ее широкого производственного применения. К числу этих требований относится обеспечение высокой производительности процесса, широкого диапазона рабочих режимов сварки, хорошего формирования швов и отделимости шлаковой корки, малых потерь металла на разбрызгивание, высоких механических свойств металла шва, благоприятных гигиенических характеристик и др. Помимо этого, проволока должна быть технологичной в изготовлении.

Общим для всех видов порошковой проволоки требованием является обеспечение равномерности плавления сердечника и оболочки.

Для проволоки трубчатой конструкции выполнение этого требования можно обеспечить увеличением доли металлических порошков в сердечнике, выбором легкоплавких композиций шлакообразующей части, уменьшением толщины оболочки.

Ограничение количества газообразующих материалов, которые можно ввести в сердечник, и их неблагоприятное расположение по отношению к металлу оболочки не позволяют при сварке проволокой трубчатой конструкции достичь хорошей защиты расплавленного металла от воздуха. Использование проволоки двухслойной конструкции позволяет эффективно защитить расплавленный металл от воздуха и обеспечить высокие механические свойства металла шва.

Как показали исследования процессов, происходящих при нагреве и плавлении сердечника, большие объемы и равномерное выделение газов из сердечника и раннее образование шлакового расплава улучшают условия защиты зоны дуги от воздуха.

Композиция сердечника проволоки должна обеспечивать сочетание защитных свойств с благоприятными сварочно-технологическими свойствами, хорошей рафинирующей способностью шлаков, достаточной раскисленностью и легированием металла, высокой стойкостью против трещин и пор. Разработанные составы сердечников порошковой проволоки промышленных марок являются оптимальными, в той или иной мере удовлетворяющими перечисленные выше требования.

Одним из наиболее эффективных средств улучшения процесса сварки в углекислом газе является применение порошковой проволоки. При введении в сердечник материалов с низким потенциалом ионизации повышается устойчивость горения дуги даже при применении проволоки больших диаметров (3-4 мм и выше). Подбором композиции шлака можно достичь благоприятного переноса электродного металла и обеспечить минимальное его разбрызгивание.

К специальным случаям применения порошковой проволоки относятся случаи применения порошковой проволоки, когда условия сварки и требования к сварному соединению вызывают необходимость применения специальной аппаратуры и техники сварки, а часто и порошковой проволоки с особыми свойствами.

Сварка вертикальных швов с принудительным формированием

Вертикальные швы на металле средней толщины (8-30 мм) свариваются в основном вручную покрытыми электродами. В последнее время все большее распространение получает полуавтоматическая газоэлектрическая сварка тонкой проволокой со свободным формированием шва. Принудительное формирование кристаллизующейся поверхности сварочной ванны позволяет резко поднять силу тока, увеличить скорость подачи электродной проволоки и повысить производительность процесса. Этот метод в сочетании с электрошлаковым процессом получил большое распространение в промышленности и строительстве.

При сварке порошковой проволокой наружная оболочка является проводником электрического тока, защитным устройством для сердечника. Защитное покрытие находится внутри электрода.

Очень эффективно использовать порошковую проволоку для сварки в среде углекислого газа. Это позволяет применять более высокие плотности тока, уменьшается разбрызгивание металла, улучшаются механические свойства. Сварка порошковой проволокой весьма удобна, т.к. упрощается конструкция сварочного оборудования.

Применение электрозаклепок при изготовлении металлоконструкций целесообразно с точки зрения уменьшения коробления изделий, повышения производительности работ. Для некоторых видов металлоконструкций соединение электрозаклепками обязательно.

Известны примеры выполнения электрозаклепок самозащитной порошковой проволокой.

Специальная порошковая проволока ПП3-ПСК имеет сложное сечение, композиция сердечника построена на базе шлаковой системы TiO₂-CaF₂-CaO. Проволока обеспечивает глубокий провар металла и высокую стойкость против пор.

Форма получаемой заклепки, глубина провара определяются режимом сварки. При необходимости увеличить проплавление металла варят на минимальном напряжении дуги и коротком вылете электрода.

Процесс сварки выполняется следующим образом. После установки заклепочника на место соединения возбуждается дуга и включается подача проволоки с заданной скоростью. По истечении установленного интервала подача проволоки прекращается и дуга горит до естественного обрыва. Такое окончание сварки обеспечивает получение благоприятной формы головки заклепки. Время горения дуги почти линейно влияет на основные параметры заклепки, вызывая наибольшие изменения ее диаметра.

Для сварки электрозаклепками используется проволока диаметром 2,0; 2,5; 2,8 и 3,0 мм. Проволокой диаметром 2,0 мм можно производить сварку в различных пространственных положениях, однако форма заклепок при этом несколько ухудшается. Выбор диаметра проволоки определяется также толщиной свариваемого металла. Рекомендации по выбору проволоки различных диаметров в зависимости от толщины элементов, свариваемых электрозаклепками приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Толщина элемента, мм	Диаметр проволоки, мм
верхнего	нижнего
0.5 - 1.0	0.8 -3.0 и выше	2.0
1.0 - 2.5	2.0 -4.5 и выше	2.5
2.5 - 6.0	3.0 -6.0 и выше	3.0

Металлические элементы равной толщины рекомендуется сваривать с медной или алюминиевой подкладкой. Приварку тонкого листа к толстому можно производить без подкладок. При толщине верхнего элемента более 6 мм требуется прокол его под заклепку.

Электрозаклепочник может быть смонтирован на базе серийных полуавтоматов. Головка заклепочника имеет на мундштуке специальную опорную насадку. Эта насадка изолирована от мундштука и имеет отверстия для отвода образующихся газов и наблюдения за направлением проволоки при установке.