Источники питания сварочной дуги. Показатели,по которым осуществляется выбор источников питания сварочной дуги

1.Источники питания сварочной дуги. Показатели,по которым осуществляется выбор источников питания сварочной дуги.

Источники питания  электрической сварочной дуги разделяются по следующим признакам:

1) по роду тока — источники постоянного тока (преобразователи, агрегаты и выпрямители) и переменного тока (сварочные трансформаторы);

2) по числу одновременно подключаемых сварочных постов — однопостовые и многопостовые;

3) по назначению — источники для ручной сварки открытой дугой, автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, сварки в защитных газах, электрошлаковой сварки и плазменной резки и источники тока специального назначения (сварка трехфазной дугой, многодуговая сварка и пр.);

4) по принципу действия и конструктивному выполнению:

сварочные трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и отдельным дросселем (реактивной катушкой) на отдельном или общем сердечнике:

сварочные трансформаторы с искусственно увеличенным магнитным  рассеянием — с подвижным магнитным шунтом и подвижными обмотками;

преобразователи — с независимой намагничивающей и последовательной размагничивающей обмотками, с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками, с расщепленными полюсами, с жесткой характеристикой, универсальные;

агрегаты — генераторы с двигателями внутреннего сгорания;

сварочные выпрямители —  с селеновыми вентилями, с кремниевыми  вентилями, многопостовые, однопостовые, с падающими или жесткими характеристиками, универсальные.

Устойчивое горение дуги возможно в том случае, если источники сварочного тока будут обладать падающей внешней характеристикой, т е. когда напряжение на зажимах источника будет снижаться при увеличении силы тока;

5) по характеру привода — источники с электрическим приводом и независимым приводом   (от двигателя внутреннего сгорания);

6) по способу установки и монтажа — стационарные и передвижные.

Выбор источника питания  сварочной дуги обусловливается  способом сварки, характером производства, свойствами свариваемых металлов, условиями  работы источника, применяемыми электродами.

Для ручной дуговой сварки применяют любые источники питания  с крутопадающей внешней характеристикой; для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом — источники питания большой мощности с пологопадающими, а иногда с жесткими характеристиками; для сварки в среде газообразной двуокиси углерода (углекислого газа) — источники питания постоянного тока с жесткими или возрастающими характеристиками.

Стационарные сварочные  посты в цехах и мастерских обычно питаются от многопостовых источников питания (преобразователей или выпрямителей); сварочные посты, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, комплектуют однопостовыми источниками питания.

Конструкции из малоуглеродистых сталей можно сваривать дугой, питающейся от любого источника; изделия из легированных сталей требуют применения сварки постоянным током при обратной полярности; источники постоянного тока используют также для сварки цветных металлов, чугуна, для наплавки и плазменной резки.

Для сварочных  работ в закрытых, отапливаемых помещениях целесообразно использовать сварочные выпрямители, более чувствительные к температурным изменениям; на открытом воздухе лучше эксплуатировать преобразователи и трансформаторы. Универсальные источники питания применяют там, где часто изменяется характер свариваемых изделий. В местах, где отсутствуют электрические сети (в полевых условиях), используют сварочные агрегаты (с двигателями внутреннего сгорания); эти же агрегаты можно применять для сварки ответственных конструкций в тех случаях, когда сильно колеблется напряжение питающей сети. Для работы в условиях повышенной влажности и тропического климата используют специальные источники.

Источники питания сварочной  дуги должны обеспечивать легкое зажигание  и стабильное (устойчивое) горение  дуги в процессе сварки.

Основными техническими показателями источников питания сварочной  дуги являются: внешняя характеристика, напряжение холостого хода, относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (Г1В) в прерывистом режиме.

Внешняя характеристика источников питания (сварочного трансформатора, выпрямителя и генератора) — это зависимость напряжения на выходных зажимах от величины тока нагрузки. Зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме называется вольт-амперной характеристикой дуги.

Рис.1.Внешние  характеристики источников питания: 1-крутопадающая внешняя характеристика; 2-пологопадающая; 3-жесткая; 4-пологовозрастающая.

Внешние характеристики источников питания сварочной дуги показаны на рис. 1. Внешние характеристики сварочных генераторов, показанные на рис. 1 (кривые1и 2),являются падающими.

Чем круче характеристика, тем лучше стабильность горения  дуги, так как при крутопадающей  характеристике с изменением длины  сварочной дуги величина сварочного тока уменьшается Незначительно. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. При одинаковом падении напряжения (изменении длины дуги) изменение сварочного тока неодинаково при неодинаковых внешних характеристиках источника. Чем круче, характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину б при крутопадающей характеристике изменение тока равно а₁, при пологопадающей — а₂.

Для обеспечения стабильного горения дуги необходимо, чтобы характеристика сварочной дуги пересекалась с характеристикой источника питания (рис. 2).

В момент зажигания  дуги (рис. 2, а) напряжение падает по кривой от точки 1 до точки 2— до пересечения с характеристикой генератора, т.е. до положения, когда электрод отводится от поверхности основного металла. При удлинении дуги до 3—5ммнапряжение возрастает по кривой 2—3 (в точке 3 осуществляется устойчивое горение дуги). Обычно ток короткого замыкания превышает рабочий ток, но не более чем в 1,5 раза. Время восстановления напряжения после короткого замыкания до напряжения дуги не должно превышать 0,05сек,этой величиной оцениваются динамические свойства источника.

Рис.2.Внешние  характеристики источников питания  и сварочной дуги( а -сплошная линия-генератора, пунктирная-дуги в момент возбуждения, штрих-пунктирная-дуги при горении), характеристики источников питания сварочной дуги(б).

На рис. 2, б показаны падающие характеристики 1 и 2 источника питания при жесткой характеристике дуги 3, наиболее приемлемой при ручной дуговой сварке.

Напряжение  холостого хода (без нагрузки в  сварочной цепи) при падающих внешних  характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что способствует значительному облегчению первоначального и повторного зажигания дуги. Напряжение холостого хода не должно превышать 75А при номинальном рабочем напряжении 30в(повышение напряжения облегчает зажигание дуги, но одновременно увеличивается опасность поражения сварщика током). Для постоянного тока напряжение зажигания должно быть не менее 30—35в,а для переменного тока 50—55в. Согласно ГОСТ 7012—69 для трансформаторов, рассчитанных на сварочный ток 2000а,напряжение холостого хода не должно превышать 80в.

Повышение напряжения холостого хода источника переменного тока приводит к снижению косинуса «фи». Иначе говоря, увеличение напряжения холостого хода снижает коэффициент полезного действия источника питания.

Источник питания  для ручной дуговой сварки плавящимся электродом и автоматической сварки под флюсом должен иметь падающую внешнюю характеристику. Жесткая характеристика источников питания (рис. 1, кривая 3) необходима при выполнении сварки в защитных газах (аргоне, углекислом газе, гелии) и некоторыми видами порошковых проволок, например ЭПС-15/2. Для сварки в защитных газах допустимы также источники питания с пологовозрастающими внешними характеристиками (рис. 1, кривая 4).

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме характеризуют повторно-кратковременный режим работы источника питания.

Величина ПР определяется как отношение продолжительности  рабочего периода источника питания к длительности полного • цикла работы и выражается в процентах

ПР%=t_p/t_u*100%,

Где t_p-непрерывная работа под нагрузкой,t_u-длительность полного цикла.Условно принято,что в среднем t_p=3 мин.,а t_u=5 мин.,следовательно, оптимальная величина ПР% принята 60%

Различие между  ПР% и ПВ% состоит в том, что в первом случае источник питания во время паузы не отключается от сети и при разомкнутой сварочной цепи работает на холостом ходу, а во втором случае источник питания полностью отключается от сети.

2.В чем заключается подготовка металлов под сварку?

Подготовка  поверхности металла под сварку. При подготовке деталей под сварку поступающий металл подвергается правке, разметке, наметке, резке, подготовке кромок под сварку, холодной или горячей гибке.

Металл  правят либо вручную, либо на различных листоправильных вальцах. Ручную правку выполняют на чугунных или стальных правильных плитах ударами кувалды или с помощью ручного винтового пресса. Угловая сталь правится на правильных вальцах (прессах), двутавры и швеллеры - на приводных или ручных правильных прессах.

Разметка  и наметка - это такие операции, которые определяют конфигурацию будущей детали. Механическая резка применяется для прямолинейного реза листов, а иногда для криволинейного реза листов с использованием для этой цели роликовых ножниц с дисковыми ножами. Углеродистые стали разрезают газокислородной и плазменно-дуговой резкой. Эти способы могут быть ручными и механизированными. Для резки легированных сталей, цветных металлов может применяться газофлюсовая или плазменно-дуговая резка.

Удаление  загрязнений.Основной металл и присадочный материал перед сваркой должны быть тщательно очищены от ржавчины, масла, влаги, окалины и различного рода неметаллических загрязнений. Наличие указанных загрязнений приводит к образованию в сварных швах пор, трещин, шлаковых включений, что приводит к снижению прочности и плотности сварного соединения.

Рис.3. . Элементы геометрической формы подготовки кромок под сварку (а) и шва (б):в - ширина шва, h - высота шва, К - катет шва.

Подготовка кромок под сварку. К элементам геометрической формы подготовки кромок под сварку (рис. 3) относятся угол разделки кромок α, притупление кромок S, длина скоса листа L при наличии разности толщин металла, смещение кромок относительно друг друга б, зазор между стыкуемыми кромками а.

Угол разделки кромок выполняется при толщине  металла более 3 мм, поскольку се отсутствие (разделки кромок) может привести к непровару по сечению сварного соединения, а также к перегреву и пережогу металла; при отсутствии разделки кромок для обеспечения провара электросварщик должен увеличивать величину сварочного тока.

Разделка кромок позволяет вести сварку отдельными слоями небольшого сечения, что улучшает структуру сварного соединения и уменьшает возникновение сварочных напряжений и деформаций.

Зазор, правильно установленный  перед сваркой, позволяет обеспечить полный провар по сечению соединения при наложении первого (корневого) слоя шва, если подобран соответствующий режим сварки.

Длиной скоса  листа регулируется плавный переход  от толстой свариваемой детали к  более тонкой, устраняются концентраторы  напряжений в сварных конструкциях.

Притупление кромок выполняется для обеспечения  устойчивого ведения процесса сварки при выполнении корневого слоя шва. Отсутствие притупления способствует образованию прожогов при сварке.

Смещение кромок создает дополнительные сварочные  деформации и напряжения, тем самым ухудшая прочностные свойства сварного соединения. Смещение кромок регламентируется либо ГОСТами, либо техническими условиями. Кроме того, смещение кромок не позволяет получать монолитного сварного шва по сечению свариваемых кромок.

ГОСТ 5264-80 предусматривает  для угловых соединений формы подготовленных кромок, представленные  на рис. 4; для стыковых соединений -на рис. 5; тавровых - на рис. 6 и нахлесточных - на рис. 7.

Рис.4.форма подготовленных кромок под сварку для угловых соединений.

Рис.6.Форма подготовленных кромок под сварку для тавровых соединений.

 Рис.7.Форма подготовленных кромок для на-                                                                                                                                                                                         
                                                              хлесточных соединений.

Рис.5.Форма подготовленных кромок для стыковых соединений.

3..Автоматическая сварка под флюсом, сравнить с ручной дуговой сваркой.

Среди различных  существующих способов механизированной сварки с применением флюса наибольшее распространение получила электродуговая сварка под флюсом. Сварочная дуга горит между изделием и торцом сварочной проволоки. По мере расплавления проволока автоматически подается в зону сварки. Дуга закрыта слоем флюса. Сварочная проволока перемещается в направлении сварки с помощью специального механизма (автоматическая сварка) или вручную (полуавтоматическая сварка). Под влиянием тепла дуги основной металл и флюс плавятся, причем флюс образует вокруг зоны сварки эластичную пленку, изолирующую эту зону от доступа воздуха. Капли расплавляемого дугой металла сварочной проволоки переносятся через дуговой промежуток в сварочную ванну, где смешиваются с расплавленным основным металлом. По мере перемещения дуги вперед металл сварочной ванны начинает охлаждаться, так как поступление тепла к нему уменьшается. Затем он затвердевает, образуя шов. Расплавляясь, флюс превращается в жидкий шлак, который покрывает поверхность металла и остается жидким еще некоторое время после того, как металл уже затвердел. Затем шлак затвердевает, образуя на поверхности шва шлаковую корку.

 При сварке под флюсом (Рис .8) дуга горит между сварочной проволокой и свариваемым изделием под слоем гранулированного флюса. Ролики специального механизма падают в электродную проволоку в зону дуги. Сварочный ток (переменный или постоянный прямой или обратной полярности) подводится к проволоке с помощью скользящего контакта, а к изделию – постоянным контактом. Сварочная дуга горит в газовом пузыре, который образуется в результате плавления флюса и металла. Кроме того, расплавленный металл защищен от внешней среды слоем расплавленного флюса. По мере удаления дуги от зоны сварки расплавленный флюс застывает и образует шлаковую корку, которая впоследствии легко отделяется от поверхности шва.

Достоинства способа:

        Повышенная производительность;

        Минимальные потери электродного металла (не более 2%);

        Отсутствие брызг;

        Максимально надёжная защита зоны сварки;

        Минимальная чувствительность к образованию оксидов;

        Мелкочешуйчатая поверхность металла шва в связи с высокой стабильностью процесса горения дуги;

         Не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;

         Низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;

         Малые затраты на подготовку кадров;

         Отсутствует влияния субъективного фактора.

Недостатки  способа:

         Трудозатраты с производством, хранением и подготовкой сварочных флюсов;

         Трудности корректировки положения дуги относительно кромок свариваемого изделия;

         Неблагоприятное воздействие на оператора;

         Нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях без специального оборудования.

4.Какие дефекты сварного шва характерны для сварки в углекислом газе?Назовите их причины.

Сущность  способа сварки в углекислом газе состоит в следующем: голая электродная проволока диаметром 0,5—2 мм подается с постоянной скоростью в зону сварки. Одновременно в зону сварки поступает углекислый газ, который защищает переплавляемый электродный и основной металл от окружающего воздуха. Окислительное действие углекислого газа на расплавленный металл компенсируется повышенным содержанием в электродной проволоке элементов раскислителей (марганца, кремния и др.).

Оборудование. Сварка плавящимся электродом в среде углекислого газа выполняется автоматами и полуавтоматами. Наибольшее распространение в промышленности нашли полуавтоматы.

НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫЕ ДЕФЕКТЫ ШВОВ, выполненных в углекислом газе, являются горячие (кристаллизационные) трещины, поры и крупные неметаллические включения.

Горячие (кристаллизационные) трещины. При сварке в углекислом газе горячие трещины наиболее часто наблюдаются в нижних слоях многопроходных швов, выполненных в глубоких и узких разделках на стали с содержанием углерода более 0,27- 0,30%. В последующих слоях, а также при наплавке на ровную поверхность такие трещины, как правило, не образуются. Технологические способы предупреждения трещин должны сводиться к уменьшению доли основного металла и получению более благоприятной формы шва. К этим способам относятся уменьшение скорости сварки, применение сварки на токе прямой полярности, присадка в разделку малоуглеродистой проволоки,манипулирование горелкой и снижение сварочного тока.

Пористость сварных швов. При использовании электродной проволоки и углекислого газа требуемого состава наиболее возможными причинами образования пор в шве могут являться:

       а) попадание воздуха в зону сварки, вследствие недостаточного расхода углекислого газа, большого расстояния от сопла горелки до изделия, засорения горелки брызгами, чрезмерно большого угла наклона горелки, подсоса воздуха через неплотности в горелке и гибком шланге, чрезмерно высокого напряжения на дуге, сдувания углекислого газа ветром, утечки газа через неплотности в соединениях, выгорания изолирующей шайбы горелки, вызывающего неравномерный поток газа и чрезмерного износа мундштука, допускающего выход дуги из потока защитного газа;

Для предупреждения появления пор в швах, связанных  с попаданием воздуха в зону сварки, необходимо не превышать расстояние от сопла горелки до изделия свыше 30 мм, а угол наклона горелки - более 30°. Расход углекислого газа при полуавтоматической сварке горелкой с диаметром газового сопла 20 мм должен составлять 800-1500 л/час. При сварке первых слоев глубоких разделок расход газа можно снизить до 800 л/час, а при сварке верхних слоев, наоборот, увеличить до 1200-1500 л/час. Перед началом сварки необходимо обдуть свариваемое место газом, а после окончания сварки выдержать защиту жидкой ванночки углекислым газом до полной ее кристаллизации. При сварке на ветру или на сквозняке место сварки должно быть защищено ширмами, препятствующими сдуванию углекислого газа.

     б) попадание воды или ее паров в зону сварки вследствие выработки осушителя, неплотности системы охлаждения горелки и других причин;

Для предупреждения пор, вызываемых попаданием влаги в  зону сварки, необходимо тщательно устранять следы влаги с поверхности свариваемых кромок и осушать поступающий в зону дуги углекислый газ. Осушка газа от влаги существенно снижает количество растворившегося в металле шва водорода, а, следовательно, и возможность образования пор

     в) наличие на свариваемых кромках основного металла или на поверхности электродной проволоки грязи, масла, ржавчины или смазки (остающейся после протяжки проволоки).

Неметаллические включения. При взаимодействии углекислого газа с переплавляемым дугой металлом образуются окислы (шлаки), которые в некоторых случаях могут образовать крупные неметаллические включения в металле шва. Такие включения могут образоваться при многопроходной сварке в зоне сплавления с основным металлом и между слоями, с поверхности которых не удалялся шлак. Это, однако, не указывает на необходимость обязательного удаления шлака после наложения каждого шва. При многопроходной полуавтоматической сварке без зачистки каждого шва после его наложения, можно получить сварное соединение, не имеющее крупных неметаллических включений при следующих условиях:

а) при наплавке каждый последующий шов должен перекрывать  предыдущий не менее чем на 1/3 ширины;

б) периодически после наложения 3-4 слоев удалять  шлак. Последнее вызвано тем, что с увеличением количества слоев увеличивается и количество образующегося на поверхности швов шлака.

Ударная вязкость зоны сплавления, а также механические свойства многопроходных швов, выполненных при соблюдении указанных условий, практически не отличаются от свойства швов, с которых после наложения каждого слоя удалялся шлак

Таким образом, сварка в углекислом газе позволяет  значительно снизить объем работы на зачистку швов от шлака, необходимую  при ручной сварке, и в некоторых  случаях при сварке под флюсом (многослойные швы при глубокой разделке).

5.Какие факторы влияют на качество сварных соединений?

Причинами возникновения  дефектов в сварных швах могут  быть: наличие вредных примесей выше нормы в основном металле и в компонентах покрытия или флюса, нарушение режима сварки (малый или слишком большой ток), нарушение технологии, т. е. порядка сварки швов, увеличение длины дуги, состав и толщина слоя шлакового покрытия, большая плотность расплавленного шлака, сварка электродами с покрытиями, содержащими влагу, плохая защита сварочной ванны, сварка по окисленной поверхности и др. Может быть одновременно несколько причин возникновения дефектов.

Основные факторы, влияющие на качество сварных соединений, можно разделить на две группы: конструктивно-эксплуатационные (конструкция соединения, качество основного металла, условия эксплуатации и др.); технологические (качество сварочных материалов, оборудование, подготовка и сборка, выбор параметров режима сварки, квалификация оператора).