Ручне дугове зварювання

1960 1965 1970 1975 1980

1985 1990 1995 2000 Рік

Рис. 5.1.1. Частка ручного дугового зварювання від сумарного

обсягу робіт, виконаних дуговим зварюванням [9-15]: 1 — в Японії; 2-у Франції; 3 — у ФРН; 4 — в Італії; 5-у США; 6 — в ЄС; 7 — в Україні

Ручне дугове зварювання покритими електродами займає провідну позицію серед способів зварювання плавленням, особливо там, де недоцільно механізувати цей процес (короткі шви, складна їх траєкторія, незручне розташування у просторі тощо). Незважаючи на свою універсальність й низьку вартість зварю-вального устаткування, цей спосіб поступово витісняється механізованими способами дугового зварювання. Частка ручного дугового зварювання від сумарного обсягу робіт, виконаних дуговим зварюванням, поступово зменшується і в індустріально розвинених країнах тепер становить 20.„ЗО % (рис. 5.1.1).

Рис. 5.1.2. Схема ручного дугового зварювання постійним (а): 1,5 — заготовка; 2 — електрична дуга; З — електрод; 4 — зварювальна ванна

Суть методу ручного дугового зварювання у тому, що за допомогою теплоти зварювальної дуги 2 (рис. 5.1.2) поступово розплавляється електрод 3 та краї заготовок і і 5, а рідкий метал щільно заповнює простір між ними, утворюючи зварювальну ванну 4, а після кристалізації рідкого металу — зварний шов. Шов міцно і надійно з'єднує зварені заготовки в одне ціле. Зварник рукою переміщує електродотримач з електродом у напрямку до заготовок і вздовж майбутнього шва.

ЗВАРЮВАЛЬНА ДУГА

Зварювальною дугою називають потужний і стабільний електричний розряд у середовищі іонізованих газів та випарів металу, який супроводжується інтенсивним виділенням теплоти і світла. Повітря у звичайних умовах складається з нейтральних молекул, тому воно не є провідником електричного струму. Щоб молекули повітря дугового проміжку стали провідником струму, їх необхідно іонізувати. З цією метою електрод на короткий час дотикають до заготовки, після цього віддалять його на відстань довжини дуги. Під час дотику між торцем електроду й заготовкою відбувається коротке замикання, внаслідок чого метал контактних поверхонь швидко нагрівається до високої температури. Після відриву електроду з нагрітого катода під дією електричного поля починається електронна емісія. Емісія електронів з катода відбувається під впливом двох факторів —

Рис. 5.1.3 - Схема зварювальної дуги:

1,8 — заготовка; 2 — електрон; 3 — дуга; 4 — молекула повітря; 5 — покриття електроду; 6 — електродний дріт; 7 — іон

високої температури (термоелектронна емісія) і напруженості електричного поля (автоелектронна емісія). Електрони 2 (рис. 5.1.3), зіштовхуючись з молекулами повітря 4 й випарами металу, іонізують їх. Позитивно заряджені іони 7 з великою швидкістю рухаються до катода 6, а електрони й негативно заряджені іони — до анода 8. Під час зіткнення з електродом і заготовкою кінетична енергія заряджених частинок перетворюється у теплову. Температура в центрі стовпа дуги найбільша і становить 6000... 7000 °С. Напруга, необхідна для запалювання дуги, у випадку постійного струму повинна перевищувати 30...35 В, а у випадку змінного струму — 50... 55 В. У режимі стійкого горіння напруга спадає до 18...30 В.

Напруга дуги залежить від складу газів, у яких горить дуга, довжини дуги, сили струму, матеріалу електрода та виробу. Електричні властивості дуги описуються її вольт-амперною характеристикою _у тобто залежністю між напругою та струмом дуги. Ця залежність при незмінній довжині дуги складається із трьох ділянок (рис. 5.1.4):

• спадної І;

• жорсткої (горизонтальної) II;

• крутої (зростальної) III.

На ділянці /, де струм невеликий, дуговий проміжок недостатньо іонізований і тому для горіння дуги потрібна підвищена напруга. Тут дуга нестабільна. Зі збільшенням сили струму до 80 А поступово зростає ступінь іонізації, а разом з ним — провідність дугового проміжку, що спричинює різке зменшення напруги. На ділянці II з ростом сили струму збільшується площа перерізу стовпа дуги, через що густина струму й напруга залишаються незмінними. На ділянці /// зростання сили струму вже не зумовлює збільшення площі перерізу дуги, внаслідок чого густина струму зростає і водночас зростає напруга дуги. Ручне електродугове зварювання провадять у межах II ділянки, рідше / ділянки вольт-амперної характеристики.

Збільшення довжини дуги зумовлює зміщення вольт-амперної характеристики вгору, а зменшення довжини дуги — зміщення цього графіка вниз.

ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ

Особливістю електродугового зварювання є короткі замикання і коливання довжини дуги. Короткі замикання відбуваються і під час запалювання дуги, і під час перенесення металу із електроду на виріб у вигляді крапель (30...40 крапель/с). Напруга дуги в момент короткого замикання спадає майже до нуля, а значення струму дуже зростає. Для обмеження струму короткого замикання необхідно, щоб джерело живлення мало спадну зовнішню характеристику.

Зовнішньою характеристикою джерела живлення зварювальної дуги називають залежність між напругою Uі силою струму I на вихідних його затискачах. Рис. 5.1.5 (лінія 1) свідчить, що із зниженням напруги величина сили струму зростає, але обмежено. Дуга й джерело її живлення утворюють єдину систему. Тому зовнішня характеристика (лінія 1) і вольт-ампе-рна характеристика (лінія 2) мають спільні точки В і С, що є умовою енергетичної рівноваги системи. Точка В відповідає запалюванню дуги, а точка С — стійкому її горінню. Координати точки С (U_Д, I₃) характеризують режим зварювання. Під час короткого замикання напруга дуги спадає майже до нуля (точка В), а сила струму короткого замикання мало перевищує силу робочого струму I_з. Що крутіша зовнішня характеристика, то менші коливання значень зварювального струму, зумовлені зміною довжини дуги під час ручного зварювання.

А с

Рис. 5.1.5. Зовнішня

характеристика джерела

живлення (лінія 1) і вольт-

амперна характеристика

зварювальної дуги (лінія 2):

V_л — напруга дуги; І_з — сила

зварювального струму під час

стійкого горіння дуги

Для дугового зварювання використовують постійний та змінний струм.

Джерелами постійного струму є зварювальні генератори та випрямлячі, а джерелами змінного струму — зварювальні трансформатори. Максимальна напруга джерела живлення коливається в межах 60...80 В і не повинна перевищувати 80 В в умовах безпечної роботи.

Зварювальні генератори є спеціальними зварювальними машинами постійного струму, якір яких приводиться в обертання електродвигуном змінного струму або двигуном внутрішнього згорання. На рис. 5.1.6 зображена схема генератора з незалежним збудженням. Він має дві обмотки — намагнічувальну 4, яка створює основний магнітний потік Ф„ і розмагнічувальну 7, через яку пробігає зварювальний струм. Магнітний потік розмагнічувальної обмотки Ф_Р скерований протилежно до основного потоку. Намагнічувальний потік не залежить від зварювального струму, а розмагнічувальний потік залежить. Із збільшенням зварювального струму зростає потік Ф_р і зменшується загальний потік, створюваний магнітною системою генератора. Цим обмежується струм короткого замикання і створюється спадна зовнішня характеристика зварювального генератора, Зварювальний струм знімається з основних щіток 2 і 6. Його регулюють ступеневим вмиканням відповідної кількості секцій в розмагнічувальній обмотці за допомогою клем 8 або плавно реостатом 5, який ввімкнутий в електричне коло намагнічувальної обмотки. Із зменшенням опору Е реостата струм в намагнічувальній обмотці і потік Ф_н зростають, а разом з ними зростає зварювальний струм. Щоб зменшити зварювальний струм, необхідно збільшити опір реостата. Ввімкнувши в електричне коло всю розмагнічувальну обмотку, збільшують магнітний потік Ф_р і зменшують зварювальний струм. На рисунку ввімкнута лише частина витків розмагнічувальної обмотки.

Величина зварювального струму, який індукується в обмотці якоря І генератора, залежить від сумарного магнітного потоку.

Зварювальні випрямлячі належать до джерел постійного, а точніше пульсувального струму. Випрямляч, схема якого зображена на рис. 5.1.7, має знижувальний трифазний трансформатор і, випрямний блок 2 і дросель 3

Р ис. 5.1.6. Схема генератора з незалежним збудженням: 1 — якір; 2,6 — основна щітка; 4 — намагнічувальна обмотка; 5 — реостат; 7 — розмагнічувальна обмотка; 8 — клема; 9 — електрод; 10, 11 — заготовка

Рис. 5.1.7. Схема трифазного випрямляча:

1. — трифазний знижувальний трансформатор;

2. — блок селенових випрямлячів; 3 — дросель

Випрямний блок живиться від знижувального трансформатора. Блок зібраний зі селенових або кремнієвих напівпровідникових елементів — вентилів, які пропускають струм лише в одному напрямку, а в протилежному напрямку — практично не пропускають. Тут випрямляються обидва півперіоди трифазного змінного струму, у зв'язку з чим його пульсація максимально згладжується.

Дросель створює спадну зовнішню характеристику й регулює значення зварювального струму. Якщо замість звичайного використати знижувальний трансформатор зі збільшеним магнітним розсіюванням та рухомими обмотками, то дросель не потрібен.

Зварювальні випрямлячі забезпечують високу стабільність горіння дуги, особливо на малих струмах, мають високий ККД, а через відсутність обертальних частин вони прості й надійні в роботі. Недоліком випрямлячів є необхідність інтенсивного охолодження напівпровідникових елементів за допомогою вентилятора.

Зварювальні трансформатори прості за конструкцією, дешеві й надійні джерела живлення зварювальної дуги змінним струмом. Більшість з них однофазні зі спадною зовнішньою характеристикою. Зварювальні трансформатори поділяють на такі основні групи:

• трансформатори з окремим дроселем;

• трансформатори із збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою.

Найпростіші за конструкцією є однофазні зварювальні трансформатори з окремим дроселем. Такий зварювальний апарат складається із знижувального трансформатора А (рис. 5.1.8) і дроселя Б. Первинна обмотка 9 трансформатора під'єднується до силової мережі напругою 220 або 380 В. Напруга вторинної обмотки 5 не повинна перевищувати 80 В.

Дросель служить для створення спадної зовнішньої характеристики та регулювання значення зварювального струму. Осердя дроселя має дві частини — нерухому 2 та рухому 4. На нерухомій частині намотані витки обмотки 3, ввімкнуті послідовно з вторинною обмоткою у зварювальне коло. Коротке замикання зумовлює в обмотці дроселя струм самоіндукції, спрямований

Схема однофазного зварювального трансформатора з окремим дроселем:

А — трансформатор; Б — дросель; 1 — осердя; 2 — нерухома, 4 — рухома

частини дроселя; 3 — обмотка дроселя; 5 — електрод; 6,7— заготовка;

в — вторинна, 9 — первинна обмотки трансформатора;

а — зазор між 2 і 4 рухомою частиною дроселя

протилежно струмові короткого замикання, внаслідок чого останній обмежується. Збільшуючи зазор а між нерухомою й рухомою частинами осердя, зменшують індуктивний опір котушки. Від цього збільшується сила зварювального струму і зменшується крутість зовнішньої характеристики. Щоб зменшити силу зварювального струму, необхідно зменшити зазор а між частинами осердя, В цьому випадку крутість зовнішньої характеристики зростає.

Однофазний трансформатор з окремим дроселем застосовують у ручному зварюванні покритим електродом, аргонно-дуго-вому зварюванні та механізованому зварюванні під флюсом.

Зварювальний трансформатор із збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою складається з феромагнітного осердя І (магнітопроводу) та двох обмоток — первинної 2 (рис. 5.1.9) нерухомої і вторинної 3 рухомої. Ці обмотки розсунуті, їх індуктивний опір підвищений, внаслідок наявності магнітних потоків розсіювання, що замикаються через повітря. Змінюючи відстань І між обмотками, регулюють індуктивний опір, а разом з ним — зварювальний струм. Із збільшенням відстані І збільшуються потоки розсіювання, що приводить до підвищення індуктивного опору і зменшення зварювального струму. Зближуючи обмотки, підсилюють взаємодію протилежно спрямованих потоків розсіювання, від чого зменшується індуктивний опір вторинної обмотки і зварювальний струм зростає.

Потоки розсіювання індукують ЕРС самоіндукції, скеровану протилежно до основної напруги. Раптове збільшення зварювального струму зумовлює зростання потоків розсіювання, внаслідок чого зростає індуктивний опір, який обмежує струм короткого замикання. Так створюється спадна зовнішня характеристика цього трансформатора.