Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

6.6. Электроды для дуговой сварки

Электродная (сварочная) проволока. Стандарт на стальную сварочную проволоку предусматривает 77 марок проволоки диаметром 0,2–12 мм и длиной 22,5–450 мм. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистую (Св-08А, Св-08ГС и др.), легированную (Св-18ХМА; Св-10Х5М и др.) и высоколегированную (Св-06Х19Н10М3Т; Св07Х25Н13 и др.). В марках проволоки «Св» означает слово «сварочная», последующие буквы и цифры – ее марочный состав.

Сварочную проволоку используют для изготовления стержней электродов, при автоматической дуговой сварке под флюсом, при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов, а также в качестве присадочного материала при дуговой сварке неплавящимся электродом и газовой сварке.

	Электродные покрытия. Элек-
	троды представляют собой прово-
	лочные стержни с нанесенными на
	них покрытиями (рис. 6.12). По-
	крытия электродов	предназначены
	для обеспечения стабильного горе-
	ния дуги, защиты расплавленного
	металла от воздействия воздуха и
	получения металла	шва заданных
	состава и свойств. В состав покры-
	тия электродов входят стабилизи-
	рующие, газообразующие, шлако-
	образующие раскисляющие, леги-		Рис. 6.12. Схема процесса
	рующие и связующие составляю-
	щие.		сварки металлическим
			покрытым электродом
	Электроды классифицируют по

назначению и виду покрытия. По назначению стальные электроды подразделяют на пять классов: для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с σв ≤ 600 МПа, легирован-

ных конструкционных сталей с σв >600 МПа, легированных жаропрочных сталей, высоколегированных сталей с особыми свойствами

171

и для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. Электроды для сварки конструкционных сталей делят на типы: Э38, Э42,

..., Э150. Цифры в обозначении типа электродов обозначают σв на-

плавленного металла в 10-1 МПа. В обозначение типов электродов для сварки жаропрочных и высоколегированных сталей и наплавочных входит марочный состав наплавленного металла (Э- 09МХ, Э-10Х5МФ, Э-08Х20Н9Г2Б, Э-10Х20Н70Г2М2В, Э- 120Х12Г2СФ, Э-З50Х26Г2Р2СТ и др.).

По виду покрытия электроды делят на электроды с кислым, рутиловым, основным и целлюлозным покрытием.

Кислые покрытия имеют шлаковую основу, состоящую из руд железа и марганца ( Fe2O3 ,MnO2 ), полевого шпата (SiO2), ферро-

марганца и других компонентов. Электроды обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами: позволяют вести сварку во всех пространственных положениях на переменном и постоянном токе. Возможна сварка металла с ржавыми кромками и окалиной. Электроды применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Металл шва по составу соответствует кипящей и полуспокойной стали. Однако электроды токсичны в связи с выделением соединений марганца, поэтому применение их сокращается.

Рутиловые покрытия состоят из рутилового концентрата (TiО2), полевого шпата, мрамора (CaCO3), ферромарганца и других компонентов. Обладают высокими сварочно-технологическими свойствами. Их применяют для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл по составу соответствует полуспокойной стали.

Основные покрытия содержат мрамор, магнезит (MgCO3), плавиковый шпат (CaF2), ферросилиций, ферромарганец, ферротитан и другие компоненты. Сварочно-технологические свойства ограничены. Сварку выполняют, как правило, на постоянном токе обратной полярности, металл шва склонен к образованию пор при наличии ржавчины на свариваемых кромках, требуется высокотемпературная прокалка (400–450 °С) перед сваркой и т.д. Наплавленный металл хорошо раскислен и по составу соответствует спокойной стали. Возможно дополнительное легирование шва через покрытие.

172

Электроды с основным покрытием применяют для сварки ответственных конструкций из сталей всех классов.

Целлюлозное покрытие содержит целлюлозу и другие органические вещества с небольшим количеством шлакообразующих компонентов. Они создают хорошую газовую защиту и образуют малое количество шлака. Особенно пригодны для сварки на монтаже в любых пространственных положениях на переменном и постоянном токе. Их применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл по составу соответствует полуспокойной или спокойной стали.

Угольные и графитовые электроды. Неплавящиеся электроды разделяют на угольные, графитовые и вольфрамовые. Угольные и графитовые электроды применяют только при сварке на постоянном токе. Вольфрамовые электроды применяют при сварке на постоянном и переменном токе, при атомноводородной сварке и при сварке в атмосфере инертного газа.

6.7. Оборудование для сварки металлов

Сварочные машины и аппараты. При сварке постоянным то-

ком питание сварочной электрической дуги происходит от сварочных машин, имеющих в качестве источника тока сварочные генераторы или выпрямители, а при переменном токе – от сварочных трансформаторов.

Сварочная машина для дуговой сварки на постоянном токе в качестве источника тока имеет сварочный генератор и электродвигатель, приводящий генератор во вращение, а также регулятор и другие механизмы. В ряде случаев генератор приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания.

Сварочные генераторы по устройству и характеристикам отличается от обычных генераторов, применяемых для силовых установок и освещения.

Обычные генераторы должны обеспечить постоянство напряжения тока независимо от нагрузки.

Внешняя характеристика такого генератора представлена (кривой 1 на рис. 6.13).

173

Рис. 6.13, Внешняя характеристика источника тока: 1 – генератора обычного тока, 2 – сварочного генератора,

3 – электрической дуги статическая, 4 – электрической дуги падающая

Сварочный генератор должен обладать хорошими динамическими свойствами, т.е. генератор должен обеспечить получение крутопадающей характеристики (кривая 2, рис. 6.13). Такая форма внешней характеристики генератора обеспечивает взаимосвязь со статической характеристикой дуги (кривая 3, рис. 6.13). Характеристика генератора (кривая 2) в двух точках пересекает характеристику электрической дуги (кривая 3); в точке А происходит возбуждение дуги, а в точке A1обеспечивается устойчивое горение дуги.

Длина дуги в процессе сварки не постоянна; постоянство силы тока обеспечивается источником с крутопадающей характеристикой.

При изменении длины дуги с l1 до l2 сила тока изменяется на величину I1 при характеристике 2 и на I2 > I1 при падающей характеристике 4. Следовательно, устойчивость дуги будет меньше.

Большое распространение получили однопостовые сварочные генераторы с внешней падающей характеристикой. Наилучшими свойствами обладают генераторы с самовозбуждением, имеющие намагничивающую параллельную и размагничивающую последовательную обмотки.

174

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 6.14. В этом генераторе магнитный поток создается за счет двух обмоток возбуждения, из которых намагничивающая обмотка питается от главной А и вспомогательной С щеток генератора, а размагничивающая включена последовательно в сварочную цепь.

Рис. 6.14. Схема сварочного генератора с расщепленными полюсами

Возникающие в обмотках магнитные потоки направлены навстречу друг к другу; их взаимодействие обеспечивает падающую характеристику генератора. Напряжение между главными щетками

U АВ =U АС +UСВ.

Напряжение UCB зависит от нагрузки: сначала при увеличении тока падает до нуля, а потом меняет знак и продолжает увеличиваться до момента короткого замыкания.

Напряжение UAC мало изменяется, так как размагничивающее действие сериесной обмотки компенсируется подмагничивающим действием реакции якоря.

Генератор можно включать на малые (120–350 А) и большие

(320–600 А) токи.

По такой схеме работают сварочные генераторы типа ГС-500 и СГП-3.

175

Сварочный преобразователь ПС-500 состоит из сварочного генератора постоянного тока и трехфазного асинхронного электродвигателя А-72/4, соединенных между собой эластичной муфтой. Мощность генератора 28 кВт, величина тока 500 А, рабочее напряжение 40 В. Агрегат предназначен для питания одной дуги. При выполнении сварочных работ на новостройках, при монтаже или в полевых условиях, где нет электроэнергии, применяют передвижные сварочные агрегаты, состоящие из сварочного генератора постоянного тока и двигателя внутреннего сгорания. Генератор и двигатель устанавливают на общей раме и соединяют эластичной муфтой.

В больших сварочных цехах применяют централизованную многопостовую систему питания электрическим током. Схема включения постов приведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Схема включения сварочных постов многопостового генератора

При сварки переменным током в качестве сварочной машины применяют сварочные трансформаторы. Для регулирования сварочного тока и улучшения устойчивости горения дуги в цепь последовательно включается индуктивное сопротивление, называемое регулятором, реактивной катушкой или дросселем. Главное назначение регулятора – обеспечить получение падающей внешней характеристики сварочного аппарата и возможность регулировки силы сварочного тока.

В настоящее время выпускают сварочные аппараты переменного тока различных типов.

Аппараты типа СТЭ – 34 (рис. 6.16) состоят из понижающего трансформатора 1 и отдельного регулятора тока 2. Первичная об-

176

мотка трансформатора включается в сеть переменного тока (220, 380, 500 В), а во вторичной обмотки индуктируется ток напряже-

нием 55–60 В.

Рис. 6.16. Схема сварочного аппарата СТЭ-З4

Регулятор тока представляет собой катушку самоиндукции с железным сердечником, состоящим из двух частей: неподвижной а

иподвижной б. Обмотка включена последовательно в сварочную цепь. Между подвижными частями сердечника имеется воздушный зазор, который устанавливается вращением рукоятки регулятора 3.

Трансформаторы типа СТН (рис. 6.17) со встроенными регуляторами состоят из общего магнитопровода с тремя обмотками: первичной 1, вторичной 2

иреактивной 3. Взаимодействи-

ем обмоток 1 и 2 создается ос-
новной магнитный поток. Маг-	Рис. 6. 17. Схема сварочного
нитный поток, создаваемый ре-
активной обмоткой, имеет про-	трансформатора СТН

тивоположное основному потоку направления, вследствие чего при сварке напряжение на дуге представляет собой разность напряжений вторичной обмотки трансформатора и реактивной катушки. Сварочный ток регулируется перемещением пакета С, набранного из листового железа.

Трансформаторы типа СТН применяют для токов 500, 1000, 2000 А и используют для питания дуги при ручной или автоматической сварке.

Трансформаторы со встроенным регуляторами используются только как однопостовые электросварочные машины.

177

В качестве многопостовых сварочных трансформаторов обычно используют трехфазные трансформаторы с вторичным фазовым напряжением при соединении вторичной обмотки звездой на 65– 70 В. В этом случае каждый сварочный пост снабжают отдельным регулятором силы тока. Мощность трансформатора должна соответствовать суммарной мощности сварочных постов с учетом коэффициента одновременности их работы.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие основные электрические и тепловые свойства электрической дуги?

2.Какие источники тока применяют для дуговой сварки и особенности их внешних характеристик?

3.К каким последствиям приводит взаимодействие расплавленного металла сварочной ванны с атмосферой дуги?

4.Какие основные металлургические процессы протекают при взаимодействии расплавленного металла сварочной ванны со шлаком?

178

Тема 7. ВИДЫ СВАРКИ

7.1. Ручная дуговая сварка

Режимы ручной сварки. Для получения качественного сварного шва должен быть правильно выбран режим сварки , определяемый диаметром электрода, величиной сварочного тока и длиной дуги.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла и типа сварного соединения. При этом можно руководствоваться ориентировочно следующими данными:

Толщина металла, мм	0,5	1–2	2–5	5–10	Свыше 10
Диаметр электрода, мм	1,5	2–2,5	2,5–4,0	4–6	4–8

Величина сварочного тока зависит от толщины свариваемого металла, типа соединения, скорости сварки, положения шва в пространстве, толщины и вида покрытия электрода и его рабочей длины; определяется, в основном, выбранным диаметром электрода. Практически величину сварочного тока при сварке электродами из малоуглеродистой стали можно определять по формуле:

Iсв = (40 → 60)d , А

где d – диаметр электрода, мм.

Величина сварочного тока оказывает влияние не только на глубину провара, но и на форму шва. При ширине шва, равной 3–4 диаметрам электрода, получается наиболее благоприятная форма шва.

Длина дуги оказывает существенное влияние на качество шва; чем короче дуга, тем выше качество наплавленного металла. Длину дуги определяют по формуле:

lд =0,5(d +2) [мм],

где d – диаметр электрода, мм.

Практикой установлено, что сварка ведется при токах свыше 50 А. Практически при величине сварочного тока более 100 А, напряжение горения дуги зависит только от длины дуги и определяется по формуле:

Uд =α+βlд [В],

179

где α – коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах; при стальных электродах α = 10–12, при угольных α = = 35–38; β – коэффициент, характеризующий падение напряжения на 1 мм длины столба дуги; β= 2–2,5 (длина воздушной среды).

Напряжение зажигания дуги для постоянного тока равно 40–60 В; а для переменного тока 50–70 В.

Производительность сварки зависит от затрачиваемого времени и диаметра электрода. Полное время определяется по формуле

Тп = tR0 [ч],

где t0 – основное время горения дуги, ч; R – коэффициент загрузки сварщика, равный 0,4–0,8 в зависимости от вида производства и характера выполняемой работы.

Основное время горения дуги можно определить по формуле

t0 = IhQ [ч],

где Q – количество наплавленного металла, г; I – сварочный ток, А; h – коэффициент наплавки, г/(А ч), т.е. количество электродного металла в граммах наплавленное в течение 1 ч, приходящееся на 1 А сварочного тока с учетом марки электрода, потери металла на угар и разбрызгивание; для тонкообмазанных электродов h = 7–8 г/(А ч), а для толстообмазанных h = г/(А ч)и выше.

Массу наплавляемого металла определяют по формуле

Qн = LFρ [ч],

где L – длина шва, см; F – площадь поперечного сечения шва, см2;

ρ– плотность наплавленного металла, г/см3. Скорость сварки

υcd = L / t0 [м/ч].

Оборудование рабочего места для ручной сварки состоит из сварочного аппарата постоянного или переменного тока, сварочного стола, стеллажа, предохранительного щитка, электродержателя, защитной одежды и различных сборочно-сварочных приспособлений. Рабочий пост сварщика находится в изолированной кабине, снабженной приточно-вытяжной вентиляцией.

180