Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка

Одновременно с разработкой методов улучшения качества сварного шва развитие сварочной техники шло в направлении повышения производительности и автоматизации процесса.
Производительность процесса дуговой сварки зависит от мощности дуги. Значительное увеличение напряжения дуги невозможно по соображениям техники безопасности. Попытки же поднять мощность путем увеличения силы тока ограничивались двумя обстоятельствами. Во-первых, при увеличении силы тока происходит нагрев стержня электрода ввиду того, что тек подводится от держателя к концу электрода, а электрическое сопротивление стержня достаточно велико. Во-вторых, большое тепловыделение в дуге вызывает интенсивное кипение сварочной ванны, разбрызгивание металла и совершенно неудовлетворительное формирование шва.
Некоторое время назад стремились достигнуть повышения производительности увеличением диаметра электрода, при котором удавалось увеличить силу тока без перегрева стержня. Применялись электроды диаметром 8, 10 и 12 мм. Однако работать столь большими электродными стержнями было очень неудобно. Применение скользящих электрических контактов для подвода тока к концу электрода вблизи дуги оказалось конструктивно сложным и все равно не устраняло разбрызгивания.

Таким образом, создался как бы технологический предел повышения производительности дуговой сварки. Автоматизация процесса, т. е. механизированная подача проволоки в дугу и перемещение последней вдоль соединения, не исправляла положения. Применение автоматов в этих условиях было бесполезным, так как не обеспечивало основного условия - повышения производительности труда.
Коренное решение вопроса о повышении производительности электросварки было получено в 1936-1937 гг., когда в США, а затем и в СССР был применен метод автоматической электросварки закрытой дугой, т. е. под слоем флюса.
Схема современного метода автоматической сварки под флюсом. Сварочная проволока подается в дугу специальным механизмом (головкой) из бухты. Флюс засыпается из бункера. Дуга (невидимая для глаза) горит под слоем флюса, расплавляет часть флюса и образует в нем пузырь, заполненный газами и парами веществ, испаряемых дугой. Питание дуги электрическим током осуществляется от специального источника (трансформатора с дросселем или генератора постоянного тока).

Автоматическая сварка под флюсом имеет следующие преимущества перед ручной сваркой.
1. Достигается резкое повышение производительности сварки (иногда в 10-20 раз) благодаря:
а) применению больших сил тока без увеличения диаметра электрода; ток подводится вблизи конца электрода, и поэтому, несмотря на повышение плотности тока, не происходит перегрева электрода; наличие флюса, оказывающего давление на зону дуги и ванну (около 6-9 г/см2), предотвращает разбрызгивание металла при большой плотности тока и обеспечивает правильное формирование шва;
б) уменьшению количества наплавленного металла вследствие более глубокого проплавления основного металла и увеличения его доли в формировании шва;
в) возможности сваривать швы большого сечения за один проход.
2. Экономится электродная проволока благодаря отсутствию потерь на огарки и резкому снижению потерь на угар и разбрызгивание.
3. Экономится электроэнергия, что обусловлено высокими режимами сварки и лучшим использованием тепла дуги.
При автоматической сварке под флюсом может быть получено более высокое качество металла шва, чем при ручной сварке, благодаря лучшей защите наплавленного металла от вредного действия кислорода и азота воздуха, отсутствию пор, шлаковых включений и непроваров, и большей плотности металла. Кроме того, при сварке под флюсом устраняется вредное действие излучения дуги. Снижаются требования в отношении квалификации сварщиков.

Дальнейшим развитием и видоизменением способа сварки закрытой дугой явилась полуавтоматическая сварка под флюсом. При полуавтоматической сварке перемещение дуги вдоль шва осуществляется вручную, а подача проволоки - автоматически. По предложению В. П. Демянцевича и И. А. Блоха применяется проволока малого диаметра (1,2-2 мм), которая подается в дугу по гибкому шлангу. Используется повышенная плотность тока.
Флюс засыпается в зону дуги из бункера, укрепленного на конце шланга. Бункер с рукояткой и наконечником, направляющим проволоку, представляет собой единый электрододержатель. Существуют установки и с пневматической подачей флюса от отдельно стоящего бункера по второму параллельному шлангу.
Благодаря малому диаметру проволоки обеспечиваются достаточная гибкость шланга и большая маневренность. Относительно небольшая сила тока позволяет использовать компактные источники питания (такие же, как при ручной дуговой сварке). Полуавтоматическая сварка под флюсом находит в судостроении весьма широкое распространение, главным образом, для сварки угловых швов, протяженность которых в корпусных конструкциях наиболее велика.
В области применения автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом Советский Союз занимает ведущее место. Автоматической сваркой свариваются сотни тысяч тонн металлоконструкций. Объем применения автоматической и полуавтоматической сварки в судостроении достиг сейчас 60-70% от общего объема сварочных работ.
В 1949 г. Г. З. Волошкевичем был предложен метод автоматической дуговой сварки с принудительным формированием для выполнения швов в вертикальном или наклонном положении. При обычной автоматической сварке со свободным формированием вследствие относительно большого объема сварочной ванны сварка на вертикальной плоскости, очевидно, невозможна, так как жидкий металл вытекает из сварочной ванны. Для того, чтобы предотвратить вытекание сварочной ванны, необходимо искусственно охлаждать ее с поверхности, прижимая медными ползунами или диском.
Процесс ведется проволокой малого диаметра (как правило 3 мм) автоматом, перемещающимся вместе с ползуном по зубчатой рейке, укрепленной параллельно свариваемому шву.

В настоящее время создаются автоматы для сварки даже в потолочном положении (например, неповоротных стыков трубопроводов больших диаметров). Удержание сварочной ванны от вытекания производится в них при помощи медного диска. Электрошлаковая сварка. Электрошлаковая сварка - дальнейшее развитие метода автоматической сварки с принудительным формированием. При электрошлаковом процессе, в отличие от других способов сварки, источником нагрева служит тепло, выделяющееся в жидкой шлаковой ванне при прохождении через нее электрического тока. Ванна расплавленного шлака создается между кромками двух деталей и поддерживается от вытекания охлаждаемыми медными планками или специальной формой. В шлаковую ванну погружается плавящийся электрод. Электрический ток, проходя через расплавленный шлак, вследствие сопротивления последнего разогревает ванну. Благодаря высокой температуре шлаковой ванны в ней расплавляется погруженный электрод и оплавляются кромки деталей. Жидкая металлическая ванна из расплавленного электродного и основного металла располагается внизу, под шлаком. По мере плавления электрода сварочная ванна и находящийся над ней шлак постепенно поднимаются вверх, а затвердевающий в нижней части металл образует сварной шов. При большой толщине свариваемого металла в ванну может подаваться не один, а несколько параллельных электродов в виде прутков (иногда в виде пластин).

При электрошлаковой сварке тепло используется, главным образом, для плавления основного и присадочного материала, так как флюса расплавляется очень мало. Расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла получается низким.
Благодаря большой силе тока, доходящей до 6000 а, обеспечивается высокая производительность процесса, причем его эффективность особенно высока при сварке металла больших толщин (100-200 мм и выше). Одним из преимуществ процесса является то, что не требуется точная обработка и подгонка кромок под сварку. При больших толщинах такая обработка очень трудоемка и ее исключение дает значительную экономию. Существуют различные варианты электрошлаковой сварки в зависимости от конструкции шлакоудерживающих устройств: например, с подвижными охлаждаемыми ползунами, ванношлаковая в неподвижной форме и др. Схемы электрошлаковой сварки разделяются также по количеству, форме и способу подачи электродов (проволочными электродами, пластинчатыми электродами, плавящимся мундштуком и др.). Дуговая сварка в защитных газах. Защита металла шва при дуговой сварке может осуществляться не только применением слоя флюса, но и путем создания газовой оболочки. Для этого газ по шлангу подают в зону дуги или производят сварку в замкнутом сосуде, наполненном газом. В качестве защитных газов используются нейтральные газы (гелий или аргон), углекислый газ, азот или водород. Наиболее распространена сварка в струе аргона, обеспечивающей надежную защиту от окисления и, благодаря этому, получение высоких механических свойств металла шва. Могут быть применены как неплавящиеся (вольфрамовые), так и плавящиеся электроды. В частности, последний способ с применением алюминиевой проволоки, подаваемой в дугу полуавтоматом, широко используется для сварки судовых конструкций из алюминиевых сплавов. Полуавтоматическая и автоматическая сварка стали в среде углекислого газа была разработана в 1950-1952 гг. К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым. Этот процесс особенно перспективен благодаря высокой экономичности. Схема процесса незначительно отличается от схемы аргоно-дуговой сварки. Процесс ведется плавящимся электродом, подаваемым в горелку автоматом или полуавтоматом. Применяется электродная проволока диаметром 1-2 мм с повышенным содержанием элементов-раскислителей (марганца и кремния).

Вибродуговая наплавка. Автоматическая дуговая наплавка вибрирующим электродом в среде электролита разработана в СССР в 1951 г. Этот способ служит для нанесения на поверхность детали твердых и тонких поверхностных слоев без значительных структурных изменений и деформирования деталей.
Сущность способа состоит в том, что между изделием и электродом, конец которого колеблется специальным вибратором, возникают кратковременные дуги. При этом на поверхности детали постепенно наплавляются частицы электродного материала. Для охлаждения металла в зону сварки все время подается жидкость.
Электродуговая резка. Электрическая дуга может быть использована не только для сварки, т. е. соединения металлов, но и для их резки. Электродуговая резка осуществляется металлическим или угольным электродом на больших силах тока, чтобы обеспечить максимальную глубину проплавления. Расплавляющийся металл должен удаляться из места разреза. Для этого резку начинают с кромки или же прожигают отверстие: расплавленный металл из места разреза стекает вниз. Применяют дуговую резку черных и цветных металлов. Дуговую резку алюминия и его сплавов осуществляют вольфрамовым электродом в защитной среде аргона либо дуговой плазменной головкой.
Одной из разновидностей дуговой резки является воздушно-дуговая строжка. Сущность ее состоит в том, что удаляемый слой металла расплавляется электрической дугой, а затем выдувается из зоны дуги сильной воздушной струей, направляемой сбоку из шланга. Чтобы не вводить лишнего электродного материала, резка ведется угольным электродом. Процесс весьма производителен и широко используется при подготовке канавок с обратной стороны шва (для подварочного шва), при удалении дефектных швов и т. д.

20.Автоматическое регулирование процесса контактной сварки.