Сварочные работы

Введение

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В  процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный  металл каплями стекает в металлическую  ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Ручная сварка удобна при  выполнении коротких и криволинейных  швов в любых пространственных положениях - нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном, при наложении швов в  труднодоступных местах, а также  при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более  низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой  сваркой под флюсом.

Производительность процесса в основном определяется сварочным  током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх  рекомендованного значения приводит к  разогреву стержня электрода, отслаиванию  покрытия, сильному разбрызгиванию и  угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

Ручная дуговая сварка – это сварка покрытым металлическим электродом. Является наиболее старой и универсальной технологией дуговой сварки.

Для сварки изделий из цветных металлов и их сплавов, а также коррозионно-стойких  сталей в среде защитного газа как на прямой, так и на обратной полярности напряжения дуги применяют источники питания постоянного тока с обратными связями по току и напряжению. В зависимости от требований, предъявляемых к источникам питания постоянного тока, формируется их структурная схема, основой которой являются рассмотренные схемы выпрямителей. Структурная схема источника питания постоянного тока, применяемого для сварки, коррозионностойких сталей (рис. 79), состоит из следующих блоков: сварочного трансформатора Т, магнитного усилителя А, выпрямителя В, сварочного дросселя L и вспомогательных устройств: регулятора снижения сварочного тока РССТ, блока задания тока БЗТ, осциллятора G» переключателя полярности напряжения дуги. Сварочный трансформатор Т имеет жесткую внешнюю характери стику и предназначен для согласования напряжения сети с напряжением сварочной дуги. Для обеспечения двух ступеней сварочного тока вторичная обмотка: трансформатора .секционирована. Нагрузкой трансформа тора является магнитный усилитель., Магнитный .усилитель Л предназначен для формирования падаю щей внешней характеристики и плавного изменения сварочного тока пропорционально сигналу, поступающему из блока задания тока. Нагрузкой магнитного усилителя является выпрямитель. Выпрямитель В собран по трехфазной мостовой схеме выпрямления на полупроводниковых диодах. Выход выпрямителя подключен к сварочному контуру, который состоит из дросселя L и резистора Ra, имитирующего сварочную дугу. Дроссель L предназначен для сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя и уменьшения разбрызгивания металла в процессе сварки. Переключатель К предназначен для изменения полярности напряжения сварочной дуги. Блок задания тока БЗТ формирует управляющий сигнал по изменению сварочного тока на основании задания. Блок задания тока — это переменный резистор, ручка управления которым выведена на панель управления. Регулятор снижения сварочного тока РССТ предназначен для формирования сигнала плавного снижения сварочного тока в конце сварки по заданной программе. Осциллятор G обеспечивает стабильное возбуждение сварочной дуги в начале сварки. Рассмотренный источник входит в комплект установки УДГ-101, техническая характеристика которой приведена в табл. 12. Источник питания постоянного тока АП-5М (рис. 80) применяют при плазменной сварке цветных металлов и аргонодуговой сварке коррозионно-стойких сталей. Источник обеспечивает сварку в двух режимах: непрерывном на постоянном токе и в импульсном как на прямой, так и на обратной полярности. Для обеспечения указанных режимов и более высоких технико-экономических показателей в структурную схему рассматриваемого источника, в отличие от описанного выше, включены дополнительные блоки: транзисторный блок управления ТБУ, генератор импульсов Г И и вспомогательный источник питания ВИП. Транзисторный блок управления ТБУ предназначен для формирования, стабилизации и импульсной модуляции входного сигнала управления магнитным усилителем А в зависимости от требований технологического процесса сварки. Сигнал задания в транзисторный блок управления поступает от блока задания сварочного тока БЗТ. Транзисторный блок управления представляет собой усилитель-модулятор на транзисторах. Для стабилизации температурного режима транзисторы этого блока охвачены отрицательной обратной связью, обеспечивающей минимальное напряжение (2,5—3 В) между эмиттером и коллектором. Генератор импульсов ГИ предназначен для ступенчатой модуляции сварочного тока по длительности импульса и паузы в импульсном режиме в большом диапазоне (20 ступеней). При этом длительность импульсов и паузы устанавливают в диапазоне 0,03—0,6 с Модуляция сварочного тока по амплитуде осуществляется в блоке задания тока БЗТ. Вспомогательный источник питания ВИП обеспечивает стабильное зажигание и горение дежурной дуги при силе тока 1—2 А и напряжении 7Ч0 В. Техническая характеристика источника АП-5М приведена в табл. 12.

Технические характеристики источников питания  и сварочных установок для  аргонодуговой и плазменной сварки. При сварке легких металлов и их сплавов постоянным током на ил поверхности  образуется тугоплавкая оксидная пленка, которая снижает качество сварных  изделий из этих металлов. Поэтому  их сваривают на переменном токе, что  исключает появление оксидной пленки. В структурную схему источника  питания переменного тока, применяемого для сварки легких металлов и их сплавов (рис. 81), входят следующие блоки: сварочный трансформатор Т, магнитный усилитель А, емкостной фильтр С и вспомогательные блоки: регулятор снижения сварочного тока.JPCCT и возбудитель дуги ВД. В данном источнике установлен сварочный трансформатор типа ТРМК, имеющий падающую внешнюю характеристику. Магнитный усилитель А обеспечивает управление магнитным насыщением управляемого шунта трансформатора. Емкостный фильтр С препятствует прохождению постоянной составляющей сварочного тока во вторичную обмотку сварочного трансформатора. Возбудитель дуги ВД обеспечивает стабильное зажигание в начале сварки и устойчивое ее горение при переходе напряжения сети через нуль. Генерация импульсов возбуждения дуги происходит только в положительный полупериод с опережением нулевой фазы напряжения дуги на 40—60 мкс. В целях снижения радиопомех, возникающих при работе возбудителя, установлен определенный режим его работы: 0,9 с — генерация импульсов и 10 с — пауза. Рассмотренный источник входит в комплект сварочных установок УГД-301 и УГД-501, техническая характеристика которых приведена в табл. 12. Лучший эффект при сварке легких металлов и их сплавов достигается при работе источника питания в импульсном режиме, так как в источнике питания обеспечивается возможность изменения частоты следования импульсов и их скважности. Выпрямитель ВДГИ-301 применяют для сварки плавящимся электро дом в среде защитного газа в импульсном режиме; он входит в комплект сварочных полуавтоматов.

Первичная обмотка трансформатора Т (рис. 82) имеет четыре секции, а вторичная — две. В каждую секцию первичной обмотки включены тиристоры VI — V4, а две секции вторичной обмотки совместно с диодами V5 и V6 представляют собой схему двухполупериодного выпрямления. Дроссель L предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока во всем диапазоне регулирования. Параллельно дросселю L включены два тиристора V7 и V8 для получения импульсов сварочного тока в каждом полупериоде. Рассмотрим работу выпрямителя ВДГИ-301. При работе выпрямителя ВДГИ-301 в сварочном контуре постоянно протекает базовый ток, на который периодически накладываются мощные импульсы сварочного тока. В один полупериод напряжения сети открыты тиристоры VI и V2 и к сети подключены первая и вторая секции первичной обмотки Ш|_| и доi_2, а на вторичной стороне включены в работу первая секция •0/2-1 и диод V5. В другой полупериод с первичной стороны через Тиристоры V3 и V4 подключаются третья и четвертая секции, а на вторичной стороне — вторая секция и диод V6. Таким образом, в каждый полупериод по сварочному контуру протекает базовый постоянный ток, пульсации которого сглаживаются дросселем L. При импульсном режиме тиристоры V7 (V8) включаются с некоторым запозданием относительно момента включения тиристоров VI—V4, что обеспечивает получение на выходе импульсов с малой амплитудой и большой длительностью. При одновременном включении тиристоров V7 (V8) с тиристорами V2 (V3) и одновременным выключением тиристоров VI (V4) на выходе выпрямителя получают импульс большой амплитуды и малой длительности. При этом повышается коэффициент передачи трансформатора. Выпрямитель ВДГИ-301 имеет панель управления, на которой установлены ручки настройки и приборы индикации постоянного напряжения дуги, амплитуды импульсного напряжения и сварочного тока с переключателями. Выпрямитель ВДГИ-301 настраивают по приборам индикации при отсутствии напряжения на выходных клеммах. Техническая характеристика ВДГИ-301 приведена в табл. 12. Источник питания ТИР-300Д предназначен для аргонодуговой сварки изделий неплавящимся электродом постоянным током или в импульсном режиме, а также для ручной сварки покрытыми электродами. Источник обеспечивает автоматический процесс сварки цветных металлов и их сплавов и коррозионностойких сталей при работе на постоянном токе и легких металлов, включая алюминий, магний и сплавы на их основе при работе в импульсном режиме. Источник ТИР-300Д — пара метрического типа, без внешних оборотных связей (рис. 83), в состав которого входят следующие основные блоки: трансформатор пита ния Г, регулятор тока РТ, импульсный стабилизатор горения дуги пере менного тока ИСГД, осциллятор G, регулятор снижения сварочного тока в конце сварки РССТ, элементы управления, индикации и охлаждения. Трансформатор Т с нормальным магнитным потоком рассеяния, имеющий жесткую внешнюю характеристику, предназначен для питания источника от напряжения сети. Регулятор тока РТ представляет собой дроссель насыщения с вынужденным намагничиванием и имеет разделенные рабочие обмотки, которые коммутируются тиристорами. Это обеспечивает ступенчатоплавное изменение сварочного тока в пределах рабочего участка внешней характеристики с точностью, определяемой ее крутизной, при относительно медленно изменяющихся возмущениях как со стороны дуги, так и со стороны напряжения сети. Импульсный стабилизатор горения дуги переменного тока ИСГД обеспечивает высокую стабильность горения сварочной дуги в импульсном режиме. При зажигании сварочной дуги, которое может быть обеспечено от осциллятора G или контактным способом электрод — изделие, сварочный ток плавно увеличивается с 5 А до заданного значения за время не более 0,4 с. Для плавного снижения сварочного тока в конце сварки применяют регулятор снижения сварочного тока РССТ, выполненный на базе магнитного усилителя с коэффициентом усиления по мощности равным 2000. Это обеспечивает высокую линейность снижения сварочного тока и тем самым повышает качество сварных изделий.

Устройство управления

Сварочный аппарат является высоковольтным силовым устройством. Для удобства эксплуатации и безопасности ему необходим слаботочный узел управления.

Рис. 1. Устройство управления сварочным аппаратом.

Принципиальная схема  узла управления сварочным аппаратом  показана на рис. 8. Переменное напряжение, поступающее с обмотки II сетевого трансформатора, перезаряжает конденсатор  С1 в каждый полупериод с постоянной времени, определяемой сопротивлением резисторов R1, R2. К выводам конденсатора С1 подключена последовательная цепь, состоящая из диодного моста VD5 и управляющих переходов тринисторов VS1 и VS2 с развязывающими диодами VD3, VD4. На транзисторах VT1, VT3 собрано пороговое устройство с регулируемым подстроечным резистором R6 порогом срабатывания.

Как только напряжение на конденсаторе С1 (положим, плюс на верхней по схеме обкладке), увеличиваясь, достигнет порогового уровня, устройство срабатывает и конденсатор разряжается через мост VD5 и управляющий переход тринистора VS2. На этом тринисторе в текущем полупериоде прямое напряжение, поэтому он открывается, пропуская ток к месту возникновения сварочной дуги. Диоды VD4 и VD2 в текущем полупериоде закрыты. В следующем полупериоде изменяется на обратную полярность напряжения на конденсаторе С1.

Поэтому после очередного срабатывания порогового устройства окажется закрытым диод VD3 и импульс разрядки конденсатора откроет тринистор VS1. Таким образом, сварочную дугу будут зажигать импульсы одинаковой полярности.

Как уже упомянуто, порог  срабатывания можно регулировать резистором R6. При повышении порога увеличивается  мощность импульса, открывающего тринисторы, что может потребоваться, когда аппарат эксплуатируют при пониженной окружающей температуре. Переменный резистор R2 позволяет изменять время зарядки конденсатора С1 от начала полупериода до момента срабатывания порогового устройства, т. е. регулировать крутизну падения характеристики аппарата. Резистор R3 ограничивает ток разрядки конденсатора С1 и определяет длительность импульсов, открывающих тринисторы VS1, VS2; конденсатор С2 способствует формированию фронта и спада импульсов. Диод VD6 защищает эмиттерный переход транзистора VT3 от перегрузки в момент спада импульса. Транзистор VT2 играет роль слаботочного стабилитрона.

Тумблер SA1 монтируют на панели управления аппаратом. Для контактной сварки этот тумблер целесообразно  дублировать ножным переключателем. При массовой сварке тонколистовых  деталей включать и выключать  аппарат можно исполнительными  контактами реле времени, подключаемыми  параллельно тумблеру SA1. Если же изменения  порога срабатывания не требуется, пороговое  устройство VT1VT3 можно заменить последовательной цепью из резистора сопротивлением 51 Ом мощностью 0,5 Вт и динистора КН102Б, подключенной к точкам А и Б. Резистор служит ограничителем тока разрядки конденсатора С1.

В узле управления аппаратов  конденсатор С1 - МБМ или любой  бумажный на номинальное напряжение 160 В и более; конденсатор С2 - КМ-6. Переменный резистор R2 - ППБ-2 с характеристикой А; подстроечный R6 - СП5-16ВА. Тумблер SA1 -МТ-1. Диоды Д237А можно заменить любыми, которые выдерживают импульсы тока в 1А. Таким же критерием определен выбор диодного моста VD5. Вместо КД513А подойдет любой маломощный кремниевый с малым обратным током. Диоды VD1 и VD2 должны иметь предельно допустимый прямой ток не менее значения сварочного тока для выбранной конструкции. То же самое относится и к выбору тринисторов VS1 и VS2. Вместо КТ807Б подойдет любой n-p-n транзистор, выдерживающий импульсный ток коллектора не менее 1 А при напряжении коллектор-эмиттер не менее 40 В, а вместо КТ502В -любой, структуры p-n-p на ток коллектора не менее 0,35 А на то же коллекторное напряжение.

Общее устройство сварочного аппарата

На рис. 9 схематически показано устройство аппарата. Его основой  служит рама 1, собранная из дюралюминиевых планок уголкового профиля или, в  крайнем случае, из деревянных реек, усиленных дюралюминиевыми уголками. В нижней части рамы закреплен  сетевой трансформатор 3 в обечайке от трансформатора ЛАТР. На правой стойке рамы крепят изоляционную колодку 2 с  зажимами для подключения аппарата к сети, на левой стойке - коробку 4 с электронным узлом и органами управления - переменным резистором R2 и тумблером SA1.

Рис. 2. Внешний вид сварочного аппарата а) спереди, б) сверху.

Вторичные обмотки трансформатора переключают на самодельной прочной  текстолитовой колодке 5. Сварочные "шланги" подключают либо к соединенным  вместе гибким выводам диодов VD1 VD2 - один - и тринисторов VS1, VS2 -другой, -либо непосредственно к теплоотводам 8 (для так называемого максимального режима контактной сварки необходимо обеспечить минимальное падение напряжения на подводящих проводниках).

Мощные диоды 7 и тринисторы 6 (VD1, VS1 и VD2, VS2) располагают на двух изолированных теплоотводах 8 площадью не менее 100 см2 каждый. В мощном аппарате теплоотводы установлены на дополнительных поперечных рейках. Для защиты трансформатора от механических повреждений и прикосновения к токоведущим деталям предусмотрен общий цилиндрический кожух из листовой стали, прикрепляемый к несущей раме (на рисунке он не показан).

Налаживание аппарата сводится к установке амплитудного значения напряжения открывающего импульса, достаточного для открывания тринисторов, переменным резистором R6 (около 20...30 В). Для контроля амплитуды импульсов осциллограф подключают к точкам А и Б (рис. 8). При синхронизации осциллографа от сети можно провести проверку и корректировку пределов регулирования угла отсечки, имея в виду, что увеличение номиналов R1, R2, С1, а также увеличение амплитуды открывающих импульсов приводит к увеличению времени Тз. Оптимизируют режим сварки переменным резистором R2, ограничить угол отсечки можно подборкой резистора R1.

В заключение сообщим, что  аппараты обеспечивают два режима контактной сварки - максимальный и регулируемый (соединение тонких листовых деталей). При максимальном режиме электронный  узел исключают из работы. Сварочные "шланги" - это отрезки гибкого  многопроволочного изолированного кабеля сечением 10...15 мм2, в зависимости от значения сварочного тока.

Технология электродуговой сварки хорошо освещена в литературе, следует лишь отметить, что в показанном на схеме рис. 8 подключении детали и электрода лучше сваривать  тонкие изделия, а массивные - при  обратной полярности подключения.

Ограничитель  напряжения холостого хода

Многие сварочные трансформаторы на холостом ходу имеют напряжение на вторичной обмотке 40В и более. При сварке в особо опасных  помещениях это напряжение является опасным для сварщика. Поэтому  необходимо ограничить напряжение холостого  хода при разорванной цепи сварочной  дуги. Устройство ограничения должно обладать высоким быстродействием.

Общая информация

Электросварочная аппаратура принадлежит к оборудованию повышенной опасности, так как при ее эксплуатации не исключается прикосновение сварщика к рабочему электроду аппарата. В  случае работы во влажных местах с  электродами под напряжением 40-80 В даже во время холостого хода сварочного трансформатора это может привести к несчастному случаю. Были случаи поражения электрическим током сварщиков, попадавших под напряжение холостого хода сварочного оборудования.

Постоянный ток по своему поражающему действию примерно в 3-5 раз безопаснее, чем переменный ток  частотой от 15 до 400 Гц. Поэтому при  ручной дуговой сварке покрытыми  электродами на постоянном токе применение ограничителей напряжения холостого  хода не обязательно. Если сварку на постоянном токе выполняют в условиях повышенной опасности поражения электрическим  током, электросварщиков кроме спецодежды должны обеспечивать диэлектрическими перчатками, галошами или ковриками, а при вероятности соприкосновения  с металлом свариваемой конструкции - наколенниками и наплечниками.

Повышенная опасность  поражения электрическим током  характерна в таких случаях.

помещение или рабочее  место ограничивает свободу движений, из-за чего рабочий должен выполнять  сварку в неудобном положении (на коленях, сидя, лежа и т. д.);

мокрое, влажное (относительная  влажность 75% при температуре 20 °С) или  нагретое помещение (температура воздуха  выше 30 °С), где влажность или конденсат  влаги существенно снижают сопротивление  кожи и тела человека, изолирующие  свойства вспомогательных средств  и средств индивидуальной защиты.