ЗАО "Сварочные технологии"

При соединении металла дуговой или электрошлаковой сваркой отчетливо можно выделить три основных этапа:

- начало сварки, т. е. возбуждение дуги (или наведение шлаковой ванны);

- собственно процесс сварки, т. е. плавление электродного и основного металлов и перемещение расплавленной ванны вдоль свариваемого соединения;

- окончание сварки, т. е. выключение дуги или прекращение электрошлакового процесса.

Возбуждение дуги, ее поддержание и регулирование, обеспечивающие плавление основного и электродного металлов и выключение дуги, выполняются, как правило, за счет передвижения (подачи) электрода. Подача электрода выполняется либо сварщиком вручную, либо при помощи специальных подающих механизмов. Передвижение дуги вдоль свариваемого соединения также может быть выполнено вручную или специальными ходовыми механизмами.

В зависимости от степени механизации этих двух основных операций сварку условно делят на ручную, полуавтоматическую и автоматическую.

При ручной сварке подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемого соединения выполняются сварщиком вручную. При полуавтоматической сварке механизирована только подача электрода, а передвижение дуги производится вручную. При автоматической сварке механизированы и подача электрода, и передвижение дуги.

Механизированная подача электрода должна обеспечивать возбуждение дуги в начале сварки, регулирование дуги, т. е. подачу электрода в зону дуги со скоростью, равной скорости его плавления, а также выключение дуги в конце сварки.

В начале сварки дуга возбуждается либо при реверсируемом, либо при постоянном направлении подачи электрода. В первом случае дуга возбуждается при отрыве предварительно закороченного электрода от изделия в момент включения сварочного тока.

После возбуждения дуги подающий механизм изменяет направление подачи электрода. Во втором случае дуга возбуждается при расплавлении прокладок из металлической стружки между электродами и изделиями, либо при пробое промежутка между электродами и изделием дополнительным электрическим разрядом высокой частоты. Вполне надежно дуга возбуждается при относительно высоких плотностях тока на электроде в процессе сварки тонкой проволокой. В этом случае для возбуждения дуги не нужны никакие специальные устройства и приемы.

Устойчивость горения дуги достигается уравниванием скоростей подачи и плавления электродной проволоки. Вследствие различных причин это равенство часто нарушается. В зависимости от метода восстановления равенства скоростей подачи и плавления различают два основных способа подачи электрода: подача со скоростью, автоматически регулируемой в зависимости от напряжения дуги, и подача с постоянной скоростью, не зависящей от напряжения дуги.

В первом случае скорость подачи проволоки с повышением напряжения увеличивается, а при понижении - уменьшается. Благодаря этому дуговой промежуток и заданное напряжение дуги автоматически поддерживаются неизменными.

Постоянная скорость подачи электрода устанавливается в зависимости от величины сварочного тока. Случайные изменения длины дугового промежутка восстанавливаются не за счет изменения скорости подачи, а за счет временного изменения скорости плавления электрода. При удлинении дугового промежутка напряжение дуги увеличивается, сварочный ток уменьшается, а следовательно, уменьшается и скорость плавления электрода. С уменьшением дугового промежутка, наоборот, напряжение дуги уменьшается, а ток и скорость плавления увеличиваются. При автоматически регулируемой скорости подачи электрода величина дугового промежутка восстанавливается быстрее, чем при постоянной скорости подачи.

Выбор способа подачи электрода зависит в основном от размера свариваемых швов, величины сварочного тока и характера свариваемых материалов. Однако при сварке с постоянной скоростью подачи электрода режим восстанавливается достаточно быстро, и этому способу (как более простому) следует отдавать предпочтение.

Дугу в конце сварки гасят, прекращая или замедляя подачу электрода.

Проволока продолжает плавиться, дуга удлиняется и наступает ее естественный обрыв. После этого отключают источник питания дуги. При такой последовательности выключения дуги кратер шва заполняется расплавленным металлом. В более сложных случаях выключение дуги сопровождается изменением величины сварочного тока. При сварке швов небольших размеров, имеющих малый кратер, выключение дуги заметно упрощается. Возбуждается, поддерживается и выключается дуга, как правило, одним и тем же механизмом, называемым подающим.

Подающие механизмы обычно состоят из одной или нескольких пар подающих роликов и замедляющего редуктора, передающего вращение от электродвигателя роликам. Вращаясь, ролики подают зажатую между ними электродную проволоку.

Подающий механизм должен обладать достаточным тяговым усилием. Кроме мощности электродвигателя тяговое усилие обеспечивается усилием зажатия проволоки, коэффициентом сцепления проволоки с подающими роликами и числом приводных подающих роликов.

Для увеличения коэффициента сцепления рабочая поверхность подающих роликов снабжается клиновой канавкой или делается рифленой. В обычных случаях только один из подающих роликов делают приводным, а второй - холостым, прижимающим электродную проволоку к подающему ролику. Для увеличения тягового усилия оба подающих ролика можно сделать приводными. В особых случаях (например, в полуавтоматах для сварки порошковой проволокой) подающий механизм имеет две пары подающих роликов.

Подающие механизмы, работающие со скоростью, автоматически регулируемой в зависимости от напряжения дуги, приводятся в движение двигателями постоянного тока. Поэтому скорость подачи проволоки у таких механизмов настраивают, изменяя число оборотов двигателя. Иногда скорость подачи проволоки регулируют изменением оборотов двигателя и при помощи сменных зубчатых колес или подающих роликов различных диаметров.

В подающих механизмах, работающих с независимой, постоянной (в процессе сварки) скоростью подачи, применяются сменные зубчатые колеса или подающие ролики, механические вариаторы скоростей, коробки передач и двигатели с регулируемым числом оборотов.

С помощью сменных зубчатых колес заданный режим регулируется наиболее просто. Но в связи со ступенчатостью регулировки сменными зубчатыми колесами невозможно настраивать режим во время сварки. В подающих механизмах, регулирующих скорость подачи с помощью коробок передач, вариаторов или путем изменения числа оборотов двигателя, этого недостатка нет, но конструкция такого механизма значительно усложняется. Поэтому в упрощенных сварочных аппаратах широкого назначения и в аппаратах, предназначенных для массового производства (где режимы сварки изменяются очень редко), применяются подающие механизмы с настройкой скорости подачи сменными зубчатыми колесами. В универсальных сварочных аппаратах и в тех случаях, когда требуется частая плавная настройка режима сварки, применяются подающие механизмы с двигателями постоянного тока.

Вследствие своей громоздкости и недостаточной надежности подающие механизмы с коробками передач и механическими вариаторами применяются чрезвычайно редко.

Типичным образцом подающего механизма с асинхронным двигателем и сменной парой зубчатых колес может служить подающий механизм шлангового полуавтомата ПШ-5 (рис. 155).

Обычно он имеет только один подающий ролик, а в некоторых случаях снабжается специальным комплектом роликов, связанных между собой зубчатыми колесами, благодаря чему значительно возрастает тяговое усилие.

(рис. 155) Подающий механизм шлангового полуавтомата ПШ-5: 1 - подающий ролик, 2 - прижимной ролик, 3 - сменные шестерни, 4 - замедляющий редуктор, 5 - двигатель

На рис. 156 показан подающий механизм шлангового полуавтомата с двигателем постоянного тока. Он не имеет сменных зубчатых колес и поэтому предельно прост.

(рис. 156) Подающий механизм с двигателем постоянного тока: 1 - подающий ролик, 2 - прижимной ролик, 3 - замедляющий редуктор, 4 - двигатель

Сварочный ток подводится к электродной проводке, подаваемой в зону дуги при помощи устройств, называемых мундштуками.

Мундштук должен обеспечивать также постоянство направления выходящей из него электродной проволоки. В зависимости от величины подводимого сварочного тока мундштук может иметь один или несколько контактных наконечников различной формы.

При сравнительно небольших сварочных токах (до 500 А) применяют контактные наконечники, представляющие собой втулку из материала с хорошими контактными свойствами, к стенкам отверстия которой проволока прижимается вследствие своей упругости. Мундштуками такого типа снабжены все шланговые полуавтоматы.

При больших сварочных токах (до 1000-1200 А) применяют подпружиненные контактные губки различной формы, между которыми плотно зажимается электродная проволока. Усилие зажима зависит от материала контактов, материала и состояния поверхности электродной проволоки и величины подводимого сварочного тока.

При токах больше 1500 А применяют массивные контактные пластины, обеспечивающие подвод тока и допускающие значительный нагрев от большой ванны расплавленного метала.

Подающий механизм с закрепленными на нем мундштуками представляет собой простейшую подвесную сварочную головку. Такие головки широко применяются во многих универсальных и специализированных сварочных станках.

Дуга может перемещаться относительно свариваемого соединения двумя способами: при первом мундштук с электродом передвигается относительно неподвижного изделия, при втором - изделие перемещается относительно неподвижного мундштука с электродом. В том и другом случаях передвижение должно происходить с неизменной заданной скоростью. Механизмы сварочного движения могут входить в состав сварочного аппарата (тогда он называется самоходным) или в состав сварочного станка. В последнем случае аппарат неподвижно закрепляется на станке и называется подвесной сварочной головкой.

Механизм сварочного движения, являющийся составной частью самоходной головки, представляет собой трех- или четырехроликовую тележку, которая приводится в движение от специального электродвигателя или от двигателя подающего механизма. В зависимости от типа рельсового пути самоходные тележки бывают двух видов:

а) трехколесные велотележки, движущиеся по вертикальному рельсовому пути;

б) трех- или четырехколесные тележки, движущиеся по горизонтальному пути.

Для самоходных головок (как универсальных, так и упрощенных) чаще применяют тележки велосипедного типа.

Самоходный механизм (рис. 157) так же, как и подающий, представляет собой редуктор, передающий движение от двигателя на ходовые бегунки. Для увеличения сцепления с рельсом ходовые бегунки имеют канавку. Настройка скорости самоходного механизма может быть выполнена сменными зубчатыми колесами или бегунками, механическими вариаторами или коробками передач и двигателями с регулируемым числом оборотов.

(рис. 157) Самоходный механизм сварочной головки: 1 - ходовые бегунки, 2 - коробка передач, 3 - замедляющий редуктор, 4 - двигатель

В зависимости от массы головок ведущими являются один или два бегунка (у тяжелых головок - один, у легких - два). Маршевое перемещение самоходных головок обычно выполняется вручную. Для этого в кинематическую цепь редуктора включается механизм, отключающий бегунки от самотормозящей части редуктора.

Наибольшее распространение нашли самоходные головки, перемещающиеся во время сварки непосредственно по свариваемым изделиям и называемые сварочными тракторами. Сварочные тракторы имеют малые габариты и массу, поэтому для увеличения сцепления с изделием ходовые бегунки трактора покрывают резиной.

Подвесные головки передвигаются с помощью тележек (при неподвижном изделии) или различных устройств, перемещающих изделие относительно неподвижной головки. Характер этих устройств зависит от типа свариваемых изделий и формы швов.

Иногда сварочный станок снабжен механизмами обоих типов, например, в установках для сварки цилиндрических емкостей прямолинейные соединения свариваются при неподвижном изделии, а кольцевые — при перемещающемся (вращающемся).

Тележки сварочных станков (особенно универсальных) бывают велосипедного (рис. 158) или глагольного (рис. 159) типа. Рельсовый путь для таких тележек располагается в стороне от несущих устройств станка и не мешает выполнению операций по загрузке и разгрузке изделий.

(рис. 158) Тележка велосипедного типа: 1 - сварочная головка, 2 - механизм горизонтальной настройки, 3 - механизм вертикальной настройки, 4 - самоходный механизм; 5 - рельсовый путь

(рис. 159) Тележка глагольного типа: 1 - сварочная головка, 2 - механизм горизонтальной настройки, 3 - механизм вертикальной настройки, 4 - механизм самохода, 5 - рельсовый путь

Механизмы второго типа, т. е. передвигающие изделие относительно неподвижной головки, в большинстве случаев предназначаются для сварки кольцевых швов. Для изделий небольшого и среднего размеров применяют манипуляторы, позволяющие вращать изделие вокруг горизонтальной и наклонной осей (рис. 160). Несколько реже используют центровые вращатели (рис. 161).

Они удобны также для сварки длинных деталей. Для сварки крупногабаритных цилиндрических изделий применяют роликовые стенды (рис. 162), представляющие собой систему приводных и холостых роликоопор, смонтированных вместе с электроприводом на общей фундаментной раме. Положительной особенностью роликовых стендов является то, что скорость сварки задается окружной скоростью роликоопор и не зависит от диаметра свариваемых изделий.

(рис. 160) Манипулятор

(рис. 161) Сварочная установка с центровым вращателем: 1 - изделие, 2 - сварочные головки

(рис. 162) Роликовый стенд

Все перечисленные устройства достаточно точно обеспечивают заданную режимом скорость сварки. Однако для получения качественного шва этого еще недостаточно; необходимо, чтобы мундштук с электродом передвигались точно вдоль свариваемого соединения.

Направлять электрод по свариваемому соединению можно вручную при помощи механизмов поперечной и вертикальной корректировки или автоматически при помощи механических копиров, следящих и программирующих устройств.

Механизмы для ручной корректировки входят в сварочный аппарат или сварочный станок и представляют собой вертикальные и горизонтальные суппорты, по которым движется сварочная головка, или шарниры, вокруг которых она поворачивается.

Устройства для механического копирования в горизонтальной плоскости выполняются в виде системы роликов (рис. 163), перемещающихся по свариваемому соединению впереди электрода и ведущих его за собой. Поэтому электрод вместе с мундштуком или со всей головкой должен иметь возможность свободно перемещаться в поперечном направлении. В настоящее время применяют приспособления для механического копирования только стыковых швов с зазором или разделкой кромок и угловых швов, выполняемых «в лодочку» и наклонным электродом.

Копирование в вертикальной плоскости выполняется за счет плавающего крепления сварочной головки, опирающейся копирными роликами на изделие и сохраняющей таким образом постоянную длину вылета электрода.

(рис. 163) Копировочное устройство и флюсоудерживающая воронка

Наиболее совершенным с точки зрения механического копирования являются сварочные тракторы, движущиеся непосредственно по изделию и поэтому не отклоняющиеся от него ни вверх, ни вниз. Корректировка поперечных отклонений выполняется самокопированием: ходовой бегунок трактора движется по зазору, разделке или углу между свариваемыми кромками и таким образом точно следует по шву.

Когда невозможно механическое копирование, применяют следящие системы с реверсивным электроприводом обоих корректировочных механизмов. Датчики включения электромеханизмов могут быть механическими (ролики с концевыми включателями), фотоэлектрическими (фиксирующими свет между свариваемыми кромками или яркую линию, нанесенную параллельно одной из свариваемых кромок) и электромагнитными (основанными на разнице магнитной проницаемости сплошного металла и зазора между кромками).

Вследствие сложности и недостаточной надежности работы эти системы не нашли еще широкого распространения и применяются только в высокомеханизированных установках (например, в поточных линиях сварки труб).

Соединения, имеющие сложную кривизну, а также переменное сечение, сваривают с помощью установок с программным управлением, электроприводы которых управляются по заранее заданной программе. Эти установки применяют исключительно в массовом производстве.

Интересным является также применение запоминающих устройств, у которых головка при помощи щупа или другого устройства на быстром ходу вхолостую проводится вдоль свариваемого соединения. Запоминающее устройство записывает (на магнитной ленте или другим способом) все возникающие при движении отклонения щупа.

Во время сварки воспроизводящее устройство точно ведет мундштук сварочной головки по записанной ранее программе. В большинстве случаев сварку ведут только в одном направлении. Если операцию «запоминания» совместить с возвратом сварочной головки в исходное положение, то на нее не потребуется дополнительного времени.