книги из ГПНТБ / Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА В 0І>ЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Этот способ отличается от автоматической сварки под флюсом лишь характером физической защиты дуги и сварочной ванны от окружающего воздуха.

Что касается механизации (или автоматизации) подачи элект­ рода и его движения по шву — то они осуществляются так же, как для всех видов электродуговой автоматической сварки.

При сварке в защитных газах (рис. 6) дуга, возникающая между электродом и основным металлом, со всех сторон окружена газом 1, подаваемым под небольшим из­ быточным давлением из сопла 2,

,,обычно расположенного концент-

^рично электроду. Газовая защи- ~ та применяется как при сварке плавящимся электродом, так и неплавящимся, например, воль­

фрамовым. В последнем случае механизм подачи электрода су-

Щественно меняется В связи С тем,

что отпадает обязательная необ­ ходимость непрерывной подачи электрода по мере его плавления. Во многих случаях достаточно

иметь простейший механизм для периодической подачи неплавящегося электрода по мере его сгорания. В более совершенных сварочных головках для автоматической сварки имеется специальный механизм подачи с электроприводом, который автоматически компенсирует постепенное сгорание электрода (угольного, вольфрамового и др.) и поддерживает таким образом постоянную величину дугового проме­ жутка.

В качестве защитного газа могут применяться инертные и актив­ ные газы. В промышленности наибольшее распространение получи­ ли способы сварки в защитной среде углекислого газа (С02) и арго­ на, реже гелия. В последнее время начинают успешно применять смеси газов, например, аргона с кислородом и С04, позволяющие повысить производительность и качество сварки.

Разновидностью сварки в защитных газах является сварка в контролируемой атмосфере. Сварка производится в герметичной ка­ мере, где сначала создается вакуум, затем камера заполняется арго­ ном или гелием. Таким образом, получается контролируемая защит­ ная атмосфера. При этом обеспечивается более полная защита сва­ рочной ванны. Этот метод применяется при дуговой автоматической сварке неплавящимся электродом специальных легко окисляющих­

60

ся металлов и сплавов. Оборудование для этого метода сварки го­ раздо сложнее, чем для обычной автоматической сварки в среде СОг на открытом воздухе, так как для сварки в контролируемой атмосфе­ ре требуется герметичная камера и вакуумная установка. Эксплуата­ ция таких сварочных установок также сложнее. Поэтому их приме­ нение ограничивается областью сварки специальных металлов и сплавов, где требуется особенно тщательная защита сварочной ван­ ны от воздействия воздуха.

Преимущества автоматической сварки в защитных газах:

1)возможность сваривать швы в любом пространственном поло­ жении;

2)повышенная по сравнению с ручной сваркой производитель­ ность в 2—2,5 раза при токах до 500 а. Наиболее эффективна свар­ ка порошковыми проволоками АН-4 и АН-5 в среде С02;

3)возможность сварки малокалиберных швов и изделий малой толщины, которые под флюсом сваривать нельзя;

4)удобный контроль за направлением дуги по шву.— дуга не закрыта флюсом;

5)меньшее по сравнению с автоматической сваркой под флюсом термическое воздействие на основной металл;

6)при сварке тонкого металла толщиной до 3 мм производитель­ ность выше, чем при сварке под флюсом, благодаря повышенному коэффициенту наплавки при токах 200—400 а\

7)возможность сварки стыковых швов на весу.

Недостатки:

1)при сварке крупнокалиберных швов производительность при­ мерно вдвое меньше, чем при автоматической сварке под флюсом;

2)плохой внешний вид швов;

3)большое разбрызгивание металла при сварке плавящимся электродом на токах 250—450 а. Этого недостатка лишена сварка

порошковой проволокой (открытой дугой или в среде СОа), а также сварка сплошной проволокой в атмосфере сложной смеси газов или в аргоне.

Области рационального применения:

1.По типу производства— в серийном и массовом производ­

стве.

2.Весьма эффективно применение аргонодуговой сварки при из­ готовлении конструкций из тонколистовых высоколегированных сталей, алюминиевых и титановых сплавов.

3.Сварка швов, которые нельзя или нецелесообразно располагать

вгоризонтальном положении, например, неповоротных стыков

труб.

4. Прихватка собранных деталей или заварка беглым швом кор­ ня шва на весу. Пример: в массовом производстве прямошовных

61

труб на заводах «Маннесмана» первый (сборочный) шов производит­ ся автоматом в газовой среде (А -+- СОа + 0 2) со скоростью 4 м/мин, а последующие (основные) швы выполняются многодуговой авто­ сваркой под флюсом.

5.Наплавочные работы с малым термическим воздействием на основной металл.

6.Сварка неплавящимся электродом методом оплавления кромок без присадочного металла, например, при сварке канистр.

7.Производство тонкостенных изделий с малокалиберными швами.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Физическая сущность этого процесса та же, что и автоматической сварки в защитных газах. Различие заключается лишь в степени автоматизации процесса, которая при полуавтоматической сварке существенно ниже, так как сварочное движение по шву осуществля­ ется сварщиком вручную. В смысле автоматизации сварочного про­ цесса и техники его осуществления полуавтоматическая сварка в защитных газах и полуавтоматическая сварка под флюсом почти не отличаются друг от друга. Разница лишь в том, что в рассматривае­ мом способе по каналам шланга подается не только сварочная про­ волока, но и защитный газ (С02, аргон или смесь газов).

Полуавтоматы для сварки в защитных газах, как и полуавтоматы для сварки под флюсом, выполняются обычно в виде портативных переносных аппаратов-инструментов, являющихся промежуточным звеном между сварочным автоматом и ручным инструментом. Они представляют собой, так называемую, малую механизацию, обладаю­ щую универсальностью и маневренностью, почти такой же, как при ручной сварке.

Основное различие между автоматической и полуавтоматической сваркой заключается в разных уровнях механизации и автомати­ зации. Производительность автоматической сварки под флюсом в 3— 11 раз выше ручной. Следовательно, ее коэффициент производи­ тельности П = 3 -г- 11 и соответственно уровень локальной механи­

62

Однако далеко не всегда можно и целесообразно заменять полу­ автоматическую сварку автоматической, особенно при недостаточ­ ной технологичности свариваемых изделий. Например, автоматиче­ скую сварку нельзя применять для наложения швов в труднодоступ­ ных местах сварной конструкции, она может быть не эффективна для выполнения коротких швов в изделиях единичного и мелкосе­ рийного производства, а также криволинейных швов и др.

Преимущества полуавтоматической сварки в защитных газах: 1) повышение производительности по сравнению с ручной в 1,2— 1,5 раза, а при сварке порошковой проволокой — в 1,6—

2,0 раза;

2)возможность сварки в любом пространственном положении;

3)возможность сварки стыковых швов на весу;

4)возможность и целесообразность сварки малокалиберных швов

иизделий малой толщины;

5)высокая маневренность и мобильность по сравнению с автома­ тической сваркой;

6)возможность визуального контроля за направлением дуги по

шву.

Недостатки:

1) сильное разбрызгивание металла при сварке на токах 200— 400 а и необходимость удаления брызг с поверхности изделия. Этот недостаток не относится к сварке порошковой, а также сплошной проволокой в специальной смеси газов или в аргоне;

2)низкая производительность труда, в отдельных случаях не превышает производительность ручной сварки (если много времени затрачивается на удаление брызг);

3)затруднено использование на открытом воздухе — на ветру из-за сдувания защитного газа;

4)внешний (товарный) вид швов хуже, чем при сварке под флюсом.

Области рационального применения:

1.В единичном, мелкосерийном, реже в серийном производстве.

2.Сварка в аргоне (или в смеси аргона с другими газами) тон­ колистовых изделий из высоколегированных сталей, а также алю­ миниевых и титановых сплавов.

3.Преимущественно для сварки малокалиберных швов в любом

ЭЛЕКТРОЗАКЛЕПОЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

При сварке электрозаклепками в большинстве случаев при­ меняется дуговой процесс без перемещения дуги и без подачи электродной проволоки в зону дуги. Схема процесса без подачи

63

электрода представлена на рис. 7. Электродная проволока или стер­ жень из электродной проволоки диаметром от 3 до 6 мм укрепля­ ется в специальном держателе ■— электрозаклепочнике с контакт­ ным наконечником и закорачивается на изделии в месте постановки заклепки. Затем вся зона вокруг электрода засыпается флюсом. Напряжение от источника питания постоянного или переменного

Рис. 7. Схема сварки электрозаклепками:

а — сварка под флюсом (/ — положение перед сваркой; 2 — процесс свар­ ки; 3 — конец процесса); б —• сварка покрытым электродом (/ — положе­ ние перед сваркой; 2 — образование полости; 3 — заварка полости).

тока подводится к свариваемой детали и к электроду (через токо­ подводящий наконечник заклепочника). При включении тока про­ исходит расплавление конца электрода в месте его контакта со сва­ риваемым изделием. Возбуждается дуга, которая, оплавляя конец электрода и заваривая заклепку, удлиняется до тех пор, пока не наступит ее естественный обрыв.

Постановка такой электрозаклепки может производиться как без отверстия в привариваемом листе, так и по отверстию. В первом случае происходит сквозное проплавление верхнего листа и разплавление поверхности нижнего, как это бывает при сварке прорез­

64

ного шва. Во втором случае—• заплавляется отверстие в верхнем листе и проплавляется поверхность нижнего.

Первый способ дешевле, так как не требует предварительной пробивки отверстий. Кроме того, он не требователен к точности установки электрода на изделие, так как эта операция не связана с дислокацией отверстий в верхнем листе. Однако применение это­ го способа лимитируется толщиной верхнего листа; при толщинах свыше 6—8 мм требуется слишком большой ток для сквозного про­

плавления листов и способ становится невыгодным или невоз­ можным. Поэтому при толщинах свыше ß —8 мм предпочитают, постановку электрозаклепок по отверстиям в верхнем листе.

Сварка электрозаклепками производится с помощью переносных или стационарных электрозаклепочнйков. В’ серийном и массовом производстве применяют специализированные машины для сварки нескольких электрозаклепок — многоэлектродные или многоточеч­ ные машины, имеющие большую производительность и высокую сте­ пень автоматизации процесса. Наиболее проста многоточечная (многоэлектродиая) установка (рис. 8) с автоматически действую­ щей коммутацией. Для нее характерно отсутствие коммутационных устройств и изоляции между электродами. Последовательное, по­ очередное включение электродов достигается автоматически, есте­ ственным процессом. Электроды 4 подключаются к общему проводу 5 сварочного трансформатора 2 через дроссель 3. Параллельно транс­ форматору подключен осциллятор 1. Между электродами и изде­ лием 6 имеется зазор. При включении трансформатора и осциллятора дуга возбуждается искровым разрядом там, где зазор несколько меньше или где вообще лучше условия для искрового разряда. Во время горения одной дуги исключается возможность параллель­ ного возникновения дугового разряда на другом электроде, так как

выход осциллятора зашунтирован горящей дугой и сопротивлением ее шлаковой оболочки. Дуга загорится на каком-либо другом элект­ роде, находящемся на наименьшем расстоянии от изделия, только после естественного обрыва первой дуги. Такая последовательность возбуждения дуги сохраняется до тех пор, пока дуга не обойдет все электроды. Разумеется, при этом очередность постановки заклепок будет неопределенной (вероятностной) если, конечно, номиналь­ ная величина электродного зазора будет везде одинаковой.

Существуют также многоэлектродные машины с принудитель­ ной коммутацией, задающей определенный порядок постановки электрозаклепок, а в некоторых системах и определенное время горения дуги. Конструкция таких машин значительно сложнее вследствие наличия коммутационного устройства и изоляции между электродами. Качество и размеры электрозаклепок при такой си­ стеме более стабильны и однородны.

Электрозаклепочники, как и многозаклепочные машины, в боль­ шинстве распространенных систем предназначены для сварки под флюсом, однако в последнее время получило также распростране­ ние электрозаклепочное оборудование для сварки в защитных га­ зах (С02 или аргона).

Сварка электрозаклепками может осуществляться и тонкой электродной проволокой с подачей электрода в зону дуги, напри­ мер, при помощи обычного сварочного полуавтомата. Процесс свар­ ки в этом случае отличается от процесса сварки протяженных швов только отсутствием перемещения дуги вдоль свариваемого из­ делия.

Более совершенны электрозаклепочники и многоэлектродные машины с автоматически регулируемой скоростью подачи электро­ да, изменяемой по заранее заданной программе, что позволяет обес­ печить более высокое качество сварки и точность заданных разме­ ров электрозаклепки.

Сварка электрозаклепками может также производиться непла­ вящимся вольфрамовым электродом с присадочной проволокой или без нее в защитной среде аргона или смеси газов.

В настоящее время существует много различных модификаций электрозаклепочной сварки, отличающихся между собой не только характером сварочного процесса и типом сварочного оборудования, но и конструкцией самой электрозаклепки и сварного соединения, например, сварка электрозаклепками стыкового соединения на под­ кладке; сварка нахлесточных швов с постановкой заклепок по кром­ ке листа методом оплавления кромки; сварка угловыми электро­ заклепками втавр; сварка кольцевыми или овальными заклепками, когда электроду во время подачи его в зону дуги сообщается круго­ вое или овальное движение. Все эти модификации существенно

66

расширяют область применения электрозаклепочной сварки, особен­ но многоэлектродной.

Преимущества сварки электрозаклепками:

1)высокая по сравнению с ручной сваркой производительность, хотя и уступающая контактной точечной сварке;

2)менее требовательна по сравнению с контактной точечной свар­ кой к чистоте свариваемых поверхностей;

3)малые остаточные деформации (коробление) по сравнению со сваркой сплошным швом;

4)простота и автоматичность процесса;

5)возможность полной автоматизации технологического процес­ са и создания высокопроизводительных автоматизированных много­ электродных машин и линий.

Недостатки:

1)прерывистость и нестационарность процесса; сварка почти все время происходит в неустановившемся режиме (за 1—3 сек проис­ ходит возбуждение дуги, сварка и обрыв дуги);

2)зависимость качества и размеров ядра электрозаклепки (особен­ но «прорезной») от зазора между свариваемыми поверхностями, плот­ ности их сопряжения и чистоты;

3)негерметичность сварных соединений и неравнопрочность с

основным металлом, свойственные любому прерывистому шву;

4)пониженная динамическая прочность сварных соединений вследствие наличия концентраторов напряжений в месте сопряже­ ния листов (аналогично контактной точечной сварке);

5)затруднен контроль качества и размеров сварной точки (ак­ тивного ядра) при «прорезных» электрозаклепках;

6)требуются добавочные операции по пробивке отверстий и усложняется установка электродов точно по оси отверстий при свар­ ке заклепок по отверстиям (не прорезных).

Области рационального применения:

1.Любое (единичное, серийное, массовое) производство сталь­ ных щитовых конструкций, в которых лист присоединяется к раме или каркасу нахлесточным точечным швом и к которым не предъявляются требования герметичности и высокой прочности. Толщина листа от 1 до 6 мм.

2.Наиболее эффективно применение в вагоностроении, сельхоз­ машиностроении, автомобилестроении, особенно в виде специали­ зированных многоэлектродных машин с программным управлением.

3.При изготовлении листовых конструкций из горячекатано­ го металла, который нельзя сваривать контактной точечной сваркой без удаления окалины и очистки свариваемых поверхностей.

СВАРКА С Ж А ТО Й ДУГОЙ (ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ)

Одной из разновидностей дуговой сварки неплавящимся элект­ родом является сварка сжатой дугой или плазменно-дуговая сварка.

При этом методе используется одно из важнейших свойств дуго­ вого разряда — повышение плотности энергии и температуры стол­ ба дуги при искусственном сжатии и охлаждении его наружных слоев. Схема процесса представлена на рис. 9. Дуговой разряд воз­ никает между вольфрамо­ вым и медным электродом (соплом), подсоединенными к источнику постоянного тока (дуга косвенногодейст­ вия, рис. 9, б), или между вольфрамовым электродом и основным металлом (дуга прямого действия, рис. 9, а).

Вдоль столба дуги через ка­ нал в концентричном мед­

рый сжимает столб дуги, что приводит к повышению его температуры до 15 000° С при дуге косвен­ ного действия и до 33 000° С при дуге прямого действия, и образует плазменную струю. Сжатая дуга является весьма концентрирован­ ным источником теплоты. Газ в столбе дуги находится в состоянии плазмы, которая характеризуется высокой степенью ионизации и значительной электропроводностью ионизированного газа.

Плазменная струя, выходя из сопла, расширяется и вытяги­ вается в виде длинного луча (до 300 мм), который используется для нагрева и расплавления металла. Для защиты сварочной ванны от окружающего воздуха вокруг сжатой дуги, концентрично с ней, подается через кольцевое сопло дополнительный защитный газ (ар­ гон, С02). Возможна также защита зоны дуги и флюсом.

Сварка осуществляется при помощи плазменной горелки или плазмотрона (рис. 9). Сжатая дуга (плазменная струя) применяется также для резки металлов.

68

ВИБРОДУГОВАЯ СВАРКА И НАПЛАВКА

Разновидностью стационарного дугового процесса является пре­ рывистый дуговой процесс, получивший название вибродугового (рис. 10). При помощи электромагнитного или другого механизма электродная проволока диаметром 1,5—2 мм периодически подает­ ся к изделию и отводится от него, совершая осевые колебательные движения (вибрацию) с амплитудой 1,2—2,5 мм. К электроду и изделию подводится напряжение от источника постоянного или пере­ менного тока. В конечный момент подачи электрода к изделию про-

Рис. 10. Схема вибродуговой наплавки:

а — схема процесса (/ — наплавляемая деталь; 2 — сопло для подачи охлаж­ дающей жидкости на деталь; 3 — сопло для подачи охлаждающей жидкости в

зону дуги; 4 — электродная проволока; 5 — механизм подачи электродной про­ волоки; 6 — электромагнит, осуществляющий вибрацию электрода); б — осцнло-

грамма процесса (/ — кривая напряжения; 2 — кривая тока).

исходит короткое замыкание сварочной цепи. В этот период за счет теплоты Джоуля — Ленца, выделяемой в месте контакта электро­ да с изделием, образуется перемычка из жидкого металла. В следую­ щий момент при принудительном отходе электрода от изделия пере­ мычка разрывается и возникает дуговой разряд. В период дугового разряда происходит плавление основного и электродного металлов и перенос электродного металла на изделие. По мере отхода конца электрода от изделия дуга растягивается и обрывается. Продолжи­ тельность горения дуги может изменяться в зависимости от харак­ теристики источника питания. Дойдя до крайнего положения, элект­ род начинает снова приближаться к изделию, пока не наступит вновь короткое замыкание. Далее процесс повторяется в той же последовательности.

Основное количество теплоты, идущей на плавление металла, выделяется в период дугового разряда. По сути рассматриваемый процесс является искусственно растянутым во времени начальным периодом образования дугового разряда.

Процесс ведется при напряжении 12—25 в и токе 100—250 а. Для охлаждения детали и защиты сварочной ванны от окружающе­ го воздуха на деталь и к месту сварки (наплавки) через специальные

69