МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ)

П.А. КОШЕЛЕВ С.В. ПАРАМОНОВ.

Электросварочные процессы и оборудование

Учебное пособие

Санкт – Петербург

2011

УДК 621.314.58

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.

Кошелев П.А., Парамонов С.В. Электросварочные процессы и оборудование

Учеб. Пособие/ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2011, 67 с.

Изложены физические основы сварочных процессов и методики проектирования современных электросварочных установок и их силовых элементов. Настоящее пособие ориентировано магистров по направлению 140400 "Электроэнергетика и электротехника" Магистерская программа № 140451 "Электротехнологии", уч план № 741.

Данное пособие может быть использовано и другими специалистами, в частности, бакалаврами, обучающимся по этому направлению.

Реализация материала подразумевает наличие ПК и современного программного обеспечения.

Рецензенты: Кафедра Оборудования и технологии сварочного

производства ФГУЦ «СЗПИ»

Д.т.н., профессор Дресвин С.В. (СПбГТУ).

Утверждено

редакционно – издательским советом университета в качестве учебного пособия

Введение

В сварочном производстве ведущее место принадлежит контактной и дуговой электросварке. Повышение качества и производительности при изготовлении сварных конструкций можно достичь за счет прогресса в нескольких взаимосвязанных областях науки и техники, главные из которых:

-разработка новых технологических процессов электросварки;

-повышение уровня механизации и автоматизации сварочных работ;

-разработка нового оборудования, отвечающего современным требованиям рынка соответствующей техники.

В России и за рубежом выпускается весьма широкий ассортимент оборудования для всех известных видов сварки.

В последние годы заметно преуспела силовая полупроводниковая техника, появились перспективные магнитные, изоляционные и другие электротехнические материалы.

Наряду со сложными компьютеризированными сварочными установками с промежуточными высокочастотными преобразователями электроэнергии широким спросом пользуются и простые сварочные трансформаторы, автоматы и полуавтоматы для строительных, бытовых, авторемонтных работ.

Настоящее учебное пособие призвано ознакомить специалиста с основами проектирования, математического моделирования и оптимизации дуговых электросварочных установок.

Базовыми дисциплинами для освоения этого предмета являются:

• информатика;

• ТОЭ;

• Источники питания АЭТУС.

1. ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОСВАРКИ.

1. ПРОЦЕССЫ ДУГОВОЙ СВАРКИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Процессы дуговой сварки классифицируются по следующим признакам:

-по способу защиты зоны сварки от атмосферных воздействий;

-по степени механизации сварочного процесса;

-по роду (форме) тока электрической дуги;

-по свойствам электрода.

По способу защиты зоны сварки можно выделить сварку покрытыми штучными электродами, сварку в среде защитного газа и сварку под флюсом. В свою очередь защитные газы делятся на активные, участвующие в химических и металлургических процессах формирования шва, и инертные.

К активным относится углекислый газ и смеси на его основе.

В качестве инертного газа используется аргон в чистом виде или в смесях, реже гелий

По степени механизации различают ручную и механизированную (автоматическую и полуавтоматическую) сварку.

Ручная сварка штучным плавящимся электродом в англоязычной литературе имеет аббревиатуру MMA (Manual, Metal, Active), ручная сварка неплавящимся вольфрамовым электродом TIG (Tungsten, Inert, Gas).

Полуавтоматическая и автоматическая сварка в среде активного защитного газа MAG (Metal, Active, Gas), инертного газа MIG (Metal, Inert, Gas) различаются методами перемещения сварочной горелки вдоль шва: соответственно вручную или с помощью специальных механизмов, роботов.

По роду тока дуги принята терминология: дуга постоянного тока прямой полярности (катод - расплавляемый электрод, анод - свариваемое изделие), дуга постоянного тока обратной полярности (катод – изделие, анод – электрод); дуга знакопеременного тока: симметричного, если длительности положительного и отрицательного полупериодов практически совпадают и асимметричного, если отношение этих длительностей по технологическим соображениям является переменной величиной.

По свойствам электрода – сварка плавящимся и неплавящимся электродами.

В первом варианте материал (металл) электрода по мере плавления заполняет разделку шва, а при отсутствии предварительной разделки формирует неразъемное соединение изделий.

Во втором варианте дуга горит между электродом из тугоплавкого металла (обычно вольфрама) и изделием, причем присадочный металл в зону сварки подается вручную.

Краткая характеристика наиболее распространенных электродуговых сварочных процессов и области их применения.

Сварка штучным покрытым электродом (MMA) применяется в строительстве жилья и промышленных объектов, в сельском хозяйстве, при ремонтных работах. Ассортимент электродов весьма разнообразен, их тип определяется режимом сварки, составом изделия, его размерами, формой.

Трудоемкость, качество и производительность работ зависят от гибкости перенастройки оборудования, его подвижности. Не меньшую роль играют динамические характеристики: легкость зажигания дуги, стабильность горения, отсутствие динамических ударов, вызывающих разбрызгивание при переносе металла во всех пространственных положениях. Ток постоянный или переменный симметричный. Диапазон сварочных токов 50 – 350 А.

Механизированная сварка в защитных средах инертных и активных газов (MIG, MAG) – наиболее широко распространенная технология. Ее потребители: среднее и тяжелое машиностроение, судостроение, автомобильная промышленность, авторемонт и многие другие.

На базе сварочных автоматов создаются специализированные сварочные машины. Полуавтоматическая сварка применяется для создания неразъемных соединений изделий из различных цветных металлов, конструкционных и специальных сталей. Используемый ток (постоянный) 30 – 500 А.

Сварка под флюсом – разновидность автоматической сварки. Применяется для крупногабаритных изделий в нижнем пространственном положении. Диапазон постоянного или чаще переменного симметричного тока 200 – 2000 А.

Сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом (TIG) цветных металлов, прежде всего алюминия и сплавов на его основе используется в судостроительной, автомобильной промышленности.

Источники тока должны обеспечивать любую его форму на «медленных» стадиях (старт, нарастание тока до номинального, сварка с модуляцией значений тока или без нее, заварка кратера, баланс в периоде зачистка – плавление) и «быстрых» (в частности, получение импульсов, близких по форме к прямоугольной). Действующие значения тока 10 – 300 А.

2. ПРОЦЕССЫ КОНТАКТНОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ.

Сварка контактная – способ соединения металлических деталей с применением давления, при котором используется тепло, выделяемое в месте контакта соединяемых частей при прохождении электрического тока. Достоинствами контактной сварки является высокая производительность, возможность автоматизации процесса, высокое и стабильное качество сварки, отсутствие потребности в специальных технологических сварочных материалах (присадочные материалы, флюсы, газы и т.п.), благоприятные условия труда.

По характеру и условиям образования сварного соединения контактная сварка делится на следующие основные виды: точечную, шов-ную и стыковую.

Точечная сварка выполняется путем сжатия плоскостей свариваемых деталей торцами цилиндрических электродов сварочной машины и пропусканием через место сжатия электрического тока. При этом в зоне контакта деталей по оси электродов начинается расплавление металла деталей, выплеск которого предотвращается прилегающим к нему уплотняющим пояском пластически деформированного металла. После прекращения протекания электрического тока расплавленный металл охлаждается и кристаллизуется, образуя точечное сварное соединение. Диапазон используемых напряжений и токов соответственно составляет 2–20 В, 1–100 кА.

Шовная сварка выполняется как правило вращающимися роликовыми электродами, сжимающими детали.

Стыковая сварка осуществляется по всей площади касания торцов свариваемых деталей при подводе к ним электрического тока и их сжатии. Различают стыковую контактную сварку без оплавления и с оплавлением торцов деталей. Стыковая контактная сварка без оплавления происходит по поверхности стыкуемых торцов без их явного оплавления. Иногда употребляется термин «сварка стыковая сопротивлением». При этом свариваемые детали прижимаются друг к другу с некоторым усилием, которое к концу стадии нагрева может быть увеличено. Основное отличие от сварки стыковой оплавлением состоит в том, что электрический ток протекает через контакт торцов свариваемых деталей, сжатых осевой силой, нагревая детали в стыке до температуры плавления или близкой к ней. При сварке стыковой с оплавлением соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов с их выраженным оплавления, при этом различают сварку с непрерывным оплавлением и предварительным подогревом. При сварке с непрерывным оплавлением к деталям подводится напряжение и они сближаются с небольшой скоростью. При соприкосновении деталей между их торцами образуются отдельные контакты-перемычки, которые оплавляются. По мере сближения торцов деталей таких перемычек становится больше, что приводит к разогреву торцов и образованию на них слоя расплавленного металла. В конце процесса оплавления осуществляется быстрое сжатие торцов деталей с большим усилием осадки, при котором жидкий слой вместе с оксидами выдавливается из стыка, а разогретые торцы пластически де-формируются.

Условия формирования соединения при нагреве стыка деталей ниже температуры плавления отличаются от условий формирования соединения при нагреве стыка деталей до температуры плавления. Основное отличие состоит в процессах удаления оксидов металлов свариваемых деталей. При сварке с нагревом ниже температуры пла-вления необходимо приложить значительное осевое усилие для создания деформаций достаточных для разрушения оксидной пленки на металле.

Машины контактной сварки можно разделить на два больших класса: машины общего назначения и специальные. Машины общего наз-начения предназначены для сварки деталей широкой номенклатуры. Специальные машины предназначены для сварки определенных узлов конкретных изделий.

Процесс контактной сварки происходит в соответствии с заданной циклограммой, т.е. зависимостью изменения во времени величины си-лы сжатия деталей в месте сварки и электрического тока, протекающего через него. Управление сварочной машиной осуществляется регулятором цикла контактной сварки.

Источники питания машин контактной сварки не зависит от класса машин, а определяется только наиболее подходящим способом питания места контакта деталей электрическим током.

1.3.РЕЖИМЫ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ.

Сварочный процесс состоит из чередующихся циклов с длительностью:

,

где - длительность паузы, - время сварки.

Различаются 3 типовых режима работы ИП: продолжительный, перемежающийся и повторно – кратковременный.

Для продолжительного режима характерно постоянство нагрузки. Температуры всех элементов ИП достигают установившихся значений. Характеристикой режима является длительно допустимый по нагреву сварочный ток .

В случае перемежающегося режима кратковременные рабочие периоды чередуются с интервалами работы ИП на холостом ходу без отключения от сети.

Характеристикой этого режима является относительная продолжительность нагрузки , измеряемая в относительных единицах или в %.

Длительность цикла принимается равной 5 минутам в ИП для сварки штучным электродом и 10 минутам в ИП для механизированной сварки и в универсальных.

В случае повторно – кратковременного режима кратковременные рабочие периоды чередуются с интервалами, в течение которых ИП отключается от питающей сети.

Режим количественно характеризуется относительной продолжительностью включения .

Действующее значение номинального сварочного тока ИП связано с длительно допустимым по нагреву током соотношениями: или .

2. ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Технологические требования определяются конкретным процессом или совокупностью процессов, для которых предназначен проектируемый источник питания.

2.1. Соответствующая процессу (процессам) внешняя статическая характеристика или набор характеристик.

2.2. Достаточное для надежного зажигания дуги напряжение холостого хода .

2.3. Возможность регулирования выходных параметров (тока и напряжения) согласно заданным минимальным и максимальным их значениям.

2.4. Стабилизация выходных параметров при наличии внешних воздействий (колебаний сетевого напряжения, температуры и пр.).

2.5. Отдельную группу составляют динамические требования, сущность которых заключается в обеспечении переходных процессов при воздействиях со стороны нагрузки, способствующих выполнению основных требований технологии, в частности, стабильному горению дуги, минимальному разбрызгиванию металла и др.

2.6. Конструктивное исполнение ИП, его масса, габариты, эргономические свойства должны соответствовать условиям производства.

2.7. Энергетические характеристики регулируемого ИП (КПД, коэффициент мощности) оцениваются в номинальном режиме. Поскольку нагрузка (дуга) существенно нелинейна, повышение коэффициента мощности, который в этом случае не совпадает с , является важным требованием.

Требования техники безопасности.

2.8. Напряжение холостого хода не должно превышать значения, установленного и согласованного для данных условий эксплуатации.

2.9. Оболочка (корпус) ИП конструируется в соответствии с международными нормами защиты по ГОСТ 12.2.007.0 – 75.

2.10. Конструкция и категория размещения также определяются условиями эксплуатации в соответствии с ГОСТ 23216 – 78.