«О.М. ЧЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА: ПРАКТИКА И ТЕОРИЯ Издание второе, дополненное и переработанное Ростов-на-Дону Феникс 2009 УДК 621.7 ББК 34.64 КТК 2360 Ч-49 Автор благодарит руководство ОАО Роствертол за оказанную ...»

Серия «Профессиональное мастерство»

О.М. ЧЕРНЫЙ

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА:

ПРАКТИКА И ТЕОРИЯ

Издание второе,

дополненное и переработанное

Ростов-на-Дону

«Феникс»

2009

УДК 621.7

ББК 34.64

КТК 2360

Ч-49

Автор благодарит руководство ОАО «Роствертол»

за оказанную помощь.

Черный О.М.

Электродуговая сварка : практика и терия / О.М. ЧерЧ-49 ный. — Изд. 2-е, доп. и перераб. — Ростов н/Д : Феникс, 2009. — 319 с. : ил. — (Профессиональное мастерство).

ISBN 978-5-222-14916-4 В пособии предложены технические решения многих практических проблем электрической сварки. Рассмотрены многочисленные решения теоретических и вопросов по электродуговой сварке, которые ранее в сварочной литературе не рассметривались. Найдены и подробно рассмотрены три новых силы, которые ранее не учитывались в теории сварки.

Книга будет полезной не только специалистам-сварщикам, но и физикам, занимающимся вопросами электрической дуги, и студентам, желающим углубить свои знания.

ISBN 978-5-222-14916-4 УДК 621. ББК 34. Учебное издание ЧЕРНЫЙ Олег Михайлович

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА:

ПРАКТИКА И ТЕОРИЯ

Ответственные редакторы А. Михайленко Технический редактор Г. Логвинова Корректор Л. Михайлова Компьютерная верстка: А. Басов Макет обложки: И. Лойкова Сдано в набор 15.09.2008. Подписано в печать 14.10.2008.

Формат 84108 /. Бумага типографская № 2.

Тираж 2 000 экз. Заказ №.

ООО «Феникс».

344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80.

© Черный О.М., © Оформление. ООО «Феникс»,

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

В предлагаемом вниманию читателей втором издании рассмотрены практические способы устранения разбрызгивания металла при сварке в СО2, увеличение вязкости сварных швов и улучшение их формирования. Предложены два различных механизма подачи проволоки, расположенные в валу электродвигателя, что значительно снижает габариты и вес подающего устройства. Предложены различные способы многократного увеличения срока службы мундштуков и способ возбуждения дуги с первого касания электрода с изделием и т.д.

Неоднократно уточнено уравнение баланса энергии на катоде. Предложена формула для определения ионной доли тока в катодной области. Разработана формула для расчета работы выхода электронов из жидких металлов при различных температурах, вплоть до температур, превышающих их температуры кипения. Определен механизм эмиссии электронов из металлов. Предложена модель распределения плотности тока, температуры и скорости газовых потоков в реальной сварочной дуге. Установлена зависимость энергии ионизации атомов от температуры плазмы. Впервые установлена причина поднятия жидкого металла над ванной при горении дуги с неплавящегося электрода и т.д.

Во втором издании введена глава 2 и частично глава 3.

Глава 1 дополнена разделами 1.11, 1.12, 1.13 и 1.14; глава 4 — разделами 4.21 и 4.22; глава 5 — разделом 5.6; глава 6 (дополнения) — разделами 6.2–6.5.

Изменениям подверглись разделы 1.1, 3.4 (2.22), 4.1 (2.1), 4.6 (2.6), 4.7 (2.7), 4.9 (2.9), 4.10 (2.10), 4.11 (2.11), 4.12 (2.12), 4. (2.13), 4.16 (2.16), 4.17 (2.17) — в скобках указаны разделы первого издания.

Это издание может заинтересовать не только специалистов-сварщиков, но и физиков, занимающихся вопросами электрической дуги, а также студентов, стремящихся глубже познать практические и теоретические вопросы электродуговой сварки и физики дуги.

ГЛ А В А

ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

1.1. Устранение разбрызгивания и улучшение формирования сварных швов при сварке в углекислом газе В настоящее время в промышленности наибольшее распространение получила сварка в СО2, которая наряду с достоинствами имеет и ряд недостатков, основными из которых являются: повышенное разбрызгивание, достигающее 8… и более процентов, неудовлетворительное формирование сварных швов и образование подрезов при повышенной скорости сварки.

Цель настоящего раздела — показать преимущества процесса сварки в СО2 проволокой с покрытием из К2СО3 в сравнении со сваркой обычной очищенной проволокой.

Покрытие из К2СО3 на поверхность проволоки наносится в процессе ее очистки из водного раствора с сопутствующим выпариванием воды проходящим по проволоке током. Подводимое к проволоке напряжение находится в пределах 10…18 В, что позволяет нагреть проволоку до ~ 200 °С, при этом проволока не разупрочняется. Расход К2СО3 на 1 тонну проволоки составляет ~ 100 г, а толщина покрытия (2…4)·10 –3 мм, в результате чего вся поверхность проволоки приобретает однородный матово-серый цвет. Вследствие длительного охлаждения проволоки в кассете из ее поверхностного слоя удаляется водород и азот [76, 25, 60], что способствует тому, что сварные швы, сваренные такой проволокой, имеют значительно большую вязкость по сравнению со швами, сваренными этой же проволокой, но без покрытия. Этот эффект можно увеличить, если кассеты с проволокой с покрытием из К2СО3 накрывать теплоизоляционным материалом сразу после снятия со станка очистки проволоки. В связи с тем, что К2СО является более активным, чем сода (Na2CO3), проволока в процессе нанесения покрытия дополнительно очищается, что способствует меньшей засоряемости шлангов полуавтоматов.

Электродуговая сварка: практика и теория Покрытие достаточно прочно сцепляется с проволокой и процесс сварки не нарушается, даже если перед сваркой по проволоке проводили рукавицей или рукой. Кроме того, это покрытие предохраняет поволоку от образования ржавчины.

Так, при хранении под открытым навесом в дождливую погоду на очищенной проволоке марки Св-08Г2С следы ржавчины появляются через 1…2 дня, на проволоке в состоянии поставки — через 7…9 дней, а на проволоке с покрытием из К2СО3 — через 18…19 дней.

Сварка такой проволокой производится на обратной полярности на тех же режимах, что и обычной проволокой, но в некоторых случаях необходимо несколько уменьшить напряжение сварки, что косвенно обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии. Длина дуги над поверхностью изделия должна составлять 1…2 мм, это способствует более рациональному использованию энергии, выделяющейся в столбе дуги, так как дуга большей своей частью находится в кратере сварочной ванны и ее тепло в большей степени передается свариваемым деталям. При сварке такой проволокой наблюдается струйный перенос металла с характерным конусом жидкого металла на торце электрода. Разбрызгивание составляет 1,5 %. Редкие, очень мелкие брызги легко удаляются с поверхности сварного соединения рукавицей, не оставляя на нем следов. При сварке же обычной проволокой брызги довольно крупных размеров зачастую привариваются к поверхности изделия, что нарушает поверхностный слой металла, нагартованный при прокатке листов или же при протяжке через фильеры в случае сварки профилей и труб, что способствует образованию ржавчины и увеличивает возможность образования трещин в этих местах при эксплуатации сварного соединения.

В результате малой длины дуги над поверхностью изделия и значительного газового потока из ванны, которые хорошо видны в процессе сварки и охватывают электрод, а также препятствуют попаданию паров с изделия в ванну, такая провоГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки лока позволяет сваривать изделия, на поверхности которых имеются толстые покрытия, например, покрытие, изготовленное путем напыления алюминия, либо без дополнительных мер, способствующих снижению содержания материала покрытия в металле шва, либо с минимальным их применением.

При этом разбрызгивание при сварке минимально, как и при сварке сталей без покрытия, что способствует целостности покрытия вблизи зоны сварного шва.

Наличие в столбе дуги калия приводит к расширению столба, что вызывает некоторое увеличение ширины сварного шва и образованию плавного перехода от валика к основному металлу.

При сварке в «лодочку» такой проволокой на скорости 20…90 м/ч поверхность сварного шва на малых и средних скоростях сварки плоская, а на повышенных, начиная с ~ 70 м/ч, слегка выпуклая и с увеличением скорости сварки выпуклость несколько увеличивается. При этом во всем диапазоне скоростей наблюдается плавный переход от сварного шва к основному металлу. А при сварке обычной проволокой во всем диапазоне скоростей сварки наблюдается заметная выпуклость сварного шва, которая с увеличением скорости сварки существенно увеличивается. При этом на скоростях ~ 70 м/ч появляются единичные подрезы, частота появления которых увеличивается с увеличением скорости сварки.

В результате улучшения формирования сварных швов экономится от 10 % проволоки при скорости сварки 20 м/ч, до 30 % проволоки — при скорости сварки 90 м/ч, а на средних скоростях сварки с учетом уменьшения расхода проволоки на разбрызгивание — 20…25 % проволоки. В результате этого уменьшается общий расход электроэнергии, идущей на образование сварного шва, даже с учетом нагрева проволоки в процессе изготовления. Расход электроэнергии на разогрев проволоки в процессе ее изготовления можно считать необходимым для улучшения механических свойств сварных швов, в частности, увеличения вязкости и уменьшения вероятности Электродуговая сварка: практика и теория порообразования [16, 25, 60] и не учитывать в расчете по снижению расхода электроэнергии при использовании проволоки с покрытием из К2СО3, так как такой подогрев может осуществляться и для обычной проволоки без покрытия для улучшения ее эксплуатационных свойств. При нагреве проволоки проходящим через нее током затрачивается меньше электроэнергии, чем при нагреве ее в термопечи, так как не требуется нагревать саму термопечь, как правило, имеющую большую массу для теплоизоляции. Кроме того, достаточно высокая стоимость термопечи и требующаяся достаточно частая замена термоэлементов делает невыгодным применение термопечей по сравнению с предлагаемым способом нагрева проволоки, который также позволяет уменьшить рабочую площадь, требуемую для такой технологической подготовки проволоки.

В связи с меньшей кривизной сварного шва при сварке угловых соединений (не в «лодочку») при одной и той же скорости подачи проволоки увеличивается скорость сварки на столько же процентов, на сколько процентов экономится проволока за счет уменьшения выпуклости сварного шва. Это при сварке на повышенных и средних (близких к повышенным) режимах автоматически, при постоянном катете шва, увеличивает скорость сварки на 15…20 %, что позволяет затрачивать меньше времени и электроэнергии на сварку одних и тех же конструкций в сравнении с очищенной проволокой без покрытия.

При необходимости вместо К2СО3 на поверхность проволоки можно наносить Na2СО3. Эти покрытия можно наносить на поверхность любой сварочной проволоки, например, медной для сварки в азоте, проволоки, выполненной из нержавеющей стали, для сварки в углекислом газе или проволоки с омедненной поверхностю.

Изготовление проволоки с покрытием из К2СО3 возможно на любом станке очистки проволоки после незначительной и недорогостоящей его модернизации. При необходимости раГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки бочие чертежи по модернизации станка очистки проволоки может разработать автор настоящего издания.

Процесс сварки проволокой с покрытием из К 2СО3 при сварке в СО2 на обратной полярности позволяет улучшить качество и механические свойства сварных швов и уменьшает расход проволоки на 15…25 % по сравнению со сварной проволокой без покрытия, одновременно увеличивая скорость сварки при одном и том же катете сварочного шва.

1.2. Увеличение вязкости сварных швов с помощью приставки к станкам очистки сварочной проволоки Большинство сварных конструкций, как правило, в той или иной степени работают в условиях вибрационных нагрузок. При этом, как известно, чем больше вязкость сварных швов, тем долговечнее и надежнее будет и сварная конструкция. Хрупкости сварных швов способствуют газы, находящиеся в верхнем слое сварочной проволоки, например, водород. Известно, что для удаления этих газов сварочную проволоку перед сваркой необходимо подогреть до 200 °С [16, 25, 60]. Однако необходимые для этого термошкафы очень дороги, занимают много места и обладают большой тепловой инерцией, что требует значительного расхода электроэнергии, а также специального обслуживания.

Чтобы избежать этого, сварочную проволоку можно подогревать непосредственно при ее очистке на станке очистки Черный Олег Михайлович, 344000, г. Ростов-на-Дону, пр. Соколова, 51, кв. 54.

Д.т. (863) 264-95-73.

Электродуговая сварка: практика и теория проволоки, добавив к нему приставку в виде двух электрически изолированных от корпуса станка очистки проволоки роликов, подводящих ток к сварочной проволоке во время ее очистки. При прохождении проволоки через станок, после выхода ее из очищающего устройства, она должна достаточно плотно прижиматься под собственным натягом к свободно вращающимся роликам, установленным на расстоянии 1,2…1,8 м друг от друга. Один из роликов устанавливается на корпусе станка сразу после выхода проволоки из устройства для ее очистки, а другой устанавливается на укладчике проволоки в кассету. Оба токоподводящих ролика должны быть изолированы от корпуса станка.

К роликам через их боковую поверхность подводится ток с помощью токоподводящих графитовых щеток, контакт которых с боковой поверхностью роликов должен быть как можно ближе к осям вращения роликов. Питание этого устройства осуществляется от обычного маломощного сварочного аппарата постоянного или переменного тока. К роликам подводится напряжение не более 20 В. При этом нагрев проволоки проходящим через нее током, не зависит от ее диаметра, что упрощает эксплуатацию приставки.

С помощью этой приставки достигается увеличение вязкости сварных швов в 1,5…2 раза. Срок годности такой проволоки 1…2 суток. Увеличить срок годности сварочной проволоки можно, если при очистке ее пропускать через небольшую емкость с водным 10 % раствором К2СО3. Наличие очень тонкого слоя К 2СО3 на поверхности сварочной проволоки увеличивает ее срок годности до 6…7 суток и обеспечивает лучшее прохождение сварочной проволоки через шланги сварочных полуавтоматов, предотвращая их засорение. Кроме того, при пропускании сварочной проволоки чрез 10 % раствор К 2СО3 с последующим высушиванием ее поверхности проходящим током на ней остается слой К2СО3 в количестве 0,1 кг К2СО3 на 1000 кг сварочной проволоки, что обеспечивает практически полное устранение разбрызгивания металла Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки при сварке и улучшает формирование сварного шва. Это обеспечивает увеличение скорости сварки при одном и том же расходе сварочной проволоки. Аналогичные операции можно проводить и с омедненной проволокой.

Кроме увеличения вязкости сварных швов, в результате подогрева сварочной проволоки уменьшается пористость швов, что дополнительно увеличивает их качество.

Если сварочная проволока поступает на предприятие в кассетах, то описанную выше обработку сварочной проволоки можно проводить при перемотке ее с одной кассеты на другую.

При необходимости автор может оказать помощь при разработке описанной приставки, ее изготовлении и эксплуатации.

Предложена приставка к станкам очистки проволоки, позволяющая увеличить вязкость и качество сварных швов.

1.3. Механизм для подачи сварочной проволоки В настоящее время механизмы для подачи сварочной проволоки на сварочных автоматах и полуавтоматах состоят из электродвигателя, редуктора и подающих роликов. Наиболее дорогостоящими и материалоемкими являются электродвигатель и редуктор, что усложняет и удорожает сварочные устройства, особенно подающий механизм полуавтоматов. Последние часто применяют на работах, где необходима повышенная маневренность, а значит, малые габаритные размеры и масса подающего механизма. В настоящем разделе и в работе [1] предлагается новый подающий механизм для сварочной проволоки, в котором отсутствует редуктор, а электродвигатель имеет небольшие габаритные размеры и массу.

Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 1. Схема устройства для подачи сварочной проволоки На рис. 1 приведена одна из возможных схем установки подающего механизма на валу электродвигателя. Сменная втулка 2 крепится на валу 1 резьбовым соединением 15 и центрирующими поверхностями 14 с плотной посадкой для устранения биения сменной втулки относительно вала. Для предотвращения выкручивания втулки предусмотрены винты и стопорное кольцо 12. Прижимная гайка 4 прижимает клин к поверхности сварочной проволоки 8, частично вдавливая его. Прижим 7 закрепляет во втулке сменную износостойкую прокладку 5, которая может быть выполнена в виде сегмента из полого цилиндра или в виде полого цилиндра с пазом под прямоугольные отверстия 11, что значительно проще. Контргайка 6 предотвращает раскручивание прижима во время работы электродвигателя. Внутренние поверхности контргайки и прижима конические. Прямоугольные отверстия 11 предназначены для ступенчатого регулирования скорости подачи сварочной проволоки путем перестановки клина 10 из одного отверстия в другое и расположены под разными углами к оси сварочной проволоки. Отверстие 3 устраняет биение сменной втулки. Прижимные ролики 9 предотвращают вращение проволоки вместе с валом электродвигателя.

Поступательное движение проволоки осуществляется следующим образом. При вращении вала электродвигателя клин проворачивается вокруг проволоки. Поскольку вращеГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки нию проволоки вместе с валом препятствуют прижимные ролики, то клин, находясь под определенным углом к оси проволоки, выталкивает ее из вала либо в сторону горелки, либо в противоположную сторону в зависимости от направления вращения электродвигателя. При этом усилие проталкивания велико и соответствует усилию при подаче проволоки обычным роликовым механизмом, так как в обоих случаях используется один и тот же принцип: вдавливание в поверхность проволоки выступа на поверхности подающего ролика, а в предлагаемом устройстве — клина.

При таком механизме подачи для получения требуемой скорости подачи сварочной проволоки необходимо, чтобы вал электродвигателя вращался со скоростью 1000–3000 об/мин.

Это позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу электродвигателя. Ступенчатая регулировка скорости подачи проволоки производится установкой клина в различные прямоугольные отверстия, выполненные под разными углами к оси проволоки. Плавная регулировка скорости подачи производится изменением напряжения на электродвигателе. Кроме возможности уменьшения массы электродвигателя и исключения редуктора, предлагаемое устройство позволяет также при необходимости улучшить перенос электродного металла. Этого можно достигнуть, если ось вала электродвигателя сместить вверх или вниз относительно плоскости, в которой расположена ось сварочной проволоки в прижимных роликах, что позволяет подавать проволоку толчками с регулируемой амплитудой и частотой. Амплитуда регулируется смещением оси вала относительно оси проволоки в роликах, а частота — частотой вращения вала электродвигателя. Поскольку скорость вращения вала составляет 1000–3000 об/мин, то частота вибрации сварочной проволоки составит также 1000–3000 колебаний в минуту, что улучшит параметры переноса электродного металла. Кроме того, вибрация такой частоты значительно уменьшит усилие при прохождении проволоки через шланг полуавтомата (уменьшится сила трения), что Электродуговая сварка: практика и теория в свою очередь позволит снизить усилие на клине и облегчит условия работы подающего механизма, а также снизит требования к чистоте канала, по которому проходит сварочная проволока в шланге полуавтомата.

Абсолютно полностью устранить биение сменной втулки при вращении вала невозможно, поэтому на передней части вала желательно установить два подшипника, а вместо заднего подшипника — самоцентрирующийся подшипник. Можно также отказаться от сменной втулки, а клин вместе с прижимной гайкой, прижимом, контргайкой и сменной износостойкой прокладкой располагать непосредственно на валу электродвигателя, что позволит уменьшить длину подающего механизма, т. е. исключить ту часть устройства, которая на рис. 1 обозначена штриховой линией, а также устранить часть сопрягаемых поверхностей.

При трении проволоки об износостойкую прокладку возможно выделение большого количества теплоты. Поэтому перед электродвигателем можно установить малогабаритную крыльчатку, что при больших оборотах вала обеспечит достаточное охлаждение. Крыльчатку можно также установить и в задней части электродвигателя и направлять воздух через отверстие к валу.

Возможность практического использования предлагаемого механизма подачи проволоки проверена экспериментально.

На рис. 2 приведено устройство, имитирующее предлагаемый механизм: в валу устройства выполнено осевое отверстие, через которое проходит сварочная проволока, к которой прижимной гайкой прижат клин. Вал зажимался в патроне токарРис. 2. Экспериментальная модель подающего устройства Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки ного станка, а проволока удерживалась от вращения вместе с валом пассатижами. В зависимости от числа оборотов патрона токарного станка изменялась скорость подачи проволоки.

1.4. Механизм подачи сварочной проволоки, расположенный в валу электродвигателя В настоящее время применяются механизмы для подачи сварочной проволоки, размеры и вес которых не уступают размеру и весу самого электродвигателя. В разделе 1.3 предложена конструкция подающего механизма, расположенного в валу электродвигателя. Такого типа механизм подачи проволоки позволяет не только многократно уменьшить вес, габариты и трудоемкость изготовления подающего механизма, а значит и его стоимость, но и, при необходимости, оказывать влияние на технологические параметры процесса сварки.

Целью настоящего раздела является разработка видоизмененной конструкции подающего механизма, расположенного в валу электродвигателя, и описание его преимуществ перед применяемыми, чтобы заинтересовать исследователей в изготовлении и проведении всесторонних испытаний такого механизма-электродвигателя, так как автор настоящей работы не имеет на это денежных средств.

На рис. 3 показано схематичное изображение предлагаемого электродвигателя. В полом валу 1 электродвигателя вкручена подающая втулка 3, с помощью паза под отвертку 4.

Втулка 3 закреплена от возможности поворота в валу 1 двумя винтами 5, упирающимися в лыски во втулке 3. Винты 5 закреплены стопорным кольцом 6. Прижимные ролики 8 препятствуют вращению проволоки 9 вместе с валом электродвигателя. Для проводок диаметром dпр = 1,0…2,0 мм внешняя Рис. 3. Схема электродвигателя с механизмом подачи проводки, Рис. 4. Конструкция подающей втулки для проволок с dпр = 1,0...1,4 мм резьба втулки 3 может быть равна М6, а её длина — 8...16 мм (8 dпр), т.е. габаритные размеры расширенной части вала, являющейся по сути дела подающим механизмом, для указанных диаметров проволоки не превышают размеров обычного наперстка. Для того чтобы один и тот же электродвигатель можно было использовать для любой из проволок указанного диапазона диаметров, втулку 3 заданной длины для проволок с dпр = 1,0...1,4 мм можно изготавливать так, как показано на рис. 4. Во втулке 3 выполнена резьба, внутренний диаметр которой на 0,05...0,2 мм (в зависимости от диаметра и матеГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки риала проволоки) меньше dпр. При вращении втулки 3 вместе с валом 1 проволока подается вперед в результате того, что прижимные ролики 8 препятствуют ее вращению вместе со втулкой 3. Глубина проникновения зубьев резьбы во втулке в проволоку при этом не превышает 0,1 мм, что обеспечивает достаточно большое усилие проталкивания проволоки. При этом нарезание резьбы на поверхности проволоки происходит путем вдавливания зубьев втулки 3 в поверхность проволоки без образования стружки.

Особо необходимо отметить, что усилие по вдавливанию воспринимает лишь небольшая часть первого витка внутренней резьбы втулки 3. После некоторого изнашивания этой части переднего витка в работу вступает следующая часть этого же витка наряду с первой и т.д. Причем удельная нагрузка на зубья последующих витков резьбы по мере истирания передних витков будет всё меньше, так как передние зубья резьбы и после истирания также частично будут вминаться в проволоку. Поэтому при правильно выбранном материале втулки 3 и соответствующей закалке, втулка 3 может работать весьма длительный срок даже при сварке стальной проволокой, а при сварке «мягкими» проволоками из алюминия, меди и их сплавов почти неограниченно долго.

Изготовить метчики для нарезания внутренней резьбы во втулке 3 с требуемыми размерами и формой зуба можно в любом инструментальном цехе крупного завода. Вероятно, наиболее оптимальной формой зуба будет та, которая показана на рис. 5.

При изменении направления вращения вала проволока может подаваться в обратную сторону.

Выполнять лыски и соблюдать точную длину сменных втулок, расположение которых в валу будет точно таким же, что и первоначальной, можно в приспособлении, показанном на рис. 6а, б. На рис. 6а изображена пластина со сквозной резьбой, в нижней части которой вкручен болт, законтренный гайкой, который позволяет точно фиксировать положение Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 5. Вероятная оптимальная форма зуба, I-I — ось внутренней резьбы во втулке. Стрелкой указано направление движения проволоки при сварке. Меньшее значение для проволок из «мягких»

Рис. 6. Приспособление для изготовления подающей втулки первоначальной втулки так, чтобы лыски были параллельны боковым торцам пластины при вкручивании её в верхнюю часть отверстия*. Поэтому после вкручивания в это отверстие * После установки болта в требуемом положении, когда лыски первоначальной втулки будут параллельны боковым торцам пластины, болт и гайку желательно приварить к пластине, не выкручивая первоначальную втулку.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки заготовки под новую втулку, она будет расположена в отверстии так же, как и первоначальная. Лыски на втулке и паз под отвертку выполняются одновременно тремя фрезами (см.

рис. 6б). Аналогично можно изготовить и винты 5 с резьбой М4, которые должны быть закалены.

Ролики 8 (рис. 3) необходимо располагать как можно ближе к валу 1, для чего они должны быть малого размера.

Работоспособность предложенного механизма проверена экспериментально на приспособлении, показанном на рис. 7.

При вращении втулки проволока втягивается во втулку, если её удерживать от вращения вместе со втулкой пассатижами. Для экспериментов использовалась стальная проволока 2,6 мм и закаленная втулка, выполненная из стали 45, с диаметром внутреннего отверстия под резьбу М3, равного 2,5 мм, что обеспечивало глубину проникновения зубьев резьбы в проволоку на 0,05 мм. Такая втулка позволяет подавать в зону сварки сильно изогнутую проволоку (см. рис. 7), которую обычные механизмы подачи проволоки без предварительной рихтовки не смогли бы подавать в зону сварки. При этом после прохождения через втулку проволока полностью выпрямляется (см. рис. 7). Усилие проталкивания проволоки зависит от её диаметра, материала и глубины проникновения зубьев Рис. 7. Втулка, имитирующая работу предлагаемого механизма Электродуговая сварка: практика и теория резьбы в поверхность проволоки и для стальной проволоки 2,6 мм может достигать более 20 кг. Наличие еле заметных рисок на поверхности проволоки не должно оказывать влияние на прохождение проволоки через шланг полуавтомата и токоподводящий наконечник, так как ролики с насечкой в обычных механизмах подачи проволоки оставляют вмятины на её поверхности, размеры которых во много раз больше.

Требуемая скорость подачи проволоки этим механизмом обеспечивается числом оборотов электродвигателя и шагом внутренней резьбы во втулке 3. В зависимости от диаметра и материала проволоки, режима сварки, полярности и защитного газа для проволок с dпр = 1,0…2,0 мм и скорости подачи проволоки 50…300 м/ч [5] число оборотов электродвигателя должно изменяться в пределах (1,5…10) · 103 об/мин*, что, в свою очередь, позволяет уменьшить и габариты самого двигателя.

Кроме того, предлагаемый механизм позволяет сообщать проволоке продольные колебания, частота которых соответствует частоте вращения вала электродвигателя. Это достигается следующим.

Резьбовое отверстие во втулке несколько смещается относительно её оси, при этом необходимо на столько же или несколько больше сместить и ось вала относительно оси расположения проволоки в роликах 8 (см. рис. 8).

Пусть ось резьбового отверстия смещена относительно оси втулки на «с» мм, и вал электродвигателя, как это показано на рис. 8, смещен вниз относительно оси проволоки в прижимных роликах такжe на «с» мм так, что ось проволоки в * Для проволок с dпр > 2 мм в связи с тем, что требуемая скорость подачи этих проволок значительно меньше, а шаг внутренней резьбы во втулке 3 может быть значительно больше, верхний предел числа оборотов электродвигателя при необходимости может быть уменьшен в 2…4 раза, при этом наружная резьба на втулке 3 может быть М8 или М10, а диаметр утолщения на левом торце электродвигателя равен 14 мм или 16 мм соответственно при длине втулки 20 мм (см. рис. 3).

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Рис. 8. Схема расположения осей проволоки в прижимных роликах и подающей втулки при смещении оси вала электродвигателя вниз роликах совпадает с осью проволоки во втулке в крайнем верхнем положении вала. Тогда ось проволоки во втулке по отношению к оси проволоки в роликах в крайнем нижнем положении отклоняется на «2с» мм. В этом случае при вращении вала продольная максимальная амплитуда колебаний (аmax) проволоки будет изменяться в пределах: 0 аmax в2в2 – 4с2 – в и при 0,2 мм с 1 мм, и в = 20 мм. аmax будет изменяться в пределах 0,04 мм аmax 0,1 мм соответственно*. Вместе с тем, небольшие и, к тому же, продольные колебания проволоки не должны оказывать заметного воздействия на руку сварщика при полуавтоматической сварке, так как масса горелки вместе со шлангами более чем на два порядка превышает массу проволоки, находящейся в шланге. Кроме того, продольные колебания проволоки с частотой 25…160 1/с должны заметно уменьшить силу трения проволоки при прохождении через шланг, что обеспечивает меньшее усилие проталкивания проволоки, а, значит, и меньшую требуемую * При шаге резьбы в отверстии втулки меньше «4с» ролики при продольных колебаниях проволоки будут периодически, с частотой колебаний проволоки, менять направление вращения, поэтому в этом случае необходимо при минимальной массе роликов обеспечить их максимальный диаметр в пределах допустимых размеров (см. рис. 3).

Электродуговая сварка: практика и теория мощность электродвигателя, что в свою очередь может позволить дополнительно снизить его габариты.

Технологические преимущества предлагаемого механизма подачи проволоки перед применяемыми заключается в следующем. В работе [2] установлено, что наложение низкочастотных колебаний на электрод в пределах 5…80 1/с оказывает заметное положительное влияние на перенос электродного металла и характеристики его плавления. Вибрация же электрода с частотой 25…160 1/с, которую обеспечивает предлагаемый механизм, вероятно, окажет еще большее влияние не только на перенос металла и характеристики плавления электрода, но и на интенсивность протекания физико-химических реакций в капле, образующейся на торце электрода, так как в работах [3, 4] отмечается уменьшение выгорания лигирующих элементов при наложении вибрации на проволоку, что, кроме того, должно влиять и на сам процесс горения дуги.

Кроме того, в работе [2] указывается, что наложение низкочастотных колебаний с малой амплитудой на электрод влияет и на качество сварного шва, улучшая его механические свойства и снижая вероятность образования пор и трещин.

Поэтому предлагаемый механизм подачи сварочной проволоки, вероятно, также позволит улучшить и механические свойства сварных швов, что особенно будет заметно при сварке с короткими замыканиями, когда капля периодически соединяет вибрирующий электрод с жидким металлом сварочной ванны. Этот эффект можно увеличить, если вибрации в ванну дополнительно вводить и от корпуса электродвигателя, направляя их либо вдоль шва, либо под углом к нему, что можно обеспечить наличием соответствующей механической связи, соединяющей корпус электродвигателя со свариваемыми деталями.

Кроме того, в работах [3, 4] установлено, что вибрация проволоки позволяет вести устойчивый процесс сварки проволокой одного и того же диаметра на значительно меньших токах, т.е. при значительно меньших скоростях подачи проГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки волоки, что возможно позволит при необходимости снизить верхний предел числа оборотов электродвигателя, что в свою очередь может позволить упростить требования к его конструкции.

Таким образом, предложенный механизм подачи проволоки, очевидно, способен оказать заметное влияние на протекание всех процессов как на электроде, так и в ванне и даже в самой дуге.

К недостаткам предлагаемого механизма относится возможность засорения впадин между зубьями резьбы в отверстии во втулке загрязнениями на поверхности проволоки.

Это можно устранять, периодически прочищая метчиком соответствующей конструкции резьбу, вворачивая его во втулку с правой части вала и дополнительно очищать проволоку, зажимая её между пластинами войлока, как это иногда делают сварщики, что позволит дополнительно улучшить качество сварного шва в связи с уменьшением загрязнений на проволоке. Кроме того, при трении зубьев резьбы о поверхность проволоки, возможно, будет выделяться большое количество тепла, вредное действие которого можно устранять подачей воздуха от небольшой крыльчатки, расположенной на правой части вала, во внутрь вала электродвигателя. Для образования устойчивого потока воздуха в этом случае предусмотрены отверстия 7 в валу 1 (см. рис. 3).

Отличительной особенностью предложенного механизма от известных [1, 5, 6] является то, что он может при необходимости обеспечивать как постоянную (с плавной регулировкой) скорость подачи проволоки, так и подачу с осевой вибрацией проволоки.

Если на предприятие поступает проволока с отклонениями от номинального диаметра, например, не 1,6 мм, а 1,58 мм, то можно использовать вместо цельной втулки 3 (см. рис. 3), эту же втулку, состоящую из двух частей, которые прижимаются к поверхности проволоки прижимным болтом 2 с помощью конического отверстия в валу электродвигателя (см. рис. 9).

Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 9. Конструкция подающей втулки для проволок с изменяющимся номинальным диаметром При этом в половинках разъемной втулки не обязательно выполнять резьбовую подающую поверхность, прижимаемую к поверхности проволоки: на рабочих поверхностях этих половинок может быть выполнена косозубая насечка.

Предложенный механизм подачи сварочной проволоки в десятки раз меньших размеров, веса, трудоемкости изготовления и примерно во столько же раз более простой по конструкции в сравнении с применяемыми механизмами, который, кроме того, при необходимости можно использовать для придания проволоке продольной вибрации, что, возможно, может оказать существенное положительное влияние на процесс плавления электрода, формирование и свойства сварных швов.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки 1.5. Токоподводящие наконечники многократного использования для сварочных горелок В настоящее время токоподводящие наконечники после изнашивания внутреннего отверстия повторно не используют, что приводит к нерациональному расходу дефицитного материала. Автор настоящего издания в этом разделе и в работе [5] предлагает простые способы их многократного применения.

Так, в изношенных наконечниках можно рассверлить внутреннее отверстие под сварочную проволоку большего диаметра, что увеличит срок их службы.

При полном износе отверстия обычный токоподводящий наконечник можно использовать в качестве держателя для наконечника меньших размеров (рис. 10). Токоподводящий наконечник меньших размеров изготовляют из того же материала, что и обычный, однако материало- и трудоемкость его изготовления значительно меньше. При этом срок службы такого наконечника больше, чем наконечника обычной длины, что обусловлено меньшим износом от прижатия проволоки, имеющей остаточную кривизну (после сматывания с кассеты), к стенкам отверстия наконечника (см. таблицу 1).

Для проволок диаметром dпр < 1,2 мм диаметр предлагаемого токоподводящего наконечника составляет dн = 4–5 мм, а длина 6–7 мм. При этом длина его резьбовой части равна 3–4 мм. Для проволок с 1,2 < dпр< 2,0 мм dн = 5–6 мм, а длина наконечника и его резьбовой части такие же.

Рис. 10. Вариант использования токоподводящего наконечника в качестве держателя наконечника меньшего размера Длина наконечника, Износ после сварки Износ «токосъемного»

Примечание. Режим сварки в углекислом газе проволокой Св-08Г2С диаметром 2 мм: ток (обратной полярности) 500 А, напряжение дуги 31 В, длина вылета проволоки — 20 мм.

Для более рационального использования дефицитных материалов предлагается новая конструкция токоподводящих наконечников (рис. 11). Такие наконечники наиболее пригодны для автоматической сварки под флюсом. При сварке угловых и тавровых соединений наконечник устанавливают таким образом, чтобы его ось располагалась вдоль сварного шва.

Диаметр токоподводящего наконечника следует подбирать в зависимости от диаметра сварочной проволоки, т.е. d н = = 12–16 мм при 1,2 dпр 2,0 мм. Длину наконечника выбирают, исходя из удобства проведения сварочных работ. Расстояние Рис. 11. Крепление токоподводящего наконечника на сварочной горелке 3 (2 — прижимная гайка) Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки между крайними отверстиями и торцами токоподводящего наконечника ’ выбирают в зависимости от диаметра сварочной горелки и размеров прижимной гайки.

После изнашивания отверстия токоподводящего наконечника прижимную гайку слегка откручивают и наконечник поворачивают вокруг своей оси до плотного прижатия к сварочной проволоке. При повторном износе отверстия эту операцию повторяют. И так до тех пор, пока отверстие не превратится в паз, площадь сечения которого равна или больше оставшейся неизрасходованной части поперечного сечения токоподводящего наконечника (рис. 12).

Рис. 12. Сечение токоподводящего канала наконечника Для замены отверстия токоподводящего наконечника прижимную гайку откручивают, проволоку вынимают из образовавшегося паза и просовывают в следующее, еще не использованное отверстие наконечника. И так до тех пор, пока не будут поочередно использованы все имеющиеся в нем отверстия. Срок службы такого наконечника во много раз больше обычного: использование только одного отверстия в нем позволяет заменить примерно 20 обычных наконечников. Поэтому при наличии в мундштуке шести-восьми отверстий им можно заменить примерно 150 обычных мундштуков.

Электродуговая сварка: практика и теория 1.6. Конструкция токоподвода к сварочной проволоке Для подвода тока к сварочной проволоке применяют сменные медные наконечники цилиндрической или конусообразной формы длиной 10–15 диаметров проволоки, устанавливаемые на стволе горелки с помощью резьбы. В связи с быстрым изнашиванием эти наконечники приходится часто менять, а изготовление их достаточно трудоемко и требует значительных расходов меди.

В работе [6] и настоящем разделе разработана конструкция токоподвода к проволоке (рис. 13), позволяющая уменьшить расход меди и снизить трудоемкость изготовления сменного токоподводящего наконечника. В сварочной горелке установлен медный (или латунный) переходник 2, на котором с помощью гайки 3 закреплен сменный наконечник 4. Для проволок диаметром dпр 1 мм высота сменного наконечника составляет 3 мм, а для 1 < dпр 2 мм — 3 dпр. Наконечник в этом случае может быть либо цилиндрической, либо прямоугольной формы и, соответственно, изготовлен из медных прутков или полосы. В последнем случае отходов меньше.

Для исключения возможных колебаний проволоки в зоне горения дуги рекомендуется применять направляющую вставку из износостойкого материала (рис. 14а).

Рис. 13. Конструкция токоподвода к сварочной проволоке Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Рис. 14. Конструкция токопровода к сварочной проволоке с износостойкими направляющими вставками различной формы (а) и со сменным наконечником конической формы (б) Приведенная конструкция (см. рис. 13) токоподвода к сварочной проволоке обеспечивает кольцевую газовую защиту зоны горения дуги. Для осуществления сплошной защиты Электродуговая сварка: практика и теория и уменьшения материалоемкости сменного наконечника его можно изготовлять в виде усеченного конуса (рис. 14б). Такая конструкция наконечников наиболее целесообразна при их серийном производстве. Для проволок с dпр 1 мм меньший диаметр усеченного конуса составляет 3 мм, высота наконечника — 4 мм, а для проволок с 1 < dпр 2 мм — 4 и 5–6 мм соответственно.

Предлагаемые конструкции токоподвода к сварочной проволоке можно использовать для горелок, применяемых при механизированной и автоматической сварке.

1.7. Мундштуки для крепления «сапожков»

на горелках при сварке тонкими проволоками В настоящее время при дуговой сварке тонкими проволоками (диаметром 1,2 мм) мундштуки для крепления токоподводящих «сапожков» изготовляют из меди или латуни. Срок службы, обусловленный износом стенок отверстия латунных мундштуков, составляет примерно пять-шесть рабочих смен, а медных — еще меньше.

Для увеличения срока службы, уменьшения трудоемкости изготовления и устранения расхода цветных металлов в настоящем разделе и в работе [7] мундштук предлагается изготовлять из стандартных стальных винтов с соответствующей резьбой с головкой «под ключ» или «под отвертку».

Поскольку при сварке токоподвод к проволоке осуществляется через «сапожок», а не через мундштук (рис. 15), замена медных или латунных мундштуков на стальные не влияет на процесс сварки. Срок использования мундштуков, выполненных из стандартных винтов, в 10–20 раз больше, чем латунных.

Для просверливания отверстий в винтах желательно сделать специальное приспособление (рис. 16).

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Рис. 15. Схема крепления токоподводящего «сапожка» к сварочной горелке 4 посредством мундштука Рис. 16. Приспособление для просверливания отверстий Для большего увеличения срока службы мундштуков их можно изготавливать из закаливающихся сталей с последующей термообработкой (рис. 17). Срок их службы составляет Рис. 17. Конструкция мундштука из закаливающейся стали Электродуговая сварка: практика и теория не менее 200 рабочих смен. Так, в мундштуках, изготовленных из стали 45 с последующей термообработкой (до НRС 38), после работы в течение двух месяцев не было обнаружено даже следов износа стенок отверстия.

1.8. Токоподвод к сварочной проволоке при многократном использовании сменных наконечников Сменные наконечники для подвода тока выполнены в виде ступенчатого цилиндра с резьбой и осевым отверстием, длина которого составляет 10–15 диаметров сварочной проволоки dп [16]. Эти наконечники сложны в изготовлении, материалоемки и используются 1 раз [5].

В настоящем разделе и в работе [8] предлагается конструкция токоподвода для сменных наконечников в виде шайбы или усеченного конуса [5], что позволяет многократно их использовать, при этом материалоемкость и трудоемкость изготовления снижаются.

На рис. 18 показан токоподвод в сборе. Прижимная гайка 9, втулка 4 и дополнительная втулка 5 изготовлены из латуни (желательно ЛС59), а сменный токоподводящий наконечник 8, выполненный в виде шайбы, — из меди. Регулировочный винт 2 с резьбой М4 изготовлен из стали с последующей закалкой до максимально возможной твердости. Отверстия для выхода защитного газа 3 желательно располагать справа от регулировочного винта, как показано на рисунке. Паз 7 во втулке 4 протачивают на фрезерном станке дисковой фрезой с минимально возможным диаметром. Ширина паза — dп + + (0,2–0,3) мм. Для закрытия паза на его стенках выполняют фаски, в паз вставляют пластину или проволоку 6, диаметр Рис. 18. Конструкция токоподвода к сварочной проволоке (диаметр гайки 9 и втулки 4 для проволок dп 1,6 мм равен 12 и 14 мм соответственно, Электродуговая сварка: практика и теория которой соответствует ширине паза, и приваривают к стенкам. Для предотвращения смещения пластины или проволоки перед сваркой в паз втулки помещают деревянную прокладку, которую после сварки удаляют. Наружный диаметр сменного наконечника, выполненного в виде шайбы, равен 3dп + 2 мм, а его длина = (2…3) dп. Длина L втулки 4 определяется для каждого типа горелок исходя из их размеров. Дополнительную втулку 5 устанавливают при необходимости увеличения длины предлагаемого устройства, так как длина втулки ограничивается возможной глубиной сверления отверстия диаметром dп + 1 мм.

При использовании наконечников в виде усеченного конуса [5] диаметр его меньшего основания должен равняться 3 dп, а наружные диаметры прижимной гайки 9 и втулки 4 (см.

рис. 18) должны быть одинаковыми и такими, как показано на рис. 2б работы [5] и раздела 1.6. Для установки конусообразного наконечника в требуемое положение на торце гайки делают глубокую черту, параллельную стенкам паза, что позволяет с первого раза повторно устанавливать наконечник после образования в нем очередного паза.

Устройство работает следующим образом. После изнашивания осевого отверстия токоподводящего наконечника сварочную проволоку прижимают к наконечнику регулировочным винтом до тех пор, пока она не будет касаться отверстия прижимной гайки. При этом отверстие в наконечнике приобретает форму паза (см. рис. 19, I). Затем снимают прижимную гайку, наконечник поворачивают на 180° вокруг сварочной проволоки и вновь прижимают ко втулке. ПоследовательРис. 19. Последовательность расположения пазов в наконечнике при повторном использовании Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки ность расположения протертых проволокой пазов в наконечнике при повторном использовании показана на рис. 19.

Таким образом, долговечность сменных наконечников в форме шайбы или усеченного конуса при использовании в токоподводе предлагаемой конструкции в 6–8 раз больше обычных наконечников при низких материалоемкости и трудоемкости изготовления.

1.9. Усовершенствованная конструкция токоподвода к сварочной проволоке для многократного использования сменных токоподводящих наконечников В работе [11] и в разделе 1.8 предложена конструкция токоподвода к сварочной проволоке для многократного использования сменных токоподводящих наконечников. Однако его внутренняя часть при прохождении сварочной проволоки подвергается трению, что снижает долговечность токоподвода.

В настоящем разделе и в работе [11] предлагается более простой в изготовлении и долговечный токоподвод (рис. 20).

Во втулке 1, выполненной из латуни, просверлено отверстие 2, диаметр которого на 0,2–0,3 мм больше диаметра dб устанавливаемого в нем боудена 9. Последний упирается в отверстие 4, диаметр которого на 0,3–0,5 мм меньше dб. В верхней части втулки установлен винт 3, прижимающий проволоку к сменному наконечнику 5, установленному на переднем левом торце втулки с помощью прижимной гайки 6. В нижней части втулки пальчиковой фрезой выполнен паз 8, ширина которого равна диаметру отверстия 2. Съемный кожух 7 на боковой поверхности втулки (рис. 21) предотвращает выход защитного Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 20. Токопровод к сварочной проволоке газа через паз. Основные конструктивные размеры токоподвода приведены на рис. 20. Для проволок диаметром не менее 1,6 мм А = 8–10 мм, а диаметром не более 1,4 мм — 6–8 мм, в реальных условиях форма изгиба диаметра проволоки и боудена зависит от их жесткости и для проволок разных диаметров и марок будет различна.

Чтобы площадь токоподводящего сечения втулки была как можно больше для предотвращения перегрева токоподвода при применении проволок диаметром, равным 1,8 и 2,0 мм, dб должен быть минимальным.

С аналогичной целью вместо боудена в пазе 8 можно располагать скобу (рис. 22). При этом диаметр отверстия 2 во втулке и ширина паза должны быть соответственно уменьшены.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Рис. 22. Скоба для предотвращения истирания стенок паза при использовании токоподвода без боудена С этой же целью в пазе можно располагать металлическую, хорошо закаленную трубу с фасками по краям внутреннего отверстия, через которую проходит проволока. Желательно, чтобы внутренний диаметр трубки на 0,3–0,5 мм превышал dп, а толщина стенки трубки составляла 0,3–0,5 мм.

При этом ширина паза и диаметр отверстия 2 во втулке должны быть больше наружного диаметра трубки на 0,2 мм. Такую трубку для проволок диаметром 0,8–2,0 мм несложно изготовить на токарном станке.

На токоподвод можно устанавливать как сменные наконечники [7, 8] с помощью прижимной гайки [11], материалоемкость которых во много раз меньше, а долговечность значительно больше, чем у обычных наконечников, так и обычные наконечники в виде длинного цилиндра с наружной резьбой и осевым отверстием для прохождения проволоки [16]. При этом срок службы наконечников в виде цилиндра, если их устанавливать на предлагаемом токоподводе, увеличивается в 6–12 раз Электродуговая сварка: практика и теория в зависимости от диаметра проволоки. Для установки обычных наконечников в левой части втулки вместо наружной резьбы выполняют внутреннюю, соосную отверстию 4 во втулке, диаметр которой равен диаметру резьбы на обычном сменном наконечнике, а длина резьбы должна быть такой, чтобы часть отверстия 4 длиной 1–2 мм сохранилась для фиксации боудена или трубки.

Многократное вкручивание или выкручивание винта (см. рис. 20) при длительной работе токоподвода может привести к тому, что под действием вибрации движущейся проволоки винт может самопроизвольно проворачиваться, что ухудшит работу токоподвода. Для устранения этого по мере изнашивания на винт можно наносить гальваническое покрытие или одну из сторон винта слегка обмазывать краской.

Аналогично можно поступать и со втулкой при изнашивании резьбы под прижимной винт 3 либо прижимную гайку 6.

При каждом повторном вкручивании винта 3 во втулку при очередном изнашивании внутреннего отверстия в наконечнике 5 винт должен проворачиваться не более чем на полоборота.

1.10. Переносное универсальное устройство для формирования корня сварного шва В настоящем разделе и в работе [9] предлагается универсальное устройство (см. рис. 23), которое с помощью неподвижной 1 и подвижной 4 скоб крепится к свариваемым деталям 9. Двумя пневморукавами 8 и 12 флюс 11 удерживается в устройстве, а пневмополостью 10 он поджимается к стыку. Это позволяет сваривать стыки деталей, расположенные не только на плоской, но и на выпуклой поверхностях.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Рис. 23. Переносное универсальное устройство Для обеспечения сварки стыков различной длины пневморукава в собранном виде намотаны на кассету 7. Самокрепящаяся скоба 5 и храповик 6 предназначены для предотвращения их разматывания при подаче сжатого воздуха*.

1.11. Электрододержатель для ручной дуговой сварки В настоящее время наиболее широкое применение в промышленности приобрели вилочные электрододержатели, недостатком которых является остающиеся после окончания сварки достаточно длинные огарки электродов. Это обусловлено * При использовании устройства для сварки стыков примерно одинаковой длины наличие кассеты 7 и скобы необязательно.

Электродуговая сварка: практика и теория тем, что в вилочном держателе зажатие электрода осуществляется не только за оголенную его часть, но и частично за покрытие.

В настоящем разделе предлагается новый достаточно простой электрододержатель, позволяющий значительно уменьшить длину остающихся огарков и, тем самым, сократить расход электродов (см. рис. 23).

В головке 2 предлагаемого электрододержателя с помощью винта 3 с рукояткой 4 закрепляется электрод 5, который предварительно устанавливается до упора в отверстие 9 головки 2 так, чтобы оголенная часть электрода 5 не полностью входила в отверстие 9. Ось винта 3 располагается перпендикулярно оси отверстия 9, а, значит, и перпендикулярно оси электрода 5. Резьба на винте 3 выполнена М8 с шагом, равным 1 мм, что позволяет надежно закреплять электроды диаметрами 2, 3, 4 и 5 мм, которые наиболее часто применяются в промышленности.

При этом, после прижатия электрода 5 любого из указанных диаметров рукоятка 4 всегда автоматически устанавливается в плоскости головки 2, в положении, показанном на рисунке, так как шаг резьбы винта 3 равен наименьшей разности указанных диаметров электродов.

Рис. 24. Электродержатель для ручной дуговой сварки:

1 — токоподводящая часть; 2 — головка; 3 — стальной винт с резьбой М81; 4 — рукоятка; 5 — электрод; 6 — рукоятка, выполненная из изоляционного материала; 7 — болт; 8 — сварочный кабель Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Для того чтобы рукоятка 4 всегда выставлялась в этом положении при плотном прижатии электрода 5 винтом 3, необходимо вначале вставить в отверстие 9 электрод одного из указанных выше диаметров, например, диаметром 3 мм, и закрутить винт 3 с достаточно большим усилием, например, с помощью плоскогубцев или тисков, а уже потом приварить рукоятку к винту 3 в положении, показанном на рисунке.

Отверстие 10 выполнено для того, чтобы брызги металла не попадали на резьбу винта 3.

Рукоятку 4 после сварки желательно обмотать матерчатой изолентой, чтобы при сварке, в результате случайного касания рукоятки 4 об изделие, не портилась резьба винта 3 и соответствующего ему резьбового отверстия в головке 2.

Такое крепление электродов позволяет использовать всю обмазанную часть электрода, за исключением 5...7 мм, остающихся у нижней части головки 2.

При необходимости сварки с другим углом наклона электрода 5 к токоподводящей части 1 электрододержателя, электрод, после закрепления его в головке 2, можно согнуть рукой, что на практике не сложно сделать даже для электрода диаметром 5 мм. При этом обмазка от электродов не отскакивает.

Диаметр отверстия 9 желательно делать не более 6 мм.

Держатель можно выполнить из листовой стали толщиной 10...12 мм.

1.12. Способы заварки малых отверстий и трещин в паро- и газотрубопроводах Для заварки отверстий или трещин в паро- или газопроводе обычно необходимо перекрыть подачу пара или газа и подождать когда весь пар или газ выйдет из трубопровода, на что затрачивается много времени.

Электродуговая сварка: практика и теория В настоящем разделе предлагается два способа, позволяющих производить заварку паро- или газотрубопроводов без затрат времени на уменьшение давления пара или газа в трубопроводе.

Вокруг небольшого отверстия или трещины навариваются два-три сварных шва в виде витков спирали, начало которой находится на некотором расстоянии от отверстия, таком, чтобы при наложении внутренних швов спирали, сварные швы частично перекрывали бы друг друга, а окончание спиралеобразного шва находилось бы в месте расположения отверстия или небольшой трещины.

Для заварки достаточно длинных трещин первые сварные швы должны навариваться параллельно оси трещины на некотором расстоянии от нее по очереди с разных сторон трещины. Так, если первый шов сделан справа от трещины, то второй шов должен быть наложен слева от нее. Последующие швы накладываются ближе к трещине, чем первые, в той же последовательности, причем так, чтобы последний шов был наложен на саму трещину.

Каждый из способов позволяет перед заваркой отверстия прогреть достаточно большой участок трубы вокруг отверстия, что способствует расширению стенок трубы в этом месте и закрытию небольшого отверстия или трещины, в результате чего утечка пара или газа через отверстие либо прекращается полностью, либо становится минимальной, что позволяет наложить, газонепроницаемый шов на место расположения отверстия или трещины.

Для удобства проведения работ место расположения отверстия на трубе отмечается взаимно перпендикулярными черточками, одна из которых параллельна оси трубы так, чтобы место пересечения черточек совпадало с отверстием, желательно также перед сваркой разметить мелом на трубе линии сварных швов, что сократит время сварки и уменьшит нежелательный отвод тепла на нагрев остальной части трубы.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки На трубах 1/2 или 3/4 достаточно накладывать 1,5... витка спирального шва или два продольных шва с каждой стороны трещины. Для больших диаметров труб количество швов необходимо увеличивать, но не более 3...4 витков спирального шва или такого же количества продольных швов, расположенных по каждую сторону трещины.

Тепловложение в трубу можно изменять, уменьшая или увеличивая ширину сварных швов, что приведет к соответствующему уменьшению или увеличению количества тепла, идущего на нагрев стенок трубы вокруг отверстия.

Сварные швы необходимо накладывать так, чтобы они перекрывали друг друга примерно на 1/3 своей ширины.

1.13. Горелка, позволяющая создавать электромагнитное поле в зоне сварки Горелка относится к области управления процессом электродуговой сварки электромагнитным полем и может быть использована при сварке плавящимся и неплавящимся электродами в среде защитных газов и под флюсом.

Известна горелка для управления процессом сварки электромагнитным полем, содержащая ствол подвода тока к электроду, сопло и установленный соосно соплу неплавящийся электрод, нерабочий конец которого навит по спирали.

Изготовление неплавящегося электрода такой формы значительно увеличивает расход дефицитного материала, идущего на его изготовление, так как спиральная часть электрода не используется для сварки, кроме того, срок использования спиральной части электрода ограничен сроком использования рабочей его части, которая имеет небольшую длину, значительно меньшую длины спиральной части электрода.

Электродуговая сварка: практика и теория Увеличение же длины рабочей части электрода невозможно, так как тогда магнитное поле, создаваемое током, проходящим по спиральной части неплавящегося электрода, не будет оказывать на процесс электродуговой сварки заметного влияния. Из-за малой длины рабочей части электрода требуется частая замена электрода вместе со спиральной его частью, что еще больше увеличивает затраты дефицитных материалов, идущих на изготовление неплавящихся электродов.

Вместе с тем технологические возможности горелки ограничены: конструкция горелки не обеспечивает возможность сварки плавящимся электродом; по мере износа рабочей части электрода расстояние от места сварки до спиральной его части меняется, что приводит к нарушению условий сварки, а значит, нарушает стабильность процесса сварки; отсутствует регулировка величины электромагнитного поля в месте сварки.

Известна также горелка, содержащая ствол, спиральный токоподвод, выполненный раздельно от ствола и электрода, причем горелка снабжена стержневым керамическим электродержателем, выполненным с токоподводящим элементом в виде шайбы, расположенным на его рабочем торце, а спиральный токоподвод расположен на электродержателе в контакте с токопроводящим элементом.

Недостатками этой горелки являются в частности: невозможность применения ее для сварки плавящимся электродом и невозможность регулировки величины магнитного поля в зоне сварки.

Целью раздела является расширение технологических возможностей горелки путем применения ее как для сварки неплавящимся, так и для сварки плавящимся электродом, а также путем регулировки величины магнитного поля в зоне сварки.

Указанная цель достигается тем, что внутри или в нижней части спирального токоподвода расположен подвижной токоподводящий узел с возможностью перемещения вдоль оси Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки спирального токоподвода, а в спиральном токоподводе предусмотрено устройство для крепления подвижного токоподводящего узла, например, стопорный винт, размещенный на боковой поверхности спирального токоподвода, выполненный из того же материала, что и спиральный токоподвод.

На рис. 25 показан общий вид горелки в разрезе, которая может быть использована не только для сварки плавящимся электродом, но и для сварки неплавящимся электродом; на рис. 26 показан съемный наконечник с продольным пазом для сварки неплавящимся электродом.

Рис. 25. Конструкция горелки для создания электромагнитного поля Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 26. Конструкция съемного наконечника для крепления в нем неплавящегося электрода Горелка для управления процессом сварки электромагнитным полем состоит из ствола 1 и спирали 2 для направления плавящегося электрода 3. На ствол 1 сварочной горелки крепится спиральный токоподвод 4, внутри которого по токопроводящей втулке 5 с помощью резьбового соединения крепится подвижный токоподводящий узел 6, на котором закреплен съемный наконечник 7. Крепление съемного наконечника 7 в форме конической шайбы осуществляется в коническом отверстии подвижного токоподводящего узла 6 за счет сил сцепления. Через съемный наконечник 7 проходит плавящийся электрод 3. Для крепления подвижного токоподводящего узла 6 в боковой поверхности спирального токоподвода 4 предусмотрен стопорный винт 8, выполненный из того же материала, что и спиральный токоподвод 4. Между витками спирального токоподвода 4 и между токоподводящей втулкой 5 и спиральным токоподводом 4 имеется изоляция 9, выполненная, например, из керамики. Сопло 10 крепится на стволе 1 сварочной горелки посредством изоляционной шайбы 11.

В месте соединения ствола 1 сварочной горелки и спирального токоподвода 4 спираль 2 для наплавления плавящегося электрода 3 растянута. Подвижный токоподводящий узел 6 сжимает спираль 2 для направления плавящегося электрода 3, что обеспечивает постоянное соприкосновение спиГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки рали 2 с подвижным токоподводящим узлом 6 независимо от его местоположения в спиральном токоподводе 4. Это гарантирует наличие направляющего канала для плавящегося электрода независимо от положения подвижного токоподводящего узла 6 в спиральном токоподводе 4.

Горелка работает следующим образом. При сварке сварочный ток проходит через ствол 1 сварочной горелки, спиральный токоподвод 4, токоподводящую втулку 5, подвижный токоподводящий узел 6, съемный наконечник 7 и плавящий электрод 3. При прохождении сварочного тока через спиральный токоподвод 4 вокруг него создается электромагнитное поле, оказывающее действие на дугу и жидкий металл сварочной ванны, зависящее, при заданной величине сварочного тока, от расстояния между спиральным токоподводом 4 и зоной сварки. Для того чтобы изменить интенсивность магнитного поля в зоне сварки, не изменяя параметров режима сварки (сварочного тока и вылета электрода), процесс сварки прекращается, сопло 10 снимается с изоляционной втулки 11, спиральный токоподвод 4 выкручивается из ствола 1 сварочной горелки, плавящийся электрод 3 вынимается из съемного наконечника 7 и из подвижного токоподводящего узла 6, после чего ослабляется стопорный винт 8 и отверткой посредством паза, имеющегося в верхней части подвижного токоподводящего узла 6, этот узел вращается так, чтобы переместить подвижной токоподводящий узел в нужную сторону.

После этого закручивается стопорный винт 8, плавящийся электрод 3 устанавливается в съемный наконечник 7, спиральный токоподвод 4 вкручивается в ствол 1 сварочной горелки и сопло 10 устанавливается на изоляционной втулке 11. Горелка вновь готова к сварке, и расстояние между зоной сварки и спиральным токоподводом 4, при сохранении вылета сварочной проволоки, изменилось. Это повлечет изменение магнитного поля в зоне сварки при постоянном режиме сварки.

Электродуговая сварка: практика и теория Для замены съемного наконечника 7 повторяются те же операции, что описаны выше, после чего подвижный токоподводящий узел выкручивается из токоподводящей втулки 5, съемный наконечник 7 вынимается из конического отверстия подвижного токоподводящего узла 6, например, пассатижами, в освободившееся отверстие вставляется новый съемный наконечник 7 и легким постукиванием впрессовывается в коническое отверстие подвижного токоподводящего узла 6. После чего повторяются операции, описанные ранее для изменения расстояния между токоподводом 4 и зоной сварки.

Для сварки плавящимся электродом 3 под флюсом сопло 10 и изоляционная втулка 11 не нужны, и их можно убрать.

Для сварки неплавящимся электродом в съемный наконечник 7 вставляется неплавящийся электрод. Регулировка интенсивности магнитного поля в зоне сварки и замена съемного наконечника при сварке неплавящимся электродом осуществляется так же, как и при сварке плавящимся электродом.

Только в этом случае для обеспечения надежного токоподвода к неплавящемуся электроду в съемном наконечнике 7 выполнен продольный паз (см. рис. 26).

Предлагаемую горелку для управления процессом сварки электромагнитным полем можно использовать для сварки не только неплавящимся, но и плавящимся электродом, кроме того, при ее использовании можно регулировать интенсивность магнитного поля в зоне сварки без изменения режима сварки. Применение такой горелки позволит улучшить параметры сварного шва и сварного соединения в целом. В месте соединения ствола сварочной горелки и спирального токоподвода спираль для направления проволоки растянута и сжата подвижным токоподводящим узлом, что обеспечивает постоянное соприкосновение спирали 9 с подвижным токоподводящим узлом независимо от его месторасположения в спиральном токоподводе. Это гарантирует наличие направляющего канала для проволоки независимо от положения подвижного токоподводящего узла в спиральном токоподводе.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки 1.14. Горелка, позволяющая создавать регулируемое магнитное поле Горелка относится к электродуговой сварке с управляющим магнитным полем и может быть использована при сварке плавящимся и неплавящимся электродами в среде защитных газов и под флюсом. Цель раздела — регулировка интенсивности магнитного поля путем изменения числа витков спирального токоподвода, по которым проходит ток сварки.

Горелка содержит корпус 1, на котором посредством гайки закреплен спиральный токоподвод 3. Ось токоподвода 3 совпадает с осью электрода 4. Для изменения интенсивности электромагнитного поля в зоне сварки гайку 2 перемещают по корпусу 1 и спиральному токоподводу 3, изменяя тем самым количество витков спирального токоподвода 3, по которым проходит ток.

На рис. 27 показана горелка для сварки плавящимся электродом, разрез; на рис. 28 — то же, вариант; на рис. 29 — горелка для сварки неплавящимся электродом.

Горелка для магнитоуправляемой сварки плавящимся электродом (рис. 27 и 28) состоит из корпуса 1, на котором посредством гайки 2, выполненной из токопроводящего материала, крепится спиральный токоподвод 3, через направляющий канал которого проходит плавящийся электрод 4.

Ток к плавящемуся электроду 4 подается через съемный наконечник 5, который закреплен на спиральном токоподводе с помощью гайки 6.

На рис. 27 изоляция плавящегося электрода 4 от спирального токоподвода 3 осуществляется токонепроводящим материалом 7, например, керамикой. Аналогичным материалом обеспечивается изоляция витков 9 спирального токоподвода 3 — один от другого и от корпуса 1.

Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 27. Горелка для создания Рис. 28. Вариант горелки для регулируемого магнитного поля создания регулируемого магнитв зоне сварки при сварке плавя- ного поля в зоне сварки при щимся электродом сварке плавящимся электродом На рис. 28 изоляция плавящегося электрода 4 от спирального токоподвода 3 осуществляется токонепроводящим материалом 7, размещенным между внутренней частью спирального токоподвода 3 и токопроводящей втулкой 10. Токонепроводящим материалом 4 обеспечивается изоляция витков Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки спирального токоподвода 3 — один от другого и от корпуса 1.

Горелка для сварки неплавящимся электродом (рис. 29) состоит из корпуса 1, на котором посредством гайки 2, выполненной из токопроводящего материала, крепится спиральный токоподвод 3. Неплавящийся электрод закреплен в цанговом зажиме 13 посредством гайки 6, в которой установлено кольцо 14, выполненное из токонепроводящего материала. Изоляция витков 9 спирального токоподвода осуществляется токонепроводящим материалом 15. Аналогичным материалом 15 осуществлена изоляция спирального токоподвода 3 от корпуса 1.

Горелка (рис. 27) работает следующим образом.

При прохождении тока через спиральный токоподвод 3 вокруг него создается электромагнитное поле, интенРис. 29. Горелка для сивность которого при постоянном токе создания регулируеопределяется количеством витков 9. мого магнитного Для изменения интенсивности элек- поля в зоне сварки тромагнитного поля гайку 2 переме- при сварке неплавящают по корпусу и спиральному токо- щимся электродом подводу 3, что позволяет изменить количество витков 9 спирального токоподвода 3, по которым проходит ток. Для замены съемного наконечника 5 отвинчивают гайку 6, удаляют съемный наконечник 5 и заменяют его на новый, после чего гайку 6 опять навинчивают на спиральный токоподвод 3. Аналогично работает и горелка, изображенная на рис. 28.

Горелка (рис. 29) работает так же, как и горелка на рис. 27.

Электродуговая сварка: практика и теория Для замены неплавящегося электрода 12 гайка 6 откручивается, неплавящийся электрод 12 вынимается из цангового зажима 13 и вставляется другой электрод. После чего гайка накручивается на спиральный токоподвод 3 с усилием, обеспечивающим плотное прижатие цангового зажима 13 к неплавящемуся электроду 12 и спиральному токоподводу 3.

Предлагаемая горелка позволяет применять ее не только для сварки неплавящимся электродом, но и для сварки плавящимся электродом.

Изготовление спирального токоподвода не из дефицитных и дорогих материалов, идущих на изготовление неплавящихся электродов, а из менее дефицитных и значительно более дешевых материалов, например меди, и неограниченный срок службы спирального токоподвода позволяет значительно уменьшить расход материалов, идущих на изготовление неплавящихся электродов, и тем самым значительно снизить стоимость выполнения сварочных работ. Предлагаемая горелка позволяет также увеличить стабильность процесса сварки.

1.15. Улучшение формирования сварных швов с помощью электромагнитного поля В настоящее время при сварке плавящимся электродом в углекислом газе формирование сварных швов неудовлетворительное. При этом нерационально затрачивается значительное количество сварочной проволоки.

Установлено, что при воздействии магнитного поля на жидкий металл ванны можно улучшить формирование сварных швов. Это достигается при вращении жидкого металла сварочной ванны в электромагнитном поле и оттеснением его на периферию, что способствует расширению сварного шва.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Его ширина увеличивается на 20 %. Кроме этого, вращение жидкого металла сварочной ванны в магнитном поле способствует лучшему перемешиванию металла, т. е. однородности шва и меньшей пористости.

Электромагнитное поле создавалось специальным устройством, которое может быть использовано в серийных сварочных полуавтоматах и автоматах без какой-либо модернизации. Это устройство, несложное в изготовлении, может быть изготовлено практически на любом предприятии.

Для увеличения эффективности воздействия электромагнитного поля в зоне сварочной ванны использовался укороченный мундштук, долговечность которого в 1,2–1,6 раза больше обычного, а материалоемкость и трудоемкость изготовления меньше в ~ 6 раз.

В результате улучшения формирования сварных швов можно получить экономию сварочной проволоки, составляющую 10–20 % ее стоимости.

1.16. Улучшение возбуждения дуги При ручной дуговой сварке для возбуждения дуги сварщику, как правило, приходится 2–3 раза ударять электродом об изделие, что затрудняет работу сварщика. Кроме того, при ударах покрытие у торца электрода разрушается, что может ухудшить защиту шва от окисления при сварке. В настоящем разделе и в работе [10] для улучшения возбуждения дуги предлагается наносить на металлический торец электрода мелкие опилки чугуна. Перед началом процесса сварщик кратковременно касается торцом электрода опилок чугуна, находящихся в металлической коробке, под дном которой установлен магнит. Небольшое количество опилок налипает на торец электрода, что позволяет возбуждать дугу с первого раза даже Электродуговая сварка: практика и теория без соприкосновения электрода с изделием. Возбуждение дуги происходит также с первого раза и при загрязненной поверхности изделия и зашлакованном торце электрода.

Установлено, что химический состав металла в начале швов, сваренных предлагаемым и обычным способами, идентичен.

Масса опилок, налипающих на торец электрода, изменяется в пределах от 0,01 до 0,03 г.

Мелкие, пылеобразные опилки чугуна можно получить, например, при обработке чугуна на фрезерном станке пальчиковой фрезой диаметром 20 мм на малых подачах при глубине фрезерования около 12 мм.

При прохождении сварочного тока через металлические опилки на торце электрода они превращаются в пары металла, которые достаточно хорошо проводят ток, что и позволяет с первого раза возбудить дугу. Для увеличения проводимости паров при «сгорании» опилок в них можно добавлять легкоионизирующиеся элементы, например Nа2СО3 или К2СО3 в количестве 3–4 г на 100 г опилок.

Предлагаемый способ можно применять и для улучшения возбуждения дуги при сварке в защитных газах, для чего металлические опилки наносят на торец сварочной проволоки.

1.17. Расширение технологических возможностей контактных точечных машин МТ- Контактная точечная машина МТ-809 предназначена для сварки низкоуглеродистой стали толщиной до 3 мм. Однако при производстве металлоконструкций часто требуется сваривать металл больших толщин, как правило, 4 или 5 мм.

В этом случае на предприятии применяли дуговую точечную сварку (для этого в одной из деталей просверливают отверГлава 1. Практические вопросы электродуговой сварки стия по разметке или кондуктору диаметром, равным диаметру требуемой сварной точки), что значительно увеличивает трудоемкость и энергоемкость изготовления сварного соединения, так как на получение сварных точек дуговой сваркой затрачивается в несколько раз больше электроэнергии, чем при сварке на контактных машинах. В связи с этим исследовалась вероятность расширения технологических возможностей контактной точечной машины МТ-809 при сварке металла больших толщин. С этой целью сваривались пластины из стали Ст3 толщиной 3 + 4 и 5 + 5 мм на различных режимах сварки*.

В результате было установлено, что при сварке на восьмой ступени в диапазоне № 1 (при положении ручки «Сварка» на 15-м, а ручки «Проковка» — на восьмом делении) и в диапазоне № 2 (при положении ручки «Сварка» на восьмом, а ручки «Проковка» — на шестом делении) качество сварных точек стальных листов указанной толщины удовлетворительное.

При этом давление в цилиндре, обеспечивающем усилие сжатия электродов, составляет 150–200 кПа.

Результаты испытания на прочность полученных сварных соединений показали, что при установке на испытуемых деталях толщиной 5 мм двух сварных точек усилие разрыва для деталей, сваренных в диапазоне № 1, составило 27 кН, в диапазоне № 2 — 33 кН, Для сравнения испытывались на прочность детали из стали 08КП толщиной 1,5 мм, сваренные на обычных для этой толщины металла режимах. Установлено, что разрывное усилие этих деталей, также сваренных двумя точками, составило 16 кН.

Для сварки использовались электроды, диаметры опорных поверхностей которых были специально подобраны.

* Автор благодарит наладчика электросварочного оборудования Белоконь В.Ф.

за помощь, оказанную в работе.

Электродуговая сварка: практика и теория Экономический эффект при замене точек, выполненных дуговой сваркой, на точки, выполненные контактной сваркой, состоит в том, что исключается разметка, кернение, сверление отверстий в одной из деталей и значительно уменьшается расход электроэнергии.

Особо необходимо отметить, что поскольку при сварке в диапазонах № 1 и 2 положение ручек находится посередине, перегрева или выхода из строя контактных машин при сварке стальных листов толщиной 4 + 4 или 5 + 5 мм* не будет. Об этом также свидетельствует и то, что ток в контактной машине при сварке таких листов меньше, чем при сварке на этих же режимах листов меньшей толщины.

1.18. Мундштук для керосинокислородных В настоящее время в машиностроении и литейном производстве для резки сталей применяют керосинокислородные резаки. При этом для различных резаков используют, как правило, однотипные мундштуки (рис. 30а), которые не обеспечивают достаточно быстрой резки металла и высокого качества поверхности реза.

Разработан мундштук специальной конструкции для резаков различных марок (рис. 30б). Мундштук** испытывали на керосинокислородном резаке РК-02М. При этом скорость резки сталей толщиной до 60–70 мм увеличивается в 1,5–2 раза, улучшается качество поверхности реза (рис. 31), а расход кислорода и керосина снижается на 30 %. Несмотря * Возможны также и другие сочетания металлических деталей.

** В испытаниях участвовали керосинорезчики Пащенко А.В. и Табунщиков Г.Г.

Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки Рис. 30. Обычный (а) и разработанный (б) мундштук Рис. 31. Вид поверхности реза заготовки из стали 30ХГСА на большие размеры, мундштук обеспечивает большую маневренность резака, что особенно важно в литейном производстве при резке питателей, соединяющих литые детали со стояком. Кроме того, значительно снижается уровень шума при резке.

Электродуговая сварка: практика и теория 1.19. Сопла для газовых горелок Конструкции сопел газовых горелок [12], хотя и позволяют увеличить скорость истечения из них газов, однако не обеспечивают регулирование мощности поджигающего пламени. Автором настоящего издания предлагаются сопла усовершенствованной конструкции (рис. 32) с регулируемой мощностью поджигающего пламени, которая зависит не только от скорости истечения газов из основного сопла 1, но и состава смеси газов и достигается путем изменения сечения кольцевой щели 2 при установке (снятии) дополнительного сопла 3 на основное.

Дополнительное сопло фиксируется на основном подпружиненным шариком 4 при попадании его в одну из канавок на основном сопле. Нумерация канавок позволяет запомнить расположение дополнительного сопла на основном, что при определенном навыке облегчает регулировку мощности поджигающего пламени.

На рис. 33 приведена конструкция сопла, обеспечивающая повышение скорости истечения газов из горелки без дополнительного расхода газа на поджигающее пламя. Кольцо Рис. 32. Сопло с регулируемой мощностью поджигающего пламени Глава 1. Практические вопросы электродуговой сварки выполнено из тугоплавкого материала, например вольфрама*.

При работе горелки кольцо нагревается и не дает пламени оторваться от сопла, обеспечивая возможность увеличения скорости истечения газов из горелки. При применении сопла такой конструкции водяной запорный клапан лучше помещать вблизи горелки.

Рис. 33. Сопло, увеличивающее скорость истечения газа без дополнительного расхода на поджигающее пламя * Установлено, вольфрамовый пруток диаметром 2 мм не растрескивается при многократном нагревании «до бела» и охлаждении в воде, что позволяет считать, что кольцо 1 будет долговечным.

ПРИЧИНЫ ХАРАКТЕРНЫХ

ОСОБЕННОСТЕЙ

СТРУЙНОГО ПЕРЕНОСА

МЕТАЛЛА

2.1. Причина скачкообразного перехода от капельного переноса металла к струйному Для того чтобы убедиться, что причиной скачкообразного перехода от капельного переноса металла к струйному является сила поверхностного натяжения, проведем следующие рассуждения [14].

Для анализа действия силы поверхностного натяжения на перенос электродного металла рассмотрим схему, представленную на рис. 34.

Рис. 34. Схема действия силы поверхностного натяжения на жидкий металл капли, находящейся на торце электрода Избыточное давление, создаваемое поверхностью капли, занятой активным пятном, определяется выражением где 1 — коэффициент поверхностного натяжения поверхности капли, занятой активным пятном, Н/м; R — радиус капли, м.

Избыточное давление, создаваемое остальной поверхностью капли, Электродуговая сварка: практика и теория где 2 — коэффициент поверхностного натяжения поверхности капли, не занятой активным пятном.

Пусть температура поверхности капли, занятой активным пятном, постоянна и равна Т1, а остальной поверхности капли — Т2. Поскольку Т1 > Т2, то 1 < 2 и, следовательно, р1 < р2.

Поэтому на поверхность капли, занятую активным пятном, действует сила, обусловленная перепадом давлений где S а.п — площадь активного пятна.

Под действием этой силы жидкий металл капли перемещается из области с повышенным давлением в область с пониженным давлением. При этом поверхность, занятая активным пятном дуги, выпучивается, а ее радиус кривизны уменьшается, что вызывает увеличение давления, создаваемого этой поверхностью. Для простоты решения будем считать, что радиус кривизны поверхности капли, не занятой активным пятном, не изменяется, а увеличение объема капли компенсируется поступлением металла в результате плавления электрода. Выпучивание поверхности капли продолжается до тех пор, пока избыточное давление, создаваемое этой поверхностью, не станет равным давлению, создаваемому остальной поверхностью капли (р1 = р2). Радиус кривизны поверхности капли в этом месте будет R1 = Rк (1/2). Он не может быть меньше радиуса активного пятна Rа.п, т.е. R1 Rа.п. Поэтому максимальное избыточное давление, создаваемое этой поверхностью, Таким образом, равновесное состояние жидкого металла, находящегося на торце электрода, возможно только в случае, когда:

При этом сила поверхностного натяжения удерживает жидкий металл на торце электрода. Она определяется из выГлава 2. Причины характерных особенностей струйного переноса металла ражения F = р1S э (S э — площадь торца электрода) при р1 = = р2. Если условие (2.4) не выполняется, то равновесное состояние невозможно и жидкий металл капли под действием силы, обусловленной перепадом давлений, перемещается из области с более высоким давлением в область с более низким давлением, т.е. сила поверхностного натяжения в этом случае удаляет жидкий металл от торца электрода.

При конкретных размерах капли и заданных 1 и 2 согласно выражениям (2.1)–(2.3) выполнение условия (2.4) зависит от размеров активного пятна дуги, что удобно записать в следующем виде: Rа.п (1/2) Rк.

Размеры активного пятна дуги определяются величиной сварочного тока, поэтому изменяя ток, жидкий металл капли можно переводить из равновесного состояния, когда сила поверхностного натяжения удерживает каплю на электроде, в неравновесное, когда эта сила перемещает жидкий металл от электрода.

Радиус активного пятна, при котором изменяется направление действия силы поверхностного натяжения, обозначим через Ra.п, тогда получим, что:

Это условие является граничным. Даже при небольшом увеличении радиуса активного пятна (Rа.п > Ra.п ) жидкий металл под действием силы поверхностного натяжения начинает удаляться от электрода.

Рассмотрим действие этого условия на конкретном примере. Пусть после отрыва очередной капли на торце электрода остается жидкий металл в форме полусферы радиусом, равным радиусу электрода R э (рис. 35), что, как правило, и происходит, а столб дуги располагается соосно электроду. Обычно считают, что поверхность капли, занятая активным пятном, нагрета до температуры кипения Тк, а остальная имеет температуру, близкую к температуре плавления Тпл. Это вполне допустимо из-за близкого расположения этой поверхности Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 35. Схема распределения температуры на поверхности жидкого металла, остающегося на торце электрода после отрыва капли к границе плавления электрода. Тогда равенство (2.5) можно записать в следующем виде:

где к, пл — коэффициенты поверхностного натяжения при температуре кипения и плавления соответственно, Н/м.

При крупнокапельном переносе металла, когда Rа.п < Ra.п, плавно увеличим сварочный ток. Если после отрыва капли Rа.п на полусфере жидкого металла, находящегося на торце электрода, окажется меньше Ra.п, то сила поверхностного натяжения будет удерживать жидкий металл на торце электрода и формирование капли повторится в очередной раз. Если же Rа.п > Ra.п, то сила поверхностного натяжения стремится переместить его от торца электрода. Такое скачкообразное изменение направления действия силы поверхностного натяжения должно происходить при вполне определенном свакр рочном токе Iкр, когда Rа.п = Ra.п.

Поскольку сила поверхностного натяжения является основной силой, удерживающей каплю на электроде, скачкообразное изменение ее направления действия должно отразитьГлава 2. Причины характерных особенностей струйного переноса металла ся на переносе электродного металла, который также скачкообразно должен измениться. При этом оказываются иными не только размеры капель, но и характер формирования жидкого металла на торце электрода. Такое явление называют переходом от капельного переноса металла к струйному.

Таким образом, согласно выдвинутым положениям, переход от капельного переноса к струйному происходит скачкообразно сразу же после отрыва очередной капли.

Используя данные работы [15] и произведя геометрические вычисления, можно показать что Iкр является сложной функцией Rэ, Ra.п и плотности тока j в активном пятне:

Для проверки правильности полученного выражения составим соотношение критических токов для электродов разных диаметров:

где индекс «1» относится к электроду диаметром d1, «2» — диаметром d2.

Поскольку плотность тока, соответствующая Iкр, для электродов разных диаметров различна, j определяем ее по графикам, построенным по данным работы [16] (рис. 36).

Результаты вычислений для электродов, выполненных из различных материалов, представлены в таблице 2.

Полученное выражение достаточно точно описывает зависимость Iкр от диаметра электродов из различных материакр лов. Значение Ra.п рассчитывается по формуле (2.6) при:

Электродуговая сварка: практика и теория Рис. 36. Зависимость плотности тока, соответствующей Iкр, от диаметра электрода: 1 — Св-08Г2С (Ar + CO2); 2, 3 — титан Это следует из линейной зависимости от температуры для жидких металлов [17–21]. Данные о Тпл, Тк и Ткр взяты из работ [22, 23].

2.2. Причина уменьшения критического тока с увеличением вылета электрода Теперь рассмотрим зависимость величины критического тока от длины вылета электрода. Из формул (2.6) и (2.7) предыдущего раздела следует, что величина критического тока определяется формулой:

Глава 2. Причины характерных особенностей струйного переноса металла Поскольку поверхность жидкого металла, не занятая активным пятном, имеет температуру большую, чем температура плавления металла электрода и близка к температуре капли (Ткап), висящей на торце электрода перед переходом к струйному переносу, то формулу (2.10) можно записать в виде:

где кап — коэффициент поверхностного натяжения, соответствующий Ткап, Н/м.

Известно, что с увеличением длины вылета электрода температура отрывающихся от электрода капель уменьшается.

Поскольку коэффициент поверхностного натяжения жидких металлов увеличивается при уменьшении температуры, то это приводит к увеличению кап и, согласно формуле (2.11), к уменьшению величины критического тока.

2.3. Причина образования конуса жидкого металла на торце электрода при струйном переносе В разделе 2.1 было установлено, что с постепенным увеличением сварочного тока при достижении определенных размеров активного пятна после отрыва очередной капли, когда на торце электрода остается полусфера жидкого металла, последний под действием силы поверхностного натяжения начинает перемещаться вдоль оси электрода [14].

Электродуговая сварка: практика и теория Поскольку в центральной части поверхности капли у оси электрода температура жидкого металла выше, чем на поверхности жидкого металла, находящегося у торца электрода, коэффициент поверхностного натяжения в центральной части капли меньше, чем у торца электрода [24]. Поэтому жидкий металл, перемещаясь от торца электрода вдоль его оси, постепенно вытягивается в конус, объем которого может быть больше первоначального объема капли вследствие поступления жидкого металла при плавлении электрода. Из-за отсутствия экспериментальных данных и сколько-нибудь достоверных предположений об изменении температуры поверхности жидкого металла в момент образования конуса не удается детально исследовать механизм его образования.

Однако после образования устойчивого конуса жидкого металла с достаточной достоверностью можно допустить, что температура его поверхности изменяется плавно от температуры плавления Тпл у торца электрода до температуры кипения Тк у вершины конуса. Для проведения расчетов наиболее удобно допустить, что изменение температуры вдоль оси конуса происходит по линейной зависимости (рис. 37). Поскольку коэффициент поверхностного натяжения почти линейно уменьшается с увеличением Т, то зависимость от х также будет линейной (см. рис. 37).

Известно, что давление внутри объема жидкости определяется из уравнения Лапласа где R1 и R2 — радиусы кривизны поверхности жидкости.

Для поверхности жидкости, имеющей форму конуса, один из радиусов стремится к бесконечности, а другой линейно уменьшается с увеличением расстояния от основания конуса.

Допустим, что в формуле Лапласа один из радиусов кривизны равен бесконечности и выясним, как при сделанных допущениях будет изменяться другой радиус. При постоянном давлеГлава 2. Причины характерных особенностей струйного переноса металла Рис. 37. Зависимость Т и жидкого металла нии поверхностного натяжения внутри рассматриваемого объема жидкости получим р = /R = const, откуда R = /const = c, где с — постоянная величина. Поскольку линейно уменьшается с ростом х (см. рис. 37), то аналогичным образом от х будет зависеть и R, т.е. по мере удаления от торца электрода радиус кривизны поверхности жидкого металла уменьшается по линейной зависимости. Следовательно, поверхность жидкости в рассматриваемом случае имеет форму конуса.

Проверим, является ли эта форма поверхности жидкого металла при заданном распределении от х устойчивой.

Пусть в результате случайных причин на боковой поверхности конуса образовалась выпуклость. Поскольку радиусы кривизны выпуклости меньше радиусов кривизны конуса, то давление, создаваемое поверхностным натяжением в области выпуклости, согласно формуле Лапласа больше, чем в остальной части конуса, и жидкий металл из области выпуклости переместится в объем конуса, а значит, выпуклость исчезнет.

Теперь допустим, что на боковой поверхности конуса образовалась вогнутость. Давление, создаваемое поверхностным натяжением на вогнутой поверхности, направлено не внутрь Электродуговая сварка: практика и теория конуса, а наружу, т.е. давление жидкого металла вблизи вогнутой поверхности меньше, чем в остальной части конуса и жидкий металл под действием перепада давлений перемещается в область вогнутой поверхности до тех пор, пока давление не выровняется по всему объему жидкого металла и вогнутость исчезнет. Следовательно, конусообразная поверхность жидкого металла при рассматриваемых условиях является устойчивой.

2.4. Причина зависимости длины конуса жидкого металла на торце электрода от его теплопроводности Зависимость от х можно записать уравнением [24]:

где а = (пл – к)/Lк — постоянная, определяемая теплофизическими свойствами материала электрода, где пл и к — коэффициенты поверхностного натяжения металла при температурах плавления и кипения соответственно, Н/м; Lк — длина конуса, м; см. рис. 37.

Для невесомой жидкости, имеющей форму конуса и находящейся в равновесном состоянии, с учетом того, что один радиус кривизны равен бесконечности, а другой Rx = Rx sin (cм. рис. 37):

Откуда R х = (х /пл) Rэ и с учетом уравнения (2.12) получим при х = Lк:

Глава 2. Причины характерных особенностей струйного переноса металла где b — постоянная, определяемая теплофизическими свойствами электрода и равная а/ пл.

Таким образом, при заданном Rэ параметры конуса Rmin и Lк определяются теплофизическими свойствами материала электрода.

В работе [25] отмечается, что длина конуса тем больше, чем меньше теплопроводность материала электрода. Это явление можно объяснить на основе результатов проведенного анализа. При движении жидкого металла от торца электрода с начальной температурой Тпл скорость его нагрева определяется его теплопроводностью. Чем она меньше, тем больше расстояние от торца электрода до вершины конуса, на котором происходит нагрев металла до заданной температуры. В рассматриваемом случае нагрев до Тк происходит на участке Lк.

При заданном Rэ это означает, что чем меньше теплопроводность, тем больше длина конуса при струйном переносе.

Так, например, при сварке алюминия и меди в аргоне на обратной полярности длина конуса на электроде у алюминия при одном и том же диаметре электрода в два раза больше, чем у медного электрода. При этом теплопроводность меди примерно в два раза больше, чем теплопроводность алюминия:

Сu = 406,0 вт/м·град, а Al = 221,5 вт/м·град [22].