Высокопроизводительные способы сварки
и их недостатки

Автоматизированная сварка под флюсом на уве­личенном вылете электродной проволоки. Эффектив­ность любого способа сварки во многом определяется его производительностью. Производительность на­плавки при автоматизированной сварке под флюсом ограничена диаметром электродной проволоки и до­пустимой токовой нагрузкой на сварочный флюс. Токовая нагрузка, в свою очередь, зависит от напря­жения на дуге, диаметра электродной проволоки, скорости сварки, состава и грануляции флюса и составляет не более 2000 А. Тем не менее производи­тельность наплавки при автоматизированной сварке под флюсом благодаря бат ьш ом у максимально до­пустимому сварочному току достаточно высока и до­стигает при обычной однодуговой сварке 14—16 кг/ч. Одним из способов повышения производительности наплавки является увеличение вылета электродной проволоки, при котором электрод подогревается джоулевым теплом. На повышение производитель­ности в этом случае влияет величина вылета электро­да, сила тока и диаметр электродной проволоки. С увеличением вылета и диаметра электродной про­волоки увеличивается количество джоулева тепла, а следовательно, и производительность наплавки. С уменьшением диаметра электродной проволоки произ­водительность плавления растет интенсивнее благодаря повышению сопротивления электродной проволоки на вылете. Однако при сварке тонкой проволокой огра­ничение токовой нагрузки не позволяет полностью использовать этот эффект. Поэтому применение про­волоки большого диаметра более эффективно (рис. 1). Из приведенных кривых видно, что увеличение вылета электродной проволоки диаметром 2 мм до 100 мм может повысить производительность наплавки более чем в 2 раза. Однако оптимальный диаметр электродной проволоки, обеспечивающий при сварочном токе 920 А максимальную производительность 14 кг/ч, равен 4 мм. Такая же производительность при сварке про-

image5

т [1] ~S50 1 І? д 1 Two

СВАРОЧНЫЙ ТОК. А

Рис. /. Зависимость максимальной производительности плавления
(сплошная линия) и коэффициента плавления (пунктирная линия)
от диаметра проволоки, силы тока и вылета электрода при
сварке на обратной полярности

I — при вылете электрода 30—50 мм; 2 — то же при 100 мм

волокой диаметром 5 мм достигается за счет большего расхода энергии. Увеличение — вылета электродной проволоки диаметром 4 мм позволяет повысить про­изводительность наплавки примерно на 30%.

Автоматизированная сварка под флюсом на боль­шом вылете электродной проволоки является эффек­тивным средством повышения производительности наплавки, но находит она ограниченное применение из-за ухудшения формирования шва и необходимости очень точного направления по шву электродной про­волоки, нагретой до высокой температуры и теряющей эластичность. Частично этот недостаток можно устра­нить, применив специальный мундштук, поддерживаю­щий нагретую электродную проволоку.” С помощью такого мундштука можно производить сварку при вы­лете электродной проволоки до 100 мм. На рис. 2 приведены такие мундштуки двух конструкций. Мунд­штук первой конструкции (а) позволяет поддерживать электродную проволоку по всей длине мундштука, а второй конструкции (б) —только по концам.

Многоэлектродная и многодуговая сварка. Повы — s

Рис. 3. Влияние на скорость сварки величины катета шва (а)
и толщины свариваемых листов (б)

I — сварка одиночным электродом; 2 — сварка расщепленной дугой: 3 — двухдуго-
вая сварка способом тандем

image6,image7,image8

в

сить производительность автоматизированной сварки под флюсом позволяет одновременное применение двух и более электродных проволок, что обеспечивает увеличение суммарно допустимой токовой нагрузки, а это, в свою очередь, приводит к повышению производительности наплавки. При сварке расщеп­ленным электродом повышение производительности наплавки по сравнению с обычной одноэлектродной сваркой достигается за счет пропорционального уве­личения сварочного тока. Аналогично производитель­ность повышается при двухдуговой сварке методом тандем. Максимальная производительность наплавки при сварке указанным способом может достигать 30 кг/ч. Однако возможность повышения скорости сварки, которая наряду с наплавкой характеризует производительность сварки за счет увеличения тока, ограничена тем, что в определенный момент нару­шается нормальное формирование сварного шва, и в нем образуются дефекты. Из трех способов авто­матизированной сварки под флюсом одним электро­дом, расщепленной дугой и двухдуговой методом тандем наибольшей производительностью обладает по­следний. Однако при сварке стыковых соединений элементов толщиной более 20 мм сварка расщепленной дугой уступает одноэлектродной сварке (рис. 3).

При двух — и трехдуговой сварке методом тандем каждая дуга выполняет определенную функцию. В пер­вом случае ведущая дуга, расположенная обычно перпендикулярно или с наклоном около 15° к по­верхности свариваемых листов углом назад, производит проплавление металла, задняя же дуга формирует поверхность шва. Поэтому проплавляющее действие задней дуги должно быть не больше, а ширина валика не меньше, чем у ведущей дуги. Соответственно сварочный ток задней дуги должен быть равен или меньше тока ведущей дуги, а напряжение — равно или больше. При этом максимальная разность ука­занных параметров должна составлять соответственно 200 А и 6 В. Нормальному формированию сварного шва способствуют небольшой наклон заднего электрода углом вперед и электрофизические условия, при ко­торых задняя дуга отклонялась бы в сторону ведущей. Такие условия создают путем выбора рода тока, питающего дуги, фазировки при использовании для

Подпись: Рис. 5. Схема расположения электродов при сварке мето• дом SW I — передний электрод; 2 — задний электрод; 3 дополнительная присадочная проволока

image11
image10

Рис. 6. Диаграмма сравнения
производительности наплавки
при сварке методом SW (7)
и двухдуговой сварке (2)

обеих дуг переменного тока и места токоподвода к изделию при использовании постоянного тока. При питании обеих дуг переменным током шов хорошо формируется, когда источники подключены звездой со сдвигом фаз не более чем на 90°. Такие же результаты можно получить при питании ведущей дуги перемен­ным током, задней — постоянным или при питании обеих дуг постоянным током (в этом случае токо — подвод к изделию следует выполнять в начале шва).

Так же, как и при сварке одиночным электродом, при двухдуговой сварке большая скорость приводит к нарушению нормальной формы шва. Скорость сварки позволяет увеличить трехдуговой способ, при котором ведущая дуга проплавляет металл, средняя — форми­рует шов и несколько увеличивает это проплавление, задняя — выполняет окончательное формирование внешней поверхности шва и предупреждает об­разование подрезов. Сварочный ток на каждой последующей дуге меньше по сравнению с предыду­щей. При сварке на переменном токе хорошее форми­рование шва можно получить только при правильной фазировке источников питания сварочным током. На рис. 4 приведена рекомендуемая схема подключения сварочных трансформаторов к трехфазной сети при трехдуговой сварке. При таком подключении ведущая дуга в процессе сварки отклоняется в сторону, противоположную направлению сварки, средняя — в том же направлении, но на меньшую величину, а задняя — вперед в направлении сварки. Такое взаим­ное отклонение сварочных дуг способствует хорошему формированию шва. Применение многодуговой сварки позволяет не только увеличить производительность наплавки и скорость сварки, но и уменьшить погонную фіергию по сравнению со сваркой одиночным элек­тродом (табл. I).

Японская фирма «Сумитомо» усовершенствовала двухдуговую сварку, разработав «метод SW», сущность которого заключается в дополнительном введении к двум электродам присадочной проволоки (рис. 5). Тепло сварочных дуг частично используется для расплавления присадочной проволоки, что исключает чрезмерное плавление и перегрев основного металла, обеспечивая тем самым увеличение производитель­ности наплавки и более эффективное использование тепла сварочной дуги. Дополнительная присадочная проволока, расположенная между двумя электродами, подвергается тепловому воздействию сварочных дуг с обеих сторон. Причем наклонное расположение электродов обеспечивает более концентрированный нагрев дополнительной присадочной проволоки. Про­изводительность наплавки «методом SW» почти в два раза выше, чем при двухдуговой сварке (рис. 6). Изме­нение соотношения сварочного тока на переднем и

Сіма сварочного

Размеры шва

ММ

тока на электроде, А

глубина

ширина

высота

Другие параметры режима сварки

переднем

заднем

нронла в ленин

усиления

800

1200

21

36

4

Напряжение на дуге 42 В.

1000

1000

24

32

7

Скорость сварки —

1200

800

28

22

12

30 см/мин. Диаметр до­полнительной присадочной проволоки — 6,4 мм. Ско­рость подачи дополнитель­ной присадочной прово­локи — 170 см/мин

заднем электродах при его постоянной суммарной величине практически не влияет на производитель­ность наплавки. Форма шва (его ширина и глубина проплавления) при сварке «методом SW» мало отли­чается от формы шва при обычной двухдуговой сварке. Однако форму шва можно изменять увели­чивая или уменьшая сварочный ток на переднем и заднем электращх (табл. 2).

Однако какГтмхдуговая сварка, так и сварка «методом SW» поможет найти широкого применения из-за сложности сварочного оборудования.

Сварка ленточным электродом. Высокая произво­дительность этого способа сварки обусловлена элек­трофизическими особенностями горения дуги при лен­точном электроде, но торцу которого пятно дуги пере­мещается. Большая площадь контактной поверхности ленточного электрода с жидким шлаком, создавая небольшое переходное сопротивление, обеспечивает бо­лее высокую способность флюса выдерживать токовые нагрузки по сравнению со сваркой электродной про­волокой. Наряду с этим улучшаются механические свойства сварного соединения, повышается стойкость против образования трещин и пор при большей ско­рости сварки, чем при сварке электродной проволокой. Производительность наплавки достигает наибольшего значения при оптимальном соотношении силы свароч­ного тока и ширины ленты, когда скорость переме­щения пятна дуги по торцу ленты достигает максимального значения. Кроме того, производитель­ность повышается с увеличением вылета ленты до

и

image12

Рис. 7. Влияние ширины электрода, величины сварочного тока и вылета электрода на производительность наплавки при сварке под флюсом ленточным электродом толщиной 0,5 мм

/—5 — кривые. соответствующи1> вылету электрода 35 мм и скле тока, соответственно 1770; 1620; 1420; 1200; 1000; 6—8 — кривые, соответстпуквЯг

силе тока 1200 А и вылету электрода, мм: 120; 90; 60 (напряжение ня 30 В, скорость сварки 60 м/ч)

определенных значений. Так, при вылете 120 мм и силе сварочного тока 1200 А можно достичь производи­тельности наплавки около 50 кг/ч (рис. 7). Однако при этом процесс сварки становится нестабильным, поэтому оптимальным вылетом считается 100 мм. Уве­личение ширины ленточного электрода приводит к сни­жению производительности наплавки и глубины про­плавления. Ленточный электрод небольшой ширины, создавая концентрированный ввод тепла и высокое давление дуги, увеличивает проплавление, но оно оста­ется меньшим, чем при сварке электродной прово­локой. В табл. 3 приведены данные по сварке электродной проволокой и ленточным электродом.

Из таблицы видно, что при сварке ленточным электродом резко увеличивается производительность наплавки. Это позволяет также увеличить скорость сварки. Однако погонная энергия при использо­вании ленточного электрода на 30—100% превышает энергию при сварке электродной проволокой, что

3. Сравнительные данные по сварке под флюсом стыковых соединений электродной проволокой н ленточным электродом (в числителе данные по сварке проволокой, в знаменателе — лентой)

Толщина

свари­

ваемого

металла,

мм

Наличие

разделки

кромок

Сварочный ток. А

Напря­жение на дуге, В

Скорость

сварки.

см/мнн

Погонная

энергия.

кДж/см

Производи­

тельность

наплавки.

кг/ч

6

Нет

680

23

75

12,4

9

ШЇ

25

78

ж-

Ж5

8

»

780

28

68

19,3

II

1480

ЗГ

7?

37,2

247э

10

Есть

850

30’

54

28,4

12.1

Ш)

27

60

15"

12

»

950

31

45

39,1

13

Т55Г»

25

38

47,4

25

препятствует применению ленточного электрода для сварки сталей, чувствительных к термическому воз­действию сварочного цикла.

— Ленточный электрод наиболее эффективен для сварки угловых швов. Скорость сварки в этом случае повышается в 1,5—2 раза по сравнению со сваркой электродной проволокой. Для сварки угловых швов с катетом более 6 мм рекомендуется применять ленту сечением 15X1 мм, при этом швы с катетом до 14 мм выполняют за один проход. Для швов с катетом менее 6 мм такая длина непригодна, так как производительность наплавки, которая опре­деляется силой тока, при этом превышает величину, необходимую для формирования швов указанного размера при соответствующей скорости сварки. Для сварки швов с катетом менее 6 мм целесообразно применять более узкие и толстые ленты. Необходи­мую глубину проплавления, размеры и формы шва достигают выбором соответствующих значений сва­рочного тока и скорости сварки. При сварке в поло­жении «в угол» следует особенно тщательно выдер­живать параметры режима сварки — оптимальный сварочный ток в пределах 700—1000 А и напряжение на дуге 27—30 В. При сварке «в лодочку» сварочный ток и напряжение на дуге можно увеличить. Ленточный электрод, предварительно профилирован­ный в U-образную форму с помощью специальной

приставки, можно применять для сварки корневого шва. Электрод открытой стороной профиля распола­гают в разделке в сторону направления сварки. Так как дуга в процессе сварки переметается по торцу ленточного электрода от одной кромки к другой, го при поступательном движении сварочной головки дуга движется по сложной траектории (рис. 8). Коле­бательное движение дуги ограничивает ее непосред­ственное влияние на флюсомедную подкладку, и на­плавляемый жидкий металл направляется от одной кромки стыка к другой, поэтому зазор между свари­ваемыми кромками хорошо перекрывается. По срав­нению с плоским электродом при его поперечном расположении профилирование ленточного электрода позволяет достичь более глубокого введения электрода в разделку, что обеспечивает хорошее проплавление кромок. Кроме того, благодаря небольшой глубине провара при соответствующей подготовке кромок ме­талл шва не вытекает из разделки. Окончательная заварка стыка выполняется второй сварочной головкой, следующей за первой по схеме тандем. Вторая головка производит сварку расщепленным электро­дом — электродной проволокой диаметром 2,5 м-м или одним ленточным электродом сечением 15X1 ММ. Оптимальный режим сварки корневого шва; сва­рочный ток 500 А, напряжение на дуге 25 В, скорость сварки 50 см/мин, сечение ленты 15X0$ мм. Повыше­ние сварочного тока при зазоре 4 мм может при­вести к повреждению медной подкладки из-за увели-

image14
image15

Рис. 9. Схема процесса сварки под флюсом с горячей присадочной

проволокой

а — схема процесса сварки; б — схема сварочной ванны; / — электродная проволока;
2—горячая проволока; 3 — источник питания дуги переменным или постоянным
током; 4 — источник переменного тока для подогрева горячей проволоки; 5 — сва-
рочный флюс; 6 — шлак; 7 — сварной шов; 8 — свариваемое изделие

чения глубины проплавления, а уменьшение зазора — к ухудшению формирования шва. При увеличении напряжения на дуге глубина провара становится неравномерной, а при напряжении менее 25 В процесс сварки становится нестабильным. Для автоматизиро­ванной сварки под флюсом ленточным электродом можно применять то же оборудование, что и для обычной сварки под флюсом, изменив конструкцию устройства, подающего электрод, и токоподвода.

Ленточный электрод наиболее целесообразно при­менять при сварке протяженных угловых швов. Этот способ характеризуется возможностью использования больших сварочных токов (1500—2000 А). При этом производительность наплавки может достигать 40 кг/ч и более. Скорость сварки угловых швов по сравнению со сваркой электродной проволокой увеличивается в Ь,5—2,5 раза. Однако недостатки сварки ленточным электродом не позволяют применить его в большом объеме. Это прежде всего меньшая глубина проплав­ления и более высокие тепловложения. Первый из ука­занных недостатков имеет большое значение при сварке конструкций, где требуется полный провар свариваемых элементов, а второй — при сварке кон­струкций из высокопрочных сталей, где особенно необходимо ограничить тепловложение в процессе сверки.

Сварка с горячей присадочной проволокой. Этот сйоСбб сварки позволяет повышать производитель­ность напдавки без существенного тепловложения. Сварка с горячей присадочной проволокой выполня­ется на Двух самостоятельных устройствах (рис. 9),
каждое из которых имеет свой источник питании, механизм подачи проволоки, пульт управления и на­правляющую трубку. Одно из указанных устройств предназначено для сварки под флюсом по обычной схеме, а второе подает в ту же сварочную ванну подогретую джоулевым теплом электродную прово­локу. Параметры режима работы каждого устройства регулируются независимо друг от друга. Для подогрева проволоки целесообразно применять источник питания с пологопадающей вольт-амперной характеристикой с регулируемым напряжением. Такой источник позво­ляет устанавливать оптимальный режим подогрева проволоки в зависимости от скорости ее подачи, диаметра и вылета. Рассматриваемый способ сварки позволяет получить за один проход швы с большими катетами, т. е. сварные соединения, которые невозможно получить за один проход без прожога подкладки, применяя обычную технологию. Особенно большие преимущества имеет этот способ при сварке изделий из термообработанных сталей, требующих контроля за величиной погонной энергии. Однако существенным не­достатком этого способа, препятствующим широкому внедрению его в производство, является сложность и высокая стоимость сварочной установки по сравне­нию с обычной автоматизированной сваркой под флюсом. По существу вместо одной сварочной уста­новки при обычной сварке при сварке с горячей присадочной проволокой требуется две.