Технология конструкционных материалов
.pdf390 |
Раздел V. Сварочное производство |
а |
б |
Рис. 18.8. Трансформатор с увеличенным магнитным рассеянием: а —электромагнитная схема; б —распределение магнитных потоков
Трансформаторы с подвижными элементами рассчитаны на не большие силы тока, обычно до 500А. Более мощные трансформаторы выпускают с магнитными шунтами.
Изменяя расстояние между катушками, положение шунта в окне магнитопровода или подмагничивая управляемый шунт, производят плавное регулирование сварочного тока. Например, увеличением расстояния между катушками увеличивают индуктивное сопротив ление рассеяния, а ток — уменьшают. Уменьшение расстояния при водит к увеличению тока.
Ступенчатое регулирование тока осуществляется путем переклю чения секций первичной и вторичной обмоток.
Втрансформаторахс нормальныммагнитнымрассеянием (рис. 18.9) первичная Ж, и вторичная W2обмотки располагаются на магнитопроводе в одной плоскости. Благодаря такому размещению магнитные потоки рассеяния минимальны. Индуктивное сопротивление транс форматора незначительно. Для получения падающей характеристики
вцепьдуги последовательно с вторичной обмоткой включают допол нительную реактивную катушку с регулируемым индуктивным со противлением Wp.
Взависимости от расположения реактивной катушки различают трансформаторы с совмещенной реактивной катушкой (трансфор маторы типа СТН) и с отдельной реактивной катушкой (трансформа торы типа СТЭ).
Глава 18. Сварка плавлением |
391 |
а |
б |
Рис. 18.9. Трансформаторыс нормальным магнитным рассеянием:
а — электромагнитная схема трансформатора с совмещенной магнитной ка тушкой; б— то же, с отдельной реактивной катушкой
Регулирование величины индуктивного сопротивления и соответ ственно сварочного тока производится путем изменения воздушного зазора 8. При минимальных зазорах обеспечивается максимальное ин дуктивное сопротивление катушки и минимальный ток, и наоборот.
Сварочные выпрямители применяются для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, механизированной дуговой сварки под флю сом и в защитных газах. Выпрямители состоят из следующих элемен тов: трансформатора, выпрямительного пускорегулирующего блока, измерительной и защитной аппаратуры.
В выпрямителях используются трехфазные понижающие транс форматоры, аналогичные по принципу действия однофазным сва рочным трансформаторам. Внешняя вольт-амперная характеристика выпрямителей определяется вольт-амперной характеристикой транс форматора.
Выпрямительные блоки собираются по трехфазной мостовой схе ме из полупроводниковых неуправляемых (диодов) и управляемых (тиристоров)вентилей.
Выпрямители, имеющие жесткую характеристику, состоят из транс форматора с нормальным рассеянием Тр, нерегулируемого выпрями тельного блока Вб и специального дросселя насыщения Др (рис. 18.10), который включается во вторичную цепь между трансформатором и выпрямительным блоком.
392 |
Раздел V. Сварочное производство |
Рис. 18.10. Электрическая схема выпрямителя с дросселем насыщения
Такую конструкцию имеют сварочные выпрямители ВДГ-302. Регу лирование напряжения в них плавно-ступенчатое. Ступенчатое регу лирование осуществляется за счет секционирования первичной обмот ки, плавное — за счет изменения тока в обмотке управления дросселя. Применяются эти выпрямители для сварки в С02.
Универсальными являются выпрямители, которые имеют регули руемый тиристорный выпрямительный блок, позволяющий обеспе чить жесткую, пологопадающую и крутопадающую характеристики. Тиристорный блок используется в качестве регуляторов тока. К уни версальным относятся сварочные выпрямители ВДУ-305, ВДУ-506, применяемые для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, сварки в С02 и под флюсом.
Сварочные генераторы применяются для ручной дуговой сварки покрытым электродом, сварки под флюсом и сварки в защитных га зах. Взависимости от назначения они могут иметь падающую или же сткую внешнюю вольт-амперную характеристику.
Генератор приводится в действие с помощью привода. Если ис пользуется приводной электродвигатель, то генератор называется сварочным преобразователем, если двигатель внутреннего сгорания —
сварочным агрегатом.
Генератор может иметь две электрические схемы (рис. 18.11):
□с независимым возбуждением и последовательной размагни чивающей обмоткой РО;
□с параллельной намагничивающей НО и последовательной раз магничивающей РО обмотками.
По первой схеме намагничивающая обмотка независимого возбу ждения НО питается от постороннего источника постоянного тока, по второй — параллельная намагничивающая обмотка НО или, ина че, обмотка самовозбуждения питается от основной и вспомогатель ной щеток.
Глава 18. Сварка плавлением |
393 |
а |
б |
Р
В-Ст 1 Ю ф.
0- 0 + 0
Рис. 18.11. Принципиальные электрические схемы сварочных генераторов: а — с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой; б — с параллельной намагничивающей и последовательной раз магничивающей обмотками
При протекании намагничивающего тока в генераторах образует ся намагничивающий поток Фн. Изменяя ток намагничивания в цепи возбуждения с помощью реостата, осуществляют плавное регулиро вание напряжения холостого хода, а следовательно, и режима работы.
При сварке, когда сварочный ток проходит через последовательную размагничивающую обмотку РО, создается поток Фр, который направ лен навстречу потоку Фн. Результирующий поток уменьшится, одно временно снизится напряжение на зажимах генератора, т. е. обеспечи вается рабочее напряжение дуги.
Источники питания дуги постоянным током (выпрямители и гене раторы) обладают следующими преимуществами перед источниками переменного тока:
□более устойчивое горение дуги из-за отсутствия затуханий, свя занных с изменением полярности переменного тока;
□высокое качество сварки благодаря высокой стабильности дуги постоянного тока;
□возможность применения всех выпускаемых промышленностью марок электродов, в то время как для сварки переменным током элек троды некоторых марок непригодны;
□меньшая чувствительность к колебаниям напряжения в сети;
□сварочные агрегаты удобны для использования в местах, где
отсутствует электроэнергия.
394 |
Раздел V. Сварочное производство |
18.4. Ручнаядуговаясварка
Разработка способов дуговой сварки находится в тесной связи с от крытием явления электрической дуги, сделанным в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым, который указал на возможность приме нения дугового разряда для расплавления металлов. Первое прак тическое применение дуги для целей сварки принадлежит русскому инженеру Н.Н. Бенардосу, который в 1882 г. предложил способ со единения металлических частей с помощью электрической дуги, го рящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием (рис. 18.12).
Рис. 18.12. Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом (по способу Н.Н. Бенардоса)
Русский инженер Н.Г. Славянов в 1889 г. усовершенствовал про цесс сварки, предложенный Н.Н. Бенардосом, заменив неплавящийся угольный электрод плавящимся металлическим (рис. 18.13).
Предложенные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы ду говой сварки неплавящимся угольным и плавящимся металлическим электродами легли в основу наиболее распространенных способов дуговой сварки. Усовершенствование предложенных способов дуго вой сварки шло по двум направлениям:
□изысканию средств защиты и металлургической обработки ме талла сварочной ванны;
□автоматизации процесса сварки.
Наиболее широкое применение нашла ручная дуговая сварка по крытыми электродами. Ручнуюдуговую сварку выполняют сварочны ми электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль
Глава 18. Сварка плавлением |
395 |
свариваемых заготовок. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 18.14) дуга 8 горит между стержнем электрода 7иосновным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосфе ру 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплав ленного металла. Металлическая и шлаковая ванны образуют свароч ную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 2.
д
Рис. 18.13. Ручная дуговая сварка плавящимся электродом (по способу Н.Г. Славянова)
Рис. 18.14. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом
396 Раздел V. Сварочное производство
Электроды для ручной сварки представляют собой стержни из сварочной проволоки с нанесенными на них покрытиями. Свароч ная стальная проволока в зависимости от состава разделяется на три группы: низкоуглеродистая (Св-08, Св-08А, Св-08ГА и др.), легиро ванная (Св-08Г2С, Св-10Х5М, Св-18ХМАи др.), высоколегирован ная (Св-06Х14, Св-04Х19Н9, Св-08Н50 и др.).
Покрытия электродов предназначены для обеспечения стабиль ного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздействия воздуха и получения металла заданного состава и свойств. В состав покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие со ставляющие.
Газовая защита зоны сварки и расплавленного металла создается при сгорании газообразующих веществ и предохраняет расплавлен ный металл от воздействия кислорода воздуха. В качестве таких ве ществ в покрытие вводят органические соединения — древесную муку, декстрин, целлюлозу, крахмал и т. п.
Шлаковая зашита предохраняет расплавленный металл от кисло рода и азота воздуха путем образования шлаковых оболочек на по верхности капель электродного металла и расплавленного металла шва. Шлак уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствует выходу из него газовых и неметаллических включе ний. Шлакообразующими веществами покрытий являются титано вый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок, доломит, полевой шпат и т. п.
Раскисление металла сварочной ванны осуществляется элемента ми, обладающими большим сродством с кислородом, чем железо. К ним относятся марганец, титан, молибден, хром, кремний, алюми ний и углерод.
Легирование металла шва проводится для придания специальных свойств наплавленному металлу. Наиболее часто для этого применя ют хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, титан. Эти элемен ты вводятся и в покрытие, и в стержень электрода.
Для закрепления покрытия настержнеэлектрода используют связую щие компоненты (жидкое стекло, желатин, декстрин, пластмассы идр.).
По видам покрытий электроды подразделяются на электроды с кис лым покрытием (А), основным покрытием (Б), целлюлозным покры тием (Ц), рутиловым покрытием (Р), прочими видами покрытия (П).
Глава 18. Сварка плавлением |
397 |
Кислые покрытия содержат оксиды кремния, руды железа и мар ганца, полевой шпат, ферромарганец, крахмал, декстрин и др. Элек троды с такими покрытиями обладают хорошими технологическими свойствами, сварка ими возможна на постоянном и переменном то ках во всех положениях. Однако эти электроды токсичны из-за выде ления значительного количества соединений марганца, что ограни чивает их применение.
Основные покрытия содержат мрамор, мел, магнезит, плавиковый шпат, ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, калиевое жидкое стекло, поташ и др. Сварку ими выполняют на постоянном токе об ратной полярности во всех пространственных положениях. Приме няют для сварки ответственных конструкций из сталей всех классов.
Рутиловые покрытия содержат рутиловый концентрат ТЮ2, поле вой шпат, мрамор, ферромарганец и др. Они обладают высокими тех нологическими свойствами, пригодны для сварки во всех простран ственных положениях на постоянном и переменном токах. Применя ются для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Целлюлозные покрытия содержат целлюлозу, рутиловый концен трат и ферросплавы. Применяют в тех же случаях, что и рутиловые.
Электроды также подразделяются на типы в зависимости от меха нических свойств металла шва (для конструкционных сталей) и меха нических свойств и химического состава металла шва (для теплоус тойчивых и высоколегированных сталей).
Каждому типу электродов для сварки конструкционных, теплоус тойчивых и высоколегированных сталей может соответствовать не сколько марок электродов.
Наиболее применимы электроды с диаметром стержня 3,4,5,6 мм, которые выпускаются длиной 300, 350, 450 мм.
Для получения сварного соединения требуемых размеров, формы и качества устанавливается режим сварки, т. е. основные показатели, определяющие процесс сварки. К этим показателям при ручной дуго вой сварке относятся марка электрода, его диаметр, сила и род сва рочного тока, скорость сварки.
Химический состав свариваемого металла определяет тип я марку электродов.
Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свари ваемого металла и положения шва в пространстве. При нижнем поло жении шва диаметр электрода можно определить, руководствуясь со отношением диаметра электрода и толщины свариваемого металла.
398 Раздел V. Сварочное производство
Толщина свариваемого |
Диаметр |
металла, мм |
электрода, мм |
1...2 |
2...3 |
3...5 |
3...4 |
4...10 |
4...5 |
12...24 |
5...6 |
Сварку швов в вертикальном и потолочном положении выполня ют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм.
Важной характеристикой режима сварки является сила сварочно го тока (А), которую для сварки в нижнем положении электродами 3...6 мм можно определить по выражению
/ с в = ( 2 0 + 6 < / Х ,
где (1Ъ—диаметр электрода, мм.
При сварке в вертикальном и потолочном положениях сила тока выбирается на 10...20 % ниже, чем для сварки в нижнем положении.
Род и полярность тока определяют в зависимости от выбранной марки электродов.
Основными характеристиками процесса плавления электрода яв ляется количество расплавленного металла q3и относительные поте ри \|/ (коэффициент потерь) электродного металла в процессе сварки из-за разбрызгивания, испарения и окисления.
Количестворасплавленного металла q3определяется по выражению
<7э — Л в
где а р — коэффициент расплавления, г/(А ч); /св — сила тока свар ки, А; / — время горения дуги, ч.
Коэффициент расплавления ¥ зависит от материала электродного стержня, состава покрытия электрода, рода и полярности тока. Поте ри металла в процессе сварки определяются по выражению
xj/ _ ?э
<1э
где <7Н— количество наплавленного металла, г, которое можно опреде лить по формуле
Ун « н ^св ^
где а н — коэффициент наплавки, г/(А-ч).
Глава 18. Сварка плавлением |
399 |
Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления из-за потерь металла при сварке и колеблется в пределах 7... 15 г/(А-ч) для различных марок электродов.
Коэффициент потерь при сварке покрытыми электродами равен 5...10 %.
Количество наплавленного металла за определенный период ха рактеризует производительность процесса сварки.
Скорость сварки (перемещения дуги) зависит от размеров сварного шва, коэффициента наплавки и величины сварочного тока.
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Рис. 18.15. Колебательные движения электродом во время сварки
Для формирования сварных швов стабильных размеров рекомен дуется осуществлять поперечные и продольные колебания электрода, при этом амплитуда поперечного колебания не должна превышать 2...4 диаметра электрода (рис. 18.15). Траектории перемещения 1 ,2,3 применяют наиболее часто, траекторию 4 использует для лучшего проплавления середины шва, траекторию 5 — для лучшего проплав ления кромок.
18.5.Сварка подфлюсом
Сущность процесса дуговой сварки под флюсом заключается в при менении непокрытой электродной проволоки и флюса для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха (рис. 18.16). Электрическая дуга 1 горит между свариваемым изделием 9 и электродной проволокой 3 под слоем гранулированного сыпучего флюса 2, насыпаемого впереди дуги. Врезультате горения дуги расплавляются кромки основного ме талла, электродная проволока и часть флюса, примыкающая к зоне сварки. В зоне сварки образуется газовый пузырь 8, заполненный па рами металла и газами. Сверху пузырь ограничен пленкой расплав