§ 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Посты для ручной и механизированной сварки металлов и уста­новки для автоматизированной сварки плавлением содержат оборудование, обеспечивающее питание источника сварочной теп­лоты — электрической дуги, шлаковой ванны, электронного или светового луча и т. н.; сварочный манипулятор, предназначенный для закрепления и перемещения детали при сварке, и оборудова­ние, обеспечивающее необходимую защиту свариваемого металла от окисления и загрязнения с помощью флюса, потока или атмо­сферы защитного газа или вакуума.

При ручной сварке различного рода манипуляторы, пози­ционеры или стенды применяют для сборки и закрепления дета­лей, подлежащих сварке. Качество сварного шва во многом опре­деляется искусством сварщика, а при механическом перемещении изделий — колебаниями скорости их перемещения манипулято­рами. Защита свариваемого металла обеспечивается покрытием электрода. При применении же полуавтоматов для дуговой сварки сварочная ванна защищается флюсом или защитным газом, пода­ваемым через сварочную головку.

Значительно более жесткие требования по точности выполне­ния устанавливаемых режимов предъявляются к манипулято­рам и механизмам перемещения сварочного источника теплоты в автоматизированных установках. Допустимы следующие коле­бания скорости перемещения: при сварке под флюсом ±5%; при аргонодуговой сварке тонколистовых металлов ±2%; в уста­новках для электронно-лучевой и лазерной сварки менее ±1%. Точность установки свариваемых изделий и отклонение поло­жения стыка при сварке не должно превышать 20—25% попереч­ного размера площади пятна ввода теплоты в изделие, т. е. при сварке под флюсом это составляет 1—2 мм; при микроплазмен - ной — не более 0,25 мм; при электронно-лучевой и лазерной (и зависимости от диаметра луча) от ±0,1 мм до ±10 мкм.

Конструкции сварочных установок имеют особенности, свя­тні ные с защитой персонала от вредного воздействия различного

характера в процессе выполнения сварочных операций. В каче­стве примера можно указать на наличие устройств для отсоса вредных газов при сварке под флюсом, экранов и щитков, пре­дохраняющих персонал от интенсивного ультрафиолетового и све­тового излучения при дуговой, плазменной или лазерной сварке, элементов конструкций установок для электронно-лучевой сварки, обеспечивающих защиту от рентгеновского излучения.

При выполнении сварочной операции для получения высокого качества тнвов очень важны стабилизация или регулирование тепловложения источника сварочной теплоты. Скорость сварки обычно задают постоянной с необходимой степенью стабиль­ности, при этом регулируют мощность источника сварочной теп­лоты. Такое воздействие наиболее гибкое, малоиперциопное и, кроме того, позволяет в ряде случаев скомпенсировать возму­щения сварочного процесса, вызываемые другими внешними фак­торами.

При сварке плавлением наиболее распространенный источ­ник нагрева — электрическая сварочная дуга.

Требования к статической устойчивости системы источник питания — сварочная дуга. Зависимость между напряжением дуги С/д, необходимым для поддержания устойчивого горения дуги, и током дуги /д называется статической вольт-амперпой характеристикой дуги.

Форма отдельных участков характеристики дуги зависит от плотности тока в электроде (в дуге). При сварке маломощной дугой на токах менее 100 А форма статической характеристики имеет падающий характер, т. е. дия/д1к < 0. В обычных усло­виях сварки, когда ток в дуге превышает 100 А (7Д > 100 А), напряжение дуги практически остается постоянным и но меня­ется при изменении тока нагрузки, т. е. дії ldln ~ 0 [С/д = = / (/д) ~ const].

При больших плотностях тока в электроде (при автоматиче­ской сварке в среде защитных газов, где обычно применяют малый диаметр электрода, сжатой дуге), когда катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться с возрастанием тока в дуге, а следовательно, плотность тока и напряженность пропорцио­нально увеличиваются с увеличением силы тока, статическая характеристика становится возрастающей.

Источник тока и электрическая сварочная дуга представляют собой энергетическую систему, которая в процессе сварки должна обладать достаточной устойчивостью. Под устойчивостью системы понимается такое состояние, когда параметры режима сварки /д И UД не изменяют своей величины в течение достаточно дли­тельного времени. Причем, если в результате каких-то внешних причин (изменение длины дуги, сопротивления ее, изменение степени ионизации) произойдет изменение этих параметров, что ириведет к отклонению от устойчивого равновесия, система должна снова вернуться в состояние равновесия.

Зависимость напряжения источника питания от силы тока нагрузки называется внешней характеристикой источника пита­ния. Рассмотрим условия устойчивого состояния системы (устой­чивого горения сварочной дуги).

На рис. 71 изображены внешняя характеристика источника питания £/„ = /х (/д) и вольт-амперная характеристика дуги Uл = /г С^д)- В точках я и б эти характеристики пересекаются, т. е. для обеспечения горения дуги необходимо то напряжение, которое при этой силе тока дает источник питания. Выясним, устойчиво ли состояние сварочной дуги в этих точках. Устойчивое состояние сварочной дуги будет, если при случайном отклонении от установившегося состояния (изменении силы тока) равновесие быстро восстановится. Сварочная цепь обладает некоторой индук­тивностью, и при изменении тока в ней индуктируется э. д. с. само­индукции

где L — индуктивность.

Напряжение дуги

*7я=£^+еі.-СТн-І

где Г7. — напряжение источника.

Т — — Л _ тт ь at " и*-

Предположим, что режим сварки соответствует точке а. Если пік под действием внешних факторов уменьшится и примет зна-
чепие, определяемое /лі, то напряжение источника U,, (точка at) станет больше напряжения дуги £7Д, т. е.

Uк > f/д и Ua — ил > 0;

следовательно, сила тока начнет увеличиваться (так как L всегда положительна), пока не достигнет точки а.

При увеличении силы тока до значения /яИ напряжение источ­ника становится меньше, чем напряжение дуги, а разность £7„— Un уменьшается и принимает отрицательное значение, в результате чего начинает уменьшаться сила тока /д до тех пор, пока не достиг­нет точки а, т. е. при режиме сварки, соответствующем точке а, вследствие действия э. д. с. самоипдукции происходит саморе­гулирование режима горения дуги, точка а определяет устойчи­вое состояние системы источник питания — сварочная дуга.

В точке б при увеличении силы тока напряжение источника IJ„ станет больше, чем напряжение дуги; следовательно, сила тока начнет увеличиваться до значения, определяемого точкой а, т. е. система снова придет в устойчивое равновесное состояние. При отклонении тока от точки б в сторону уменьшения напряже­ние дуги превысит напряжение источника, и разность U„ — Ua будет уменьшаться и стремиться к отрицательной величине. Сле­довательно, сила тока /д также начнет уменьшаться, в результате чего дуга оборвется. Таким образом, в точке б режим горения дуги неустойчив.

Требование статической устойчивости

где ку — коэффициент устойчивости.

Фактически величины dUJdl и dUJdl — динамические сопро­тивления сварочной дуги п источника питания при данной вели­чине тока дуги /д у. Коэффициент ку — динамическое сопротив­ление всей энергетической системы источник питания — свароч­ная дуга в данном режиме работы. Таким образом, устойчивое горение дуги определяется только общим динамическим сопро­тивлением системы источник питания — дуга. Если оно положи­тельно — реяшм устойчив. При нормальных сварочных режимах (сила тока дуги 100—800 A) dUnldI За 0. Это свойственно источ­никам с падающей внешней характеристикой (рис. 71, б), жесткой или даиш возрастающей, но при условии, что dUJdl < дUJdl (рис. 71, в).

При сварке малоамперпой дугой внешняя характеристика источника питания должна быть крутопадающей, чтобы сохра­нялось соотношение на рабочем участке, как это показано на рис. 71, а:

эи д

д/« •

Требование к динамическим свойствам источников питания.

11 рп дуговой сварке плавящимся электродом источник питания сварочной дуги воспринимает динамическую нагрузку в связи <• переходными режимами, когда ток и напряжение изменяют свою величину. При этом в дуге могут происходить периодически повто­ряющиеся явления: короткое замыкание, возбуждение дуги и пере­ход к режиму устойчивого горения.

В условиях сварки при коротком замыкании э. д. с. генератора снижается до минимальных значений, равных падению напряжения в короткозамкнутой сварочной цепи, т. е. Er = h, JE - Поэтому необходимо, чтобы при размыкании сварочной цепи э. д. с. гене­ратора весьма быстро возросла до значений, достаточных для воз­буждения дуги, пока металл остается достаточно нагретым после короткого замыкания для существования эмиссии электронов.

Сварочные трансформаторы и выпрямители обладают значи­тельно меньшей электромагнитной инерцией и практически их можно считать безынерционными установками. Однако при корот­ких замыканиях дуги, образуемых при переносе капель, и малой электромагнитной инерции (малая величина индуктивности сва­рочной цепи) сила тока дуги нарастает недопустимо быстро. Происходит сильное разбрызгивание наплавляемого металла при сварке плавящимся электродом.

Введение дросселя в сварочную цепь снижает скорость нара­стания тока и, как следствие, разбрызгивание металла. Так, при сварке электродов УОНИ-13/45 экспериментально устано­влена зависимость коэффициента разбрызгивания от. величины индуктивности дросселя, включаемого последовательно в свароч­ную цепь источника питания дуги (рис. 72).

При скоростях нарастания тока 15 к А/с электродинамиче­ские силы, приводящие к разрушению перемычки между каплей и электродом, невелики и не вызывают заметного разбрызгивания металла. Но уже при 10 кА/с при постоянной скорости подачи электродной проволоки процесс сварки и формирование шва ухудшаются. Наблюдаются повторяющиеся длительные корот­кие замыкания, при этом проис­ходит выброс кусков нераспла - вимшейся проволоки за пределы шва.

Динамические свойства источни­ков питания для дуговой сварки в от­ношении скорости нарастания тока и некоторой мере определяются дина­мическим коэффициентом, т. е. отно­шением пикового значения тока ко­роткого замыкания к его установив­шемуся значению:

/'Д — Іцш 3.1]//к. 3. у>

где /,; з и — сила пикового тока короткого замыкания; /„ 3 у— сила установившегося тока короткого замыкания.

Таким образом, к динамическим свойствам одиоиостовы. ч сва­рочных генераторов предъявляются следующие требования: значение динамического коэффициента должно быть в преде­лах 1 < кд < 2,5; время восстановления напряжения дуги не должно превышать 0,05 с; скорость нарастания тока должна быть - 15—20 кА/с.

Основные области применения различных источников питания сварочной дуги приведены в табл. 23.

Сварочные трансформаторы паиболее дешевы, надежны в ра­боте, и экономичны. Поэтому там, где это возможно, стараются использовать их вместо электромашинных преобразователей. Для сварки под флюсом трансформаторы используются на силы тока свыше 300 А, так как при меньших силах тока дуга на пере­менном токе горит неустойчиво.

Постоянный ток имеет ряд технологических преимуществ при дуговой сварке или наплавке под флюсом. Поэтому источ­ники постоянного тока совсем вытеснены трансформаторами быть не могут. Наиболее перспективны источники постоянного тока — кремниевые выпрямители, в которых наиболее высокий к. и. д. и минимальны потери холостого хода.

И последние годы значительно расширились области приме­нен ня источников питания с нологопадающими и жесткими внеш­ними характеристиками. Для всех без исключения механизиро­ванных способов сварки при постоянной скорости подачи элек-

ІДІ
тродпой проволоки может быть применен источник питания с поло- гонадающей внешней характеристикой.

Габаритные размеры и масса источника питания определяются н первую очередь произведением напряжения холостого хода па силу номинального тока. У источников питания с падающими внешними характеристиками £/хх чаще всего в 2 раза больше (Jn. У источников с пологопадающими характеристиками С/хх лишь немного больше t/д. Поэтому масса последних значительно меньше (в среднем в 1,5 раза), а к. п. д. выше. Применение источников питания с пологопадающими внешними характеристиками в зна­чительной мере упрощает подбор режима сварки, а также упро­щает аппаратуру для сварки и наплавки электродами, имеющими переменное поперечное сечение.

ГОСТ 10594—74 регламентирует ряд номинальных токов для источников питания сварочной дуги постоянного тока (генера­торов и выпрямителей): 40, 50, 03, 80, 100, 125, 100, 200, 250, 315, 400, 500 , 030, 800, 1000, 1250, 1000, 2000, 2500, 3150, 4000 и 5000 А.