Установки для сварки неплавящимся электродом

1. Сущность процесса и область применения

Термины и определения.

Горелка для дуговой сварки в защитных газах – устройство, фиксирующее электрод и подводящее электрический ток к электроду и защитный газ в зону дуги.

Неплавящийся электрод – стержень из электропроводящего материала, включаемый в сварочную цепь для подвода тока к сварочной дуге и не расплавляющийся в процессе сварки.

Присадочная проволока – сварочная проволока, используемая как присадочный материал и не являющаяся электродом.

Международные обозначения.

Основные способы дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом имеют определенные обозначения:

• TIG/WIG (ТИГ/ВИГ) – дуговая сварка вольфрамовым электродом (W-электродом) в среде инертного газа (способ ТИГ);
• TIG-DC – способ ТИГ на постоянном токе;
• TIG-АС – способ ТИГ на переменном токе;
• TIG-DC/AC – способ ТИГ на постоянном и переменном токе;
• TIG pulser – способ ТИГ пульсирующим током;
• TIG HF – способ ТИГ с системой бесконтактного возбуждения дуги высоковольтным и высокочастотным разрядом;
• TIG contact – способ ТИГ с контактным возбуждением дуги касанием об изделие.

Сущность процесса.

Сущность процесса ручной дуговой сварки неплавящимся электродом в защитных газах (TIG/WIG) показана на рисунке 1. Кромки свариваемого изделия и присадочного металла расплавляются дугой, горящей между неплавящимся электродом и изделием. Дуга, сварочная ванна, торец присадочной проволоки и кристаллизующийся шов защищены от воздействия воздуха газом, подаваемым в зону сварки горелкой.

В качестве защитных газов используют инертные газы аргон (Ar) и гелий (He), смесь аргона и гелия, а также активный газ азот, который используют только для сварки меди.

Рис. 1. Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в защитных газах

Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в защитных газах характеризуется определенными преимуществами и недостатками.

Преимущества:

• минимальный нагрев основного металла;
• надежная защита расплавленного металла от окружающего воздуха;
• высокая тепловая мощность дуги, а значит, скорость и производительность сварки;
• возможность наблюдения за процессом;
• простота техники сварки;
• возможность сварки трудносвариваемых металлов и сплавов, в том числе и разнородных;
• возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Недостатки: сильное ультрафиолетовое излучение (особенно при использовании гелия).

Классификация видов ручной дуговой сварки неплавящимся электродом в защитных газах показана на рисунке 2.

Рис. 2. Классификация видов ручной дуговой сварки неплавящимся электродом в защитных газах

Область применения.

Сварка углеродистых, конструкционных и нержавеющих сталей, алюминия и его сплавов, титана, никеля, меди, латуней, кремнистых бронз, а также разнородных металлов и сплавов; наплавка одних металлов на другие.

Сварка неплавящимся электродом в защитном инертном газе в связи с высокой степенью концентрации дуги, ее стабильностью, хорошим формированием шва в различных пространственных положениях легко поддается автоматизации. Автоматическая сварка этим способом (в основном аргонодуговая) находит широкое применение в авиа- и судостроении, химической и пищевой промышленности, атомной энергетике и других отраслях промышленности.

Организация сварочного поста.

При сварке на постоянном токе используют любой источник постоянного тока: сварочный преобразователь, выпрямитель, сварочный агрегат, инверторный источник или специальные источники и установки. Балластный реостат в сварочной цепи формирует крутопадающую характеристику и дискретно регулирует режим сварки.

При сварке от специальных источников питания реостат не нужен. В состав поста входит и газовое оборудование: баллон с газом, редуктор, ротаметр (определяющий расход газа), газовые рукава. Есть регуляторы расхода газа, объединяющие в себе редуктор и ротаметр.

Организация сварочного поста для сварки на постоянном и переменном токе показана на рисунке 3.

Рис. 3. Организация сварочного поста для сварки на постоянном (а) и переменном (б) токе

При сварке на переменном токе применяют сварочный трансформатор. Желательно, чтобы он имел высокое напряжение холостого хода (70–80 В). При высоких дуговых напряжениях (например, при сварке в гелии или при малых токах) напряжение холостого хода достигает 120 В. Тогда для большей безопасности применяют ограничители напряжения холостого хода.

Для стабилизации горения дуги на переменном токе служит осциллятор. Удаление оксида алюминия происходит в момент, когда свариваемое изделие становится катодом и положительные ионы инертного газа с высокой энергией разрушают поверхностный слой (процесс катодного распыления). Осциллятор можно использовать и при сварке на постоянном токе для бесконтактного зажигания дуги, когда не допускаются ожоги металла.

В связи с большим различием напряжений дуг прямой и обратной полярности возникает постоянная составляющая тока, которая отрицательно влияет на сварочный процесс. При использовании источников переменного тока для компенсации постоянной составляющей тока применяют балластные реостаты.

2. Сварочные горелки

Устройство горелок.

Ручная горелка для дуговой сварки в защитных газах (рис. 4) служит для жесткого фиксирования W-электрода в определенном положении, подвода к нему электрического тока, подачи защитного газа в зону сварки и охлаждения токоведущих частей воздухом или водой.

Рис. 4. Сварочные горелки

Горелки для сварки в монтажных условиях и при пониженных температурах имеют естественное воздушное охлаждение и рассчитаны на ток до 150 А. При необходимости сварки на больших (до 500 А) токах используют горелки с водяным охлаждением, а при отрицательных температурах – с антифризными жидкостями.

Головка горелки типа «Агни» может поворачиваться вокруг продольной оси рукоятки на угол ±180°. У некоторых моделей головка поворачивается относительно поперечной оси на угол 110° в удобное положение. Горелки с уменьшенной высотой головки предназначены для сварки в стесненных условиях.

Пост сварки комплектуют горелкой с вентилем на рукоятке для регулирования подачи защитного газа. В специальных установках используют горелки с встроенной в рукоятку кнопкой или клавишей для управления подачей газа, включения систем бесконтактного зажигания, плавного нарастания тока и др.

Сопла горелок малой и средней мощности выполнены из керамики. Горелки большой мощности имеют медное сопло с внутренней рубашкой, охлаждаемой жидкостным хладагентом. Устройство горелки показано на рисунке 5.

Технические характеристики сварочных горелок приведены в таблице.

Рис. 5. Устройство горелки

Технические характеристики сварочных горелок

Неплавящиеся электроды.

Наиболее распространены электроды (ГОСТ 23949–80) следующих марок:

• ЭВЧ – чистый вольфрам;
• ЭВЛ – вольфрам с оксидом лантана (1,1–1,4 %);
• ЭВИ – вольфрам с оксидом иттрия (1,5–3,5 %);
• ЭВТ – вольфрам с оксидом тория (1,5–2 %).

Диаметр электрода выбирают в зависимости от марки вольфрама, величины и рода сварочного тока. Электроды ЭВЧ используют для сварки на переменном токе, а прочие – для сварки на переменном и постоянном токе прямой и обратной полярности.

На рисунке 10.6 показаны формы заточки конца электрода для сварки на постоянном и переменном токе.

Рис. 6. Формы заточки конца вольфрамового электрода для сварки: а – на постоянном токе; б – на переменном токе; в – расположение рисок

Составные части горелки.

Для закрепления W-электрода откручивают тыльный колпачок, освобождая цангу. В зависимости от диаметра электрода подбирают цангу нужного размера. Вставив электрод в цангу, а цангу в корпус, фиксируют необходимое положение электрода, навернув тыльный колпачок до отказа. В горелках с уменьшенной высотой головки цангу с электродом зажимают поворотом сопла. Керамические сопла крепятся к головке горелки на резьбе или с помощью внешней разжимной цанги (например, у горелки ЭЗР-5).

3. Автоматы для сварки неплавящимся электродом

Простейшие автоматы для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом без подачи присадочной проволоки обеспечивают горение сварочной дуги между электродом и изделием, газовую защиту электрода, сварочной ванны и прилегающего к ней металла от воздействия воздуха, передвижение дуги вдоль свариваемых кромок. Кроме того, автоматы для сварки с присадкой осуществляют подачу присадочной проволоки.

На рисунке 7 представлен пост автоматический сварки неплавящимся электродом в защитном газе неповоротных стыков труб. В общем виде он состоит из источника сварочного тока, баллона с защитным газом и автомата, включающего трубосварочную головку и аппаратуру управления, содержащую аппаратный шкаф и выносной пульт.

В других типах автоматов место трубосварочной головки могут занимать подвесная головка, сварочный трактор, а в стационарных сварочных автоматах – установка станочного, консольного или другого типа. В тракторных и стационарных установках сварочная головка является основной частью системы.

Рис. 7. Типовая схема поста автоматической сварки в защитном газе: 1 – баллон с защитным газом; 2 – рубильник; 3 – аппаратный шкаф; 4 – сварочная головка; 5 – свариваемое изделие; 6 – выносной пульт управления; 7 – источник сварочного тока

Сварочная головка самого простого автомата включает в себя горелку с устройствами ее настройки на шов и регулирования длины дугового промежутка. По мере усложнения головка оснащается механическими копирными или автоматическими устройствами поддержания длины дуги, механизмом колебания горелки, механизмом подачи присадочной проволоки с системами настроечных перемещений мундштука, в самоходных головках – устройством ее перемещения вдоль шва.

Некоторым головкам придаются дополнительные устройства: светильники, оптические или телевизионные системы наблюдения, устройства для магнитного перемешивания металла сварочной ванны, устройства дополнительной защиты зоны сварки, датчики слежения и т. п.

На рисунке 8 представлена классификация основных автоматов для сварки неплавящимся электродом в защитном газе.

Рис. 8. Классификация автоматов для сварки неплавящимся электродом в инертном газе

Автоматы разрабатывают и выпускают как без привязки к конкретным изделиям или условиям применения – автоматы общего назначения, так и специализированные – для случаев, когда невозможно выполнять сварку автоматами общего назначения. Характерные примеры автоматов общего назначения – большинство сварочных тракторов, станков для сварки прямолинейных и кольцевых швов, консольные установки, множество автоматов с подвесными и переносными головками.

Типичными специализированными автоматами являются многие автоматы, выпускаемые для сварки при монтаже и ремонте конкретных соединений атомных реакторов. Только для монтажа трубопроводов реакторов имеется 13 специализированных автоматов, каждый из которых предназначен для сварки одного-двух типов конкретных соединений. Для сварки при ремонте реакторов разрабатывают и выпускают дистанционно управляемые автоматы, иногда для ремонта одного конкретного сварного соединения.

Много специализированного оборудования для автоматической сварки неплавящимся электродом разрабатывают и производят авиационная промышленность и предприятия ракетостроения. Основные варианты такого рода сварки – сварка без присадочной проволоки и сварка с подачей присадочной проволоки.

Наибольшее распространение получили переносные трубосварочные автоматы, используемые для сварки неповоротных стыков (орбитальной сварки) как в цеховых условиях, так и при монтаже трубопроводов.

Автоматы для сварки без подачи присадочной проволоки используют для сварки труб с толщиной стенок до 3,5–4,0 мм или для сварки корневых проходов более толстостенных труб, заполнение разделки которых выполняется ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, ручной либо автоматической аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадочной проволокой и реже другими способами.

На рисунке 9, а представлена типовая технологическая структура орбитальной головки для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом без подачи присадочной проволоки.

Рис. 9. Схема устройства орбитальных автоматов для сварки неплавящимся электродом в инертном газе

Горелка в этом автомате вращается вокруг свариваемого соединения. Дуга, горящая между закрепленным в горелке неплавящимся вольфрамовым электродом и кромками стыка, оплавляет последние, образуя сварное соединение.

Горящая дуга, нагретый до высокой температуры электрод, ванна расплавленного металла и прилегающая к ней поверхность трубы защищаются струей аргона, выходящего из сопла горелки. Таким образом, основным (технологическим) движением является перемещение горелки вдоль шва vсв (вращение горелки вокруг трубы). К вспомогательным относятся корректировочные перемещения горелки: поперек шва и аксиальное – вдоль оси электрода.

Технологическая структура головки включает также системы подвода сварочного тока Iсв и аргона Q.

Основными (технологическими) движениями в автоматах с подачей присадочной проволоки (рис. 9, б) являются движение горелки вдоль шва vсв, подача присадочной проволоки vп и иногда колебания электрода fк поперек шва. К вспомогательным перемещениям относятся аксиальная и поперечная корректировки горелки, а также конца присадочной проволоки. Аксиальная корректировка горелки может осуществляться системой автоматического регулирования напряжения дуги (АРНД) со скоростью слежения (отработки) vc.

Орбитальные трубосварочные автоматы – одни из самых наукоемких и сложных многофункциональных образцов сварочного оборудования. При этом при единой технологической структуре они могут существенно отличаться степенью сложности.

Конструкция головок для сварки без присадочной проволоки может быть простейшей: иметь только устройство фиксации на трубе, С-образную или разъемную вращающуюся вокруг трубы планшайбу с жестко закрепленной на ней горелкой и шланговым подводом тока и газа.

Более сложные варианты головок такого типа имеют плавающую горелку с копиром, механизм аксиальной и поперечной корректировки горелки. Существуют конструкции бесприсадочных головок, оснащенных системой АРНД и механизмом колебания горелки. При этом регулирование размаха колебаний горелки и ее поперечная корректировка имеют электромоторные приводы и управляются дистанционно.

Есть конструкции, в которых рукоятки ручных аксиальной и поперечной корректировок вынесены на невращающиеся части головки. Некоторые головки оснащаются волоконно-оптическими или телевизионными системами наблюдения за настройкой электрода, сваркой и системами слежения за стыком. Различаются по степени сложности также автоматы для сварки с присадочной проволокой.

При этом не следует отождествлять степень сложности автомата с его техническим совершенством. Необходимая степень сложности выбирается в соответствии с конкретными задачами. Для сварочных работ, характеризующихся простым и непродолжительным циклом сварки при большом количестве одинаковых стыков, выбирают сравнительно несложное и надежное оборудование, обеспечивающее многократное повторение одной и той же операции сварки.

При длительном процессе сварки стыков толстостенных труб, сопровождающемся изменениями режимов сварки, больше подходит максимально автоматизированное оборудование высокой степени сложности. Еще большей степени сложности обычно требует оборудование, управляемое дистанционно.

Орбитальные трубосварочные автоматы отличаются большим разнообразием конструктивных схем, основные из которых представлены на рисунке 10.

В корпусных головках корпус 4 крепится на одной из свариваемых труб 1, а планшайба 2 с горелкой 3 вращается, перемещая горелку вдоль стыка. Открытыми, в отличие от камерных, называются головки, в которых защита расплавленного металла и электрода струйная, реализуемая горелкой, расположенной на наружных частях головки. Корпусные головки бывают как С-образные, так и разъемные (см. рис. 10, а).

С-образный вырез в корпусе и планшайбе предназначен для установки головки на свариваемые трубы сбоку, для чего вырез планшайбы совмещается с вырезом в корпусе. С-образная планшайба имеет зубчатый венец и вращается с помощью двух синхронно перемещающихся ведущих шестерен, размещенных в корпусе привода, содержащего двигатель, редуктор и раздвоитель для синхронизации вращения шестерен. Головки С-образного типа иногда называют скобами или клещами.

Трубосварочные головки конструкции НИКИМТ ОДА-1, ОДА-2 и ОДА-3 предназначены для орбитальной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом без присадочной проволоки труб диаметром 8–26, 20–42 и 42–76 мм. Это самые распространенные в России трубосварочные автоматы, надежные и удобные в работе, обладающие ресурсом более 600 ч машинного времени.

Рис. 10. Основные конструктивные схемы головок орбитальных трубосварочных автоматов: а – С-образная открытая головка; б, в – корпусные разъемные открытая и камерная головки соответственно; г – тракторная головка, перемещаемая по поверхности трубы; д – то же, с неподвижной направляющей; 1 – труба; 2 – планшайба; 3 – горелка; 4 – корпус; 5 – камера; 6 – каретка; 7 – гибкий элемент поджатия головки к трубе; 8 – жесткая направляющая

Основные технологические процессы, реализуемые автоматами ОДА, – сварка с автоопрессовкой или последовательным проплавлением, они обеспечивают высокое качество сварных соединений труб из коррозионно-стойких сталей с толщиной стенок до 3,5 мм. Головки ОДА оснащены надежными призменноклещевыми механизмами фиксации на трубе.

На головках ОДА-1 и ОДА-2 рукоятки механизмов поперечной корректировки вынесены на невращающиеся корпусные части.

Головка ОДА-3 имеет муфту сцепления для ускоренной ручной размотки шлангов и быстродействующий рычажный привод механизма фиксации.

Для сварки корневых проходов используют автоматы ОКА-1 для труб диаметром 76–133 мм и ОКА-2 – для труб диаметром 133–159 мм.