Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток[10], пределы регулирования сварочного тока.
В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги – характера переноса электродного металла в сварочную ванну.
При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги. Происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.
Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.
Особенности физических процессов при газовой сварке
Основным инструментом газосварщика является сварочное пламя. Оно образуется при сгорании горючего газа в кислороде. От соотношения объемов кислорода и горючего газа в их смеси зависят внешний вид, температура и характер влияния сварочного пламени на расплавленный металл.
Рассмотрим строение пламени (рис. 10). Сварочное пламя имеет три четко различимые области: ядро, восстановительную зону и факел.
Ядро пламени представляет собой ярко светящуюся зону, в наружном слое которой сгорают раскаленные частицы углерода, образующиеся при разложении ацетилена.
Восстановительная зона, более темная, состоит из оксида углерода и водорода, которые раскисляют расплавленный металл, отбирая кислород от его оксидов.
Факел – периферийная часть пламени – представляет собой зону полного сгорания углеводородов в кислороде окружающей среды.
В зависимости от соотношения объемов кислорода и ацетилена получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее.
Рис. 10. Строение и виды ацетиленового сварочного пламени, распределение температуры по длине факела:
а – нормальное; б – окислительное; в – науглероживающее; 1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел
Нормальное сварочное пламя образуется тогда, когда в горелке на один объем кислорода приходится один объем ацетилена. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны. Ядро имеет резко очерченную форму, близкую к цилиндру, с ярко светящейся оболочкой. Температура ядра достигает 1000 °C.
В восстановительной зоне, содержащей продукты неполного сгорания ацетилена, проводят сварку. Температура этой зоны в точке, отстоящей на 36 мм от ядра, составляет 3150 °C. Факел имеет температуру 1200–2500 °C.
Нормальным сварочным пламенем осуществляют сварку сталей всех марок, меди, бронзы и алюминия.
Окислительное сварочное пламя получают при избытке кислорода, когда в горелку подают на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. Ядро такого пламени имеет укороченную, конусообразную форму. Оно приобретает менее резкие очертания и более бледную окраску, чем у нормального пламени. Протяженность восстановительной зоны уменьшается по сравнению с нормальным пламенем. Факел имеет синевато-фиолетовую окраску. Горение сопровождается шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше, чем у нормального, однако при сварке таким пламенем из-за избытка кислорода образуются пористые и хрупкие швы.
Окислительное пламя применяют при сварке латуни и пайке твердыми припоями.
Науглероживающее сварочное пламя получают при избытке ацетилена, когда в горелке на один объем ацетилена приходится не более 0,95 объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость очертаний, на его конце появляется зеленый венчик, по наличию которого судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона существенно светлее, чем у нормального пламени, и почти сливается с ядром. Факел приобретает желтую окраску. При значительном избытке ацетилена пламя коптит. Температура науглероживающего пламени ниже, чем у нормального и окислительного.
Слегка науглероживающим пламенем сваривают чугун и осуществляют наплавку твердых сплавов.
Регулируют и устанавливают вид сварочного пламени «на глаз».
При выполнении сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало тепловой мощностью, достаточной для расплавления свариваемого металла. Ее выбирают в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами. Эта мощность зависит от расхода ацетилена – объема газа, проходящего за один час через горелку, поэтому ее регулируют ацетиленовым вентилем и подбором наконечника горелки.
Расход ацетилена (его измеряют в дм3/ч), необходимый для расплавления слоя свариваемого металла толщиной 1 мм, устанавливают на практике. Так, слой низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм расплавляется при расходе ацетилена 100–130 дм3/ч. Чтобы определить расход ацетилена при сварке конкретной детали, нужно умножить расход, соответствующий единичной толщине, на действительную толщину свариваемого металла (мм).
При сварке низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм минимальный расход ацетилена составит 100 ∙ 3 = 300, а максимальный – 130 ∙ 3 = 390 дм3/ч.
Решающую роль в процессе горения играет кислород. Для полного сгорания одного объема ацетилена требуется два с половиной объема кислорода. Однако при газовой сварке недопустимо смешивать ацетилен с кислородом в такой пропорции, чтобы обеспечить полное сгорание ацетилена. Как правило, на один объем ацетилена подают 1,1–1,2 объема кислорода.
Для предотвращения окислительных процессов при газовой сварке в присадочные материалы и флюсы вводят вещества, которые раскисляют металл[11], например кремний и марганец, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва. При сварке стали раскисляющее действие оказывают углерод, его оксид и водород, образующиеся при горении газовой смеси. Поэтому углеродистые стали можно сваривать и без флюса. Соответствующие присадочные материалы и флюсы применяют и для легирования металла шва.
При газовой сварке основной металл, примыкающий к сварному шву, подвергается нагреву до температуры 1500 °C. Область, нагретую до 450—1500 °C, принято называть зоной термического влияния. Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке, зависящая от толщины и марки стали, составляет 6—30 мм. Эта область склонна к образованию холодных и горячих трещин.
Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется применять сварочные материалы с минимальным содержанием фосфора и проводить сварку на оптимальных режимах.
Для предотвращения образования горячих трещин необходимо применять сварочные материалы с повышенным содержанием марганца и минимальным количеством серы и углерода, вводить в металл шва легирующие элементы (титан, алюминий, медь), выполнять сварку с предварительным подогревом и последующей термообработкой.
Кроме того, для улучшения структуры и свойств зоны термического влияния и металла шва, выполненного газовой сваркой, осуществляют горячую проковку[12] шва, его термообработку (нагрев сварочной горелкой) и общую термообработку сварного изделия (нагрев в печах с последующим медленным охлаждением).
Технология сварочных работ
Под техникой сварки понимают приемы манипулирования электродом или горелкой, выбор режимов сварки, приспособлений и способы их применения для получения качественного шва. Однако качество швов зависит не только от техники сварки, но и от других факторов, таких как состав и качество применяемых сварочных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки и сборки кромок под сварку.
Подготовительные слесарные операции
Благодаря доступности электроинструментов в наше время работы по раскрою и подготовке металла к сварке значительно упростились. Фактически с помощью одной только углошлифовальной машинки в большинстве случаев можно быстро раскроить материал, опилить фаски, а затем и зачистить сварные швы. Но болгарка выручает не всегда. Для работы в узких местах, при сложной конфигурации исходного материала, его малых размерах и т. п. она неудобна. Например, прорезать болгаркой небольшое окно в металлическом листе, не захватывая лишний материал, не получится. Тонкий металл из-за высокой скорости вращения отрезного или шлифовального диска очень легко пережечь. К тому же ограничиться раскроем и зачисткой удается не всегда. И тут на помощь приходят старые добрые ручные инструменты.
