Аппараты для механизированной дуговой сварки

Классификация шланговых сварочных полуавтоматов

Сварочные полуавтоматы шланговые классифицируют по следующим признакам:

• по способу защиты дуги – для сварки в защитных газах, под флюсом, без внешней защиты ( при сварке порошковыми и самозащитными проволоками), универсальные, приспособленные для сварки с несколькими различными способами защиты дуги;

• по типу применяемой электродной или присадочной проволоки – для сварки сплошной стальной (жесткой) проволокой, проволокой из алюминиевых сплавов (мягкой), порошковой проволокой, универсальные;

• по способу и скорости регулирования подачи проволоки – толкающего, тянущего, тянуще-толкающего типа; с плавным, ступенчатым и смешанным регулированием скорости подачи;

• по компоновке – однокорпусные (с механизмом подачи, встроенным в корпус источника питания) и с вынесенным подающим механизмом; с аппаратурой управления, встроенной в источник питания дуги или в специальный шкаф управления;

• по транспортабельности – стационарные и с транспортируемым во время сварки механизмом, который может быть переносным и передвижным;

• по способу охлаждения горелки – с естественным (воздушным) и искусственным (

Полуавтоматическая сварка MIG/MAG

MIG/MAG - Metal Inert / Active Gas - дуговая сварка плавящимся металлическим электродом (проволокой) в среде инертного/активного газа с автоматической подачей присадочной проволоки

Принципы процесса, характеристики дуги

 Технологические свойства дуги существенно зависят от физических и химических свойств защитных газов, электродного и свариваемого металлов, параметров и других условий сварки. Это обусловливает многообразие способов сварки в защитных газах. Рассмотрим классификацию процесса сварки в защитных газах плавящимся электродом по наиболее существенным признакам.

Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом производится в инертных газах Аг и Не (MIG) и их смесях Аг + Не, в активном газе СO2 (MAG), а также в смесях инертных и активных Аг + О2, Аг + СО2, Аг + СО + О2 и активных газов СО2 + О2. В качестве электродных проволок применяют сплошные из нелегированных и легированных сталей и цветных металлов (Ni, Си, Mg, Al, Ti, Mo), а также несплошные порошковые и активированные. Сварка плавящимся электродом выполняется в основном на постоянном токе, применяется также и сварка импульсным током. Находят применение и другие способы сварки: на нормальном и увеличенном вылете, со свободным и принудительным формированием шва, без колебаний и с колебаниями электродной проволоки, в атмосфере и под водой, в стандартную и нестандартную узкую щелевую разделку кромок и др. Принцип дуговой сварки плавящимся металлическим электродом в защитном газе показан на Рис. 1.

Рис. 1. Схема полуавтоматической сварки  

Oсновные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах, выполняемых дуговой сваркой в защитном газе указаны в ГОСТ 14771.

В зависимости от уровня механизации и автоматизации процесса различают сварку:

• механизированную, при которой перемещения горелки выполняются вручную, а подача проволоки механизирована;

• автоматизированную, при которой все перемещения горелки и подача проволоки механизированы, а управление процессом сварки выполняется оператором-сварщиком;

• автоматическую (роботизированную), при которой управление процессом сварки выполняется без непосредственного участия оператора-сварщика.

Сварочное оборудование

В состав сварочного оборудования входят источник сварочного тока и сварочный аппарат. Составные части сварочного оборудования и их функции определяются уровнем механизации и автоматизации процесса, параметрами режима сварки, необходимостью их установки и регулировки в режиме наладки и сварки.

Основными параметрами автоматизированной дуговой сварки плавящимся электродом в СО2, Аг, Не и смесях газов (MAG, MIG) являются:

1. Сварочный ток Ic (~40.,.600 А);

2. Напряжение сварки Uc (~16...40 В);

3. Скорость сварки Vc (~4...20 мм/с), (-14.4...72 м/ч);

4. Диаметр электродной проволоки Dпр (~0.8...2.5 мм);

5. Длина вылета электродной проволоки Lв (~8...25 мм);

6. Скорость подачи электродной проволоки Vп (~35...250 мм/с);

7. Расход защитного газа Qг (~3...60 л/мин).

При пуске сварочного аппарата схема управления должна обеспечивать такую последовательность включения частей и механизмов оборудования:

1. Подачу защитного газа (Qг), предварительную продувку системы подачи газа;

2. Включение источника питания дуги (U);

3. Подачу электродной проволоки (Vп);

4. Возбуждение дуги ( Ic, Uc);

5. Перемещение аппарата со скоростью сварки (Vc):

Qг ► U ► Vп ► lcUc ► Vc 

При окончании сварки последовательность выключения механизмов должна обеспечивать заварку кратера и защиту остывающего шва:

Vc ►Vn ► lc ► Uc ► U ► Qг 

Установка для механизированной дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах обычно включает:

• источник постоянного или импульсного тока;

• механизм подачи электродной проволоки;

• сварочную горелку;

• кабель-пакет;

• встроенный в источник блок управления или отдельный шкаф управления;

• систему подачи защитного газа (баллон, подогреватель газа для СО2), газовый редуктор, смеситель газов, газовые шланги, электроклапан);

• кабели цепей управления;

• сварочные кабели с зажимами;

• систему охлаждения водой (дополнительно);

• приспособление для сборки и кантовки сварного узла (механическое оборудование).

Комплект установки для дуговой механизированной сварки, которую традиционно называют сварочным полуавтоматом, показан на Рис.2.

Рис.2. Схема установки для дуговой механизированной сварки в СО2

Сварочные полуавтоматы находят самое широкое применение, имеют различное назначение и конструктивное исполнение. Основным исполнением полуавтоматов является по способу защиты зоны дуги:

• для сварки в активных газах (MAG);

• для сварки в инертных газах (MIG);

• для сварки в инертных и активных газах (MIG/MAG);

• для сварки порошковой или самозащитной электродной проволокой (FCAW).

Различают три основные системы подачи электродной проволоки: толкающего, тянуще-толкающего и тянущего типов. Наиболее распространенной является система подачи толкающего типа, которая ограничивает длину горелки до 5 м., но отличается простотой и небольшой массой. Другие системы позволяют увеличить длину шлангов до 10-20 м и использовать тонкую проволоку диаметром меньше 1 мм, но механизм подачи в горелке увеличивает её массу. Регулировка скорости подачи проволоки чаще применяется плавная, но возможна плавно-ступенчатая и ступенчатая. В случае порошковой проволоки применяют две пары подающих роликов, чтобы предупредить её сплющивание.

Токосъемный наконечник является сменной быстро изнашиваемой деталью. От надежности контакта в нем зависит стабильность процесса сварки. К сменным деталям относятся токосъемный наконечник и сопло, которые нагреваются от излучения дуги и забрызгивания.

Сварочные материалы

При сварке MIG/MAG используют защитные газы и электродные проволоки. В Таблице 1 приведены типы газов по классификации Международного Института Сварки.

Таблица 1. Типы защитных газов.

Как видно из таблицы, применяются чистые газы инертные и активные, смеси газов в различных сочетаниях: инертные + инертные, инертные + активные и активные + активные. Водород при сварке плавящимся электродом не применяется из-за высокого разбрызгивания. Активный газ двуокись углерода (СО2) регламентируется по ГОСТ 8050-85, кислород газообразный по стандарту ГОСТ 5583-78.

Применяется метод расчета расхода защитного газа Нг в литрах или кубических метрах на 1 м шва определяется в основном для малого производства по следующей формуле:

Нг = (Нуг х Т + Ндг)

где Нуг — удельный расход защитного газа, приведенный в Таблице 3, м3/с (л/мин); Т — основное время сварки n-го прохода, с (мин); Ндг — дополнительный расход защитного газа на выполнение подготовительно-заключительных операций при сварке n-го прохода.

Таблица 2. Удельный расход защитного газа.

Порошковые проволоки применяются для сварки без защиты и с дополнительной защитой зоны сварки углекислым газом (самозащитные и газозащитные проволоки). По типу сердечника порошковые проволоки можно разделить на:

• самозащитные: рутил-органические, карбонатно-флюоритные, флюоритные;

• газозащитные: рутиловые, рутил-флюоритные.

Применение порошковых проволок вместо сплошных позволяет легировать шов в широких пределах и повышать стойкость его против пор и горячих трещин, обеспечивать заданные механические свойства. Кроме того, наличие шлака снижает разбрызгивание и улучшает форму шва.

Типы переноса металла при сварке MIG/MAG

При сварке MIG/MAG перенос металла осуществляется, в основном, двумя формами. При первой форме капля касается поверхности сварочной ванны ещё до отделения от торца электрода, образуя короткое замыкание, отчего этот тип переноса получил название переноса с короткими замыканиями. При второй форме капля отделяется от торца электрода без касания поверхности сварочной ванны и, поэтому, этот тип переноса называется переносом без коротких замыканий. Последняя форма переноса металла подразделяется на 6 отдельных типов согласно особенностям формирования и отделения капель электродного металла от торца электрода. Таким образом, согласно классификации предложенной Международным Институтом Сварки, существует 7 основных типов переноса металла, проиллюстрированных на Рис. 4 (условия этих сварок приведены в Табл. 3)

Рис. 4. Типы переноса металла при сварке MIG/MAG

Перенос металла при импульсном режиме дуговой сварки

Главной особенностью процесса импульсно-дуговой сварки является возможность получения мелкокапельного переноса электродного металла при среднем значении тока сварки (Iм) ниже критического, который в обычных условиях определяет границу между крупнокапельным и мелкокапельным переносом металла. В этом методе управления переносом металла ток принудительно изменяется между двумя уровнями, называемыми базовым током (Iб) и током импульса (Iи) Рис. 5. Уровень базового тока выбирается из условия достаточности для обеспечения поддержания горения дуги при незначительном влиянии на плавление электрода. Функцией тока импульса, который превышает критический ток, является форма тока, показанная на Рисунке 5 (типа «одна капля за один импульс»). 

Рис. 5. Импульсная дуговая сварка

Для практических показателей взята стальная электродная проволока СВ08Г2С диаметром 1,2 мм; защитный газ Аг+5%02; ток импульса Iи = 270 A; время импульса tи = 5,5 мс; базовый ток Iб = 70 A; время паузы tп = 10 мс; скорость подачи проволоки во время импульса Vпи = 3,5 м/мин; скорость подачи проволоки во время паузы Vпп = 28 см/мин; вылет электрода - 18 мм.

Особенности сварки в среде углекислого газа

Углекислый газ является активным газом. При высоких температурах происходит диссоциация (разложение) его с образованием свободного кислорода:

2СО2 ► 2СО + О2

Молекулярный кислород под действием высокой температуря сварочной дуги диссоциирует на атомарный по формуле:

О2 ► 2О

Атомарный кислород, являясь очень активным, вступает в реакцию с железом и примесями, находящимися в стали, по следующим уравнениям:

Fe + O =FeO,

C + O =CO,

Mn + O =MnO,

Si + 2O = SiО2.

Чтобы подавит реакцию окисления углерода и железа при сварке в углекислом газе, в сварочную ванну вводят раскислители (марганец и кремний), которые тормозят реакции окисления и восстанавливают окислы по уровням:

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiО2 + 2Fe и т.д.

Образующиеся окислы кремния и марганца переходят в шлак. Исходя из этого при сварке в углекислом газе малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей необходимо применять кремний-марганцовистые проволоки, а для сварки легированных сталей – специальные проволоки.

Таблица 4. Сварочные проволоки для сварки малоуглеродистых и легированных сталей. 

Выбор режимов сварки в среде углекислого газа

К параметрам режима сварки в углекислом газе относятся: род тока и полярность, диаметр электродной проволоки, сила сварочного тока, напряжение на дуге, скорость подачи проволоки, вылет электрода, расход углекислого газа, наклон электрода относительно шва и скорость сварки.

При сварке в углекислом газе обычно применяют постоянный ток обратной полярности, так как сварка током прямой полярности приводит к неустойчивому горению дуги. Переменный ток можно применять только с осциллятором, однако в большинстве случаев рекомендуется применять постоянный ток.

Диаметр электродной проволоки следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла.

Сварочный ток устанавливается в зависимости от выбранного диаметра электродной проволоки.

Основные режимы полуавтоматической сварки приведены в Таблице 5.

Таблица 5. Основные режимы сварки.

Таблица 6. Рекомендуемое расстояние от сопла горелки до свариваемого металла.

Расход углекислого газа определяют в зависимости от силы тока, скорости сварки, типа соединения и вылета электрода. В среднем газа расходуется от 5 до 20 л/мин. Наклон электрода относительно шва оказывает большое влияние на глубину провара и качество шва. В зависимости от угла наклона сварку можно производить углом назад и углом вперёд.

Что такое порошковая проволока

Проволока такого типа является трубкой, внутренняя полость которой заполнена флюсом и металлической пыльцой (порошком). Основой для такой проволоки служит металлическая лента, которая подвергается холодному формованию. Сформованная проволока наполняется порошком и флюсом. Завершающим этапом в изготовлении порошковой проволоки является ее растяжка до нужного размера.

Данный вид проволоки имеет классификацию, которая может быть выполнена по следующим параметрам:

• - назначение;

• - способ применяемой защиты;

• - возможность производства сварочных работ из разного положения в пространстве;

• - некоторые механические свойства.

Стоит отметить, что большая часть всей проволоки, которая выпускается в нашей стране, пригодна для сварки низколегированных и низкоуглеродистых видов стали.

Кроме всего прочего, принято разделять проволоку на ту, которая пригодна для сварки в обычных условиях и ту, которая является специальной. Например, к проволоке специального назначения можно отнести ту, которая предназначена для сварочных работ с принудительным созданием шва, проволоку для работы под водой, проволоку для сварки арматуры, для автоматической сварки и так далее.

Основные требования к проволоке

Порошковая проволока изготавливается с учетом следующих требований к ней:

• - дуга должна возбуждаться легко и греть стабильно;

• - плавление проволоки должно быть равномерным, при этом не наблюдается большого разбрызгивания;

• - шлак, образованный в результате плавления, должен равномерно покрывать весь шов, а при охлаждении – легко отделяться;

• - сварной шов должен получаться аккуратным и без дефектов, то есть различных трещин и пористых участков.

Сущность дуговой порошковой сварки

Данный вид сварки применяется достаточно часто, так как имеет множество преимуществ. Например, обычная флюсовая сварка может быть затруднена по причине невозможности точно направить электрод в нужное место (разделку). Кроме того, наблюдать за формированием шва тоже не представляется возможным. Особенно остро эти проблемы встают, если речь идет о полуавтоматическом процессе. Если рассматривать сварку в защитном газе, то и тут не все гладко. Данная защита может постоянно нарушаться из-за сквозняка. Кроме того, сопла, подающие защитный газ, могут забрызгиваться в процессе сварки.

В таких условиях целесообразно будет воспользоваться порошковой проволокой. Она сочетает в себе все такие положительные качества открытых электродов, как легирование и защита, а также раскисление металла, и такие положительные свойства механизированной сварки при помощи обычной цельной проволоки, как высокая производительность.

Стоит отметить и то, что порошковая проволока не требует наличие газового баллона, различных шлангов и редукторов, а также флюсовой аппаратуры и самого флюса. На протяжении всего процесса можно легко направлять электрод в разделку, есть возможность следить за формированием сварного шва — это, пожалуй, основные преимущества использования проволоки порошковой для дуговой сварки.

Порошковая проволока расплавляется таким образом, как было заложено в процессе ее производства. Все дело в том, что конструкция проволоки является определяющей для процесса расплавления ее дугой. Внутренняя полость металлической оболочки заполнена неметаллическими материалами примерно на 70 процентов, точнее – от 50 до 70 процентов. Это означает, что сопротивление электрическому току такого сердечника будет в сотни раз больше, чем сопротивление металлической оболочки.

По этой причине металлическая оболочка плавится значительно быстрее. Расплавление же сердечника осуществляется частично за счет теплоизлучения сварочной дуги и частично за счет теплопередачи сильно нагретого металла. По сему, в процессе сварки внутренний материал проволоки может касаться ванны расплавленного металла и даже попадать в него в нерасплавленном виде.

Техника сварки порошковой проволокой и некоторые ее недостатки

Как правило, порошковая проволока используется для сварки с применением шлангового полуавтомата. По той причине, что сварной шов постоянно на виду у человека, производящего сварочные работы, техника сварки стыков и углов практически ничем не отличается от такой же техники при использовании технологии сварки в защитных газах плавящимися электродами.