Котиков Г.С. Учебное пособие Сварка и резка металлов

Этот недостаток вызывается принципом устройства сварочного трансформатора, в котором падающая характеристика создается высокой индуктивностью

цепи, т. е. после-

Рис 5.2. Схемы сварочных трансформаторов довательно с ду-

гой, которая является омическим сопротивлением, включено значительное индуктивное сопро-

тивление, падение напряжения, на котором значительно превышает омическое.

Рис. 5.3. Схема улучшения cos сварочного трансформатора

Это и дает для сварочного трансформатора cos = 0,4 - 0,5. Столь низкий коэффициент cos весьма нежелателен для электрической сети в которую включен сварочный трансформатор и поэтому для его исправления к первичной обмотке параллельно включают конденсатор (рис. 5.3).

5.2. Генераторы постоянного тока

В настоящее время преобладает сварка дугой переменного тока с питанием от сварочного трансформатора. Качество же сварки в большинстве случаев несколько выше при постоянном токе. Кроме того, имеются работы практически осуществимые

11

только на постоянном токе: сварка малых толщин, сварка неплавящимся электродом, сварка цветных металлов и др.

Из источников постоянного тока наибольшее применение имеют сварочные генераторы, сконструированные на основе машины постоянного тока, имеющие крутопадающую характеристику, которая быстро меняется вместе с изменением нагрузки, падая почти до нуля при коротком замыкании в цепи. Сила тока такого генератора остается более или менее постоянной во время горения дуги.

Рассмотрим, каким образом получают нужную форму падающей характеристики генератора. Для изменения напряжения генератора с изменением нагрузки необходимо менять его ЭДС:

E = knФ, где к - постоянная, характеризующая данный генератор; n - число оборотов якоря; Ф - магнитный поток, пронизывающий якорь.

В настоящее время почти все сварочные генераторы работают на постоянном числе оборотов, поэтому остается единственная возможность - менять ЭДС.

Существует два основных способа воздействия на магнитный поток генератора:

-применение специальных размагничивающих обмоток на полюсах генератора;

-использование реакции якоря генератора.

Рис. 5.4. Схема генератора с дифференциальным возбуждением

В первом случае получаетсяб) генератор с дифференциальным возбуждением. На каждом полюсе генератора имеются две обмотки: одна из них, основная, питается от постороннего источника постоянного тока и называется обмоткой независимого возбуждения; вторая включена последовательно с обмоткой

12

якоря и называется последовательной обмоткой самовозбужде-

ния (рис. 5.4).

При холостом ходе последовательная обмотка бездействует, а при нагрузке в ней возникает магнитный поток, который вычитается из магнитного потока независимой обмотки. При коротком замыкании магнитные потоки равны по величине и противоположны по знаку. Ток короткого замыкания приблизительно пропорционален току независимого возбуждения и для изменения тока короткого замыкания, а следовательно, и сварочного тока, необходимо изменять ток независимого возбуждения, что осуществляется реостатом в цепи возбуждения.

Рис. 5.5. Генератор с "расщепленными полюсами"(а) и его электрическая схема(б)

Во втором случае для использования реакции якоря (рис. 5.4) применена особая форма магнитопровода машины с четырьмя основными полюсными сердечниками и двумя дополнительными. Основные сердечники имеют необычное чередование полярностей - рядом расположены два северных сердечника, а затем два южных. Несмотря на наличие четырех сердечников генератор является двухполюсным и называется "генератором с расщепленными полюсами". При такой схеме суммарный магнитный поток в генераторе, незначительно меняясь по величине, может поворачиваться от 00 до 900, изменяя величину ЭДС от нуля до максимальной.

13

5.3. Сварочные выпрямители

Для получения постоянного сварочного тока используются сварочные выпрямители. Простейший сварочный выпрямитель с падающей характеристикой состоит из трансформатора с увеличенным магнитным рассеиванием и выпрямительного блока.

Рис. 5.6. Типовые схемы сварочных выпрямителей

Трансформаторы для выпрямителей выполняются по тем же схемам, что и сварочные трансформаторы, а в качестве выпрямительных блоков могут использоваться селеновые, германиевые и кремниевые диоды (рис. 5.6.). Сварочные выпрямители могут использоваться в качестве комбинированных источников питания в случае, когда сварка производится на постоянном токе при включенном выпрямительном блоке или на переменном токе при отключенном выпрямительном блоке.

5.4. Осцилляторы

Осциллятор - это прибор, который облегчает зажигание сварочной дуги и обеспечивает устойчивость ее горения посредством наложения на дуговой промежуток вспомогательного переменного тока высокого напряжения, высокой частоты, но небольшой мощности. Повышенное напряжение пробивает газовый промежуток при отсутствии или ослаблении сварочного тока и деионизации газа между электродами. Искровой разряд при пробое газа создает канал с высокой степенью ионизации и открывает путь прохождению сварочного тока.

Высокая частота вспомогательного тока применяется для устранения физиологического воздействия тока на организм

14

сварщика. Ток с частотой 50 000 Гц и выше вследствие поверхностного эффекта проходит по тонкому наружному слою кожного покрова человеческого тела, не задевая нервных окончаний. Мощность этого тока ограничивается несколькими десятками ватт, а напряжение - несколько тысяч вольт, порядка 2000 - 3000. Подключается осциллятор параллельно сварочному (рис. 5.6) источнику тока.

Рис. 5.7. Наложение тока высокой частоты на сварочную дугу

В настоящее время выпускаемые электроды в большинстве случаев обеспечивают достаточно легкое зажигание и устойчивое горение дуги, в связи, с чем применение осцилляторов в ручной дуговой сварке сократилось до минимума. Однако при автоматической сварке управляемой дугой применение осцилляторов необходимо для зажигания дуги при неизменной ее длине.

5.5. Другие источники питания сварочной дуги

В настоящее время появились более эффективные современные источники питания сварочной дуги, в которых необходимая падающая характеристика достигается с помощью электронных схем на полупроводниках, которые называются тиристорными источниками питания.

6. Сварочная проволока

При сварке плавлением для заполнения сварочной ванны применяется присадочный металл - это проволока круглого сечения, называемая сварочной проволокой. Наибольшее применение имеет стальная сварочная проволока; в необходимых случаях применяется также проволока алюминиевая, медная, бронзовая и пр.

15

В зависимости от химического состава проволока бывает углеродистой и легированной, а легированная, в свою очередь, низколегированной, среднелегированной и высоколегированной. Проволоку изготовляют диаметром 0,3 - 12 мм. Проволока диаметром до 5 мм включительно поставляется в катушках, а свыше

– в прутках.

Проволока имеет жесткие допуски по диаметру, чистую поверхность, свободную от ржавчины и других загрязнений. Для механизированной сварки весьма желательна проволока с омедненной поверхностью. Омеднение защищает проволоку от коррозии, улучшает электрический контакт с токоподводами, уменьшает износ подающего механизма.

Сварочную проволоку изготовляют холоднотянутой и маркируют начальными буквами Св (сварочная); первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента; далее следует маркировка состава металла по принципу маркировки сталей с теми же условными обозначениями: марганец - Г, кремний - С, хром - X, никель - Н, титан – Т и т.д. Буква А в конце маркировки указывает на повышенное качество металла с пониженным содержанием вредных примесей серы и фосфора. Стандартные марки углеродистой проволоки имеют не более 0,12% С. Содержание других элементов в проволоке (кроме марганца) также нормируется по верхнему пределу «не более»; в сторону уменьшения содержания ограничения нет. Это объясняется следующим образом: углерод снижает пластичность металла и может служить причиной образования трещин наплавленного металла. Проволоку изготовляют из дешевой и хорошо деформируемой кипящей стали, характеризующейся малым содержанием кремния. Хром и никель - нежелательные примеси, которые попадают в металл при выплавке лома легированных сталей. Сера и фосфор всегда вредны и их содержание должно быть минимальным. Влияние марганца на прочность и пластичность металла положительно; его содержание должно быть не ниже определенного минимума, а в марках проволоки с буквой Г даже повышенное.

Самой распространенной маркой углеродистой проволоки является Св-08. Марок легированных проволок очень много; со-

16

ставы их сложны и здесь они не рассмотрены.

Для ручной дуговой сварки из сварочной проволоки делают стержневые электроды. Электрод подводит ток к дуге и одновременно, расплавляясь, образует наплавленный металл, придавая необходимые механические свойства сварному соединению.

Наибольшее значение имеют стальные электроды, на поверхность которых наносят специальное покрытие или обмазку из различных порошкообразных веществ, сцементированных клеящим веществом, обычно водным раствором жидкого или растворимого стекла. Длина стандартного электрода 350 - 450 мм, самый распространенный диаметр металлических стержней 2 - 6 мм. Один конец электрода на длине 20 - 30 мм оставляют свободным от покрытия для закрепления электрода в держателе и подведения сварочного тока. Кроме химического состава проволоки электроды различаются еще и видом покрытия.

6.1. Электроды со стабилизирующим покрытием

Это старый и примитивный тип электродов. Покрытие наносят на электродный стержень тонким слоем, толщиной в доли миллиметра. Данное покрытие наносят простейшим способом - путем обмакивания стержня в обмазочную пасту.

Название «стабилизирующие» указывает на основное назначение покрытия - стабилизировать, т. е. делать более устойчивым горение дуги и облегчить ее зажигание. Иногда эти покрытия называют ионизирующими, так как они усиливают ионизацию дугового промежутка.

При горении дуги вместе с электродным стержнем плавится и испаряется покрытие, нанесенное на поверхность электрода. Пары материала покрытия, попадая в столб дуги и подвергаясь действию высокой температуры, прежде всего, диссоциируют (сложные химические соединения распадаются на более простые, вплоть до образования свободных атомов). Если в покрытии имеются вещества с низким потенциалом ионизации, (щелочные и щелочно - земельные элементы), то пары их легко ионизируются и повышают электропроводность дугового промежутка, облегчая горение дуги.

К гасителям дуги относятся вода, галоиды, в особенности хлор, фтор и их соединения, борная и фосфорная кислоты и их

17

соединения.

Тонкой простейшей обмазкой является широко известная меловая обмазка, состоящая из тонкого порошка мела, сцементированного жидким стеклом, но электроды с такой обмазкой дают низкое качество сварного шва.

Для сравнения приведем химические составы металла электрода с меловой обмазкой и металла, наплавленного этим электродом. Изменение химического состава сводится к следующему: сильно выгорает углерод и кремний, более чем наполовину выгорает и испаряется марганец и лишь вредные примеси – сера и фосфор – остаются в том же количестве (см. таблицу).

Кроме того, в наплавленном металле увеличивается количество азота и кислорода, попавших из атмосферного воздуха, а высокое содержание азота придает металлу хрупкость.

В настоящее время электроды со стабилизирующим покрытием в промышленности не применяются.

6.2. Электроды с качественным покрытием

Электроды с таким покрытием помимо стабилизации дуг, защищают сварочную ванну от вредного влияния атмосферного воздуха, улучшают химический состав, структуру и механические свойства наплавленного металла, обеспечивают достаточно устойчивое горение дуги.

Основой металлургического процесса при сварке, как и в сталеплавильных печах, является взаимодействие между шлаком и металлом. Шлак при сварке образуется главным образом из расплавленного покрытия электрода, в которое вводят в тонко размолотом виде различные минеральные вещества, руды, горные породы и т. п. Шлак, образующийся вместе с расплавленным металлом при плавлении электрода, защищает ванну от доступа воздуха, а при затвердевании ванны шлак замедляет охлаждение сварного соединения. При замедленном охлаждении разлагаются нестойкие соединения азота с железом, причем освободившийся азот удаляется из металла, и содержание азота в металле снижается до допустимой нормы 0,01 - 0,03%. Содержание

18

вредных примесей, в особенности серы и фосфора, в материалах для изготовления покрытий доводится до возможного минимума.

Существующие разнообразные качественные электродные покрытия могут быть классифицированы по различным признакам. По химическому составу шлаки, получаемые при расплавлении электродных покрытий, могут быть разделены на кислые и основные.

Кислые шлаки уменьшают содержание кислорода в наплавленном металле путем перехода закиси железа из металла в шлак. Подобный процесс раскисления металла кислым шлаком называется диффузиционным раскислением. Большое распространение имеют покрытия, дающие шлаки основного характера с большим содержанием окиси кальция CaO. Эти шлаки обеспечивают получение наплавленного металла особенно высокого качества.

По характеру металлургических реакций, протекающих в сварочной ванне, качественные электроды можно разделить на две группы.

Электроды первой группы вызывают реакции восстановления закиси железа углеродом, сопровождаемые образованием газообразной окиси углерода и вызывающие кипение ванны. Основной реакцией в сварочной ванне является

FeO + С = Fe+СО.

Для быстрого и энергичного проведения подобной реакции в обмазку вводят в большом количестве окислы железа в форме железных руд либо железной окалины или же другие окислы, легко отдающие кислород и способные интенсивно окислять металл ванны, например, двуокись марганца МnО2 в виде минерала пиролюзита. Дополнительным источником углерода (сверх содержащегося в основном металле) служит обычно ферромарганец, вводимый в значительном количестве в подобные обмазки. Протекающие в ванне экзотермические реакции освобождают значительное количество тепла и дополнительно разогревают ванну.

Электроды второй группы вызывают реакции восстановления закиси железа металлом с большой теплотой образования окис-

19

ла, обычно кремния или титана:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2.

Реакция протекает без газообразования и кипения ванны. В обмазку вводят лишь весьма прочные окислы, не отдающие кислорода ванне и не окисляющие металла. Электроды этой группы обеспечивают особенно высокое качество сварного соединения.

6.3. Классификация покрытых электродов

Внастоящее время в нашей стране для сварки углеродистых

илегированных конструкционных сталей применяют электроды по ГОСТ 9467-80, в основу которого положены механические свойства наплавленного металла или сварного соединения, выполняемых электродом. Кроме того, ограничивается содержание серы и фосфора в наплавленном металле.

Тип электрода обозначается буквой Э, следующее за буквой

число обозначает нижнее значение предела прочности металла на разрыв в кг/мм2. ГОСТ предусматривает типы электродов от Э42 до Э145. Если после числа следует буква А, то это означает, что электрод обеспечивает повышенные значения пластических свойств наплавленного металла или сварного соединения.

Э42 и Э46 пригодны для ответственных конструкций из углеродистых сталей, Э50 и Э55 - для среднеуглеродистых и низколегированных сталей, Э60, Э70, Э85, Э100, Э125 и Э145 - для легированных сталей повышенной прочности. При применении электродов типа Э85 - Э145 сварное соединение после сварки обязательно должно проходить термическую обработку.

Электроды типов Э42 - Э70 имеют стержень из проволоки Св-08, а Э85 - Э145 - из легированной проволоки. Но электроды одного и того же типа, например, Э42, могут быть с различными покрытиями, придающими электроду существенные технологические особенности, не отмеченные в ГОСТ. Поэтому сохраняется еще марка электродов, устанавливаемая изготовителем электродов и вносимая в паспорт электрода. Обозначения марок совершенно произвольны, и могут отличаться, например, лишь количеством наносимого покрытия при том же составе.

На основе химического состава проведена классификация качественных электродных покрытий.

20