Достижения и перспективы развития электросварочного оборудования

ЛЕКЦИЯ № 1

Введение

Тема 1.1 Свойства сварочной дуги и требования, предъявляемые

К источникам питания

 

План:

1. Основные эта­пы развития электросварочного оборудования, связанные с созданием новых способов сварки плавлением

2. Роль русских и совет­ских ученых, институтов и передовых заводов в создании электросварочного оборудования

3. Достижения и перспективы развития электросварочного оборудования 4. Физическая сущность возникновения сварочной дуги 5. Статические и динамические вольтамперные характеристики сварочной дуги

Литература :

1. И.В. Гуменюк, О. Ф. Иваськов, О. В. Гуменюк Технология электродуговой сварки. - Киев: Грамота, 2007

2. Китаев A.M., Китаев Я.А. Справочная книга сварщика. - М.: Машиностроение

1. Основные эта­пы развития электросварочного оборудования, связанные с созданием новых способов сварки плавлением

Сварка, по сравнению с другими способами соединения, широ­ко применяется в различных отраслях промышленности и строи­тельства. Основы сварки были заложены открытиями и изобрете­ниями русских ученых и инженеров.

В 1802 г. профессором физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии Василием Владимировичем Петровым (1761—1834) было открыто явление электрической дуги. Описы­вая в. 1803 г. явление электрической дуги, В. В. Петров указал на возможность ее практического применения, как для электроосвеще­ния, так и для плавления металлов. Но только через 80 лет, в 1882 г., русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842—1905) в числе многих других изобретений по сварке исполь­зовал электрическую дугу для соединения двух частей металла в одно целое. В качестве электрода Н. Н. Бенардос применил уголь­ный стержень. Через шесть лет, в 1888 г., русский инженер и изо­бретатель Николай Гаврилович Славянов (1854—1897) применил электрическую дугу для сварки металлическим плавящимся элек­тродом.

Для питания электрической дуги, как неотъемлемой части сварочного процесса, потребовались разработка и создание специаль­ного электрооборудования.

В начальный период развития электродуговой сварки применялась генераторы и батареи гальванических элементов, у которых напряжение практически не изменялось с изменением нагрузки (сварочного тока), т.е. они имели жесткую внешнюю вольтамперную характеристику. Для устойчивого горения дуги требовалось последовательно с ней включать балластные реостаты.

Такие схемы питания были практически невыгодны, так как в балластных реостатах терялось большое количество энергии.

В дальнейшем начали разрабатывать специализированные ге­нераторы для электродуговой сварки, которые имели падающие вольтамперные характеристики.

В 1924 г. на ленинградском заводе «Электрик» под руководст­вом ученого и инженера В. П. Никитина (1893—1956) был пост­роен первый сварочный генератор СМ-1. Это было началом созда­ния в СССР специальной отрасли электропромышленности — элек­тросварочного машиностроения. Одновременно завод «Электрик» стал выпускать специальные сварочные трансформаторы с нор­мальным магнитным рассеянием типа СТ-2, которые питали дугу через последовательно включенную реактивную катушку — дрос­сель.

В том же 1924 г. В. П. Никитин предложил принципиально но­вую схему сварочного трансформатора типа СТН. С 1927 г. завод «Электрик» начал выпуск этих трансформаторов.

Широкое применение сварки в годы первых пятилеток потребо­вало резко увеличить производство электросварочного оборудова­ния. В этот период создаются новые типы сварочных генераторов, трансформаторов, в частности, трансформаторы для атомно - водородной сварки (30-е годы), трансформаторы большой мощности, многопостовые сварочные генераторы.

В первой половине 30-х годов в Советском Союзе начинает при­меняться автоматическая сварка. Первые сварочные автоматы вы­полняли сварку голой электродной проволокой открытой дугой постоянного тока. Они были снабжены автоматическими регулято­рами напряжения дуги. Для питания этих автоматов можно было применить существующие сварочные генераторы. В 1940 г. Инсти­тут электросварки АН УССР во главе с Е.О.Патоном (1870— 1953) приступил к освоению и внедрению автоматической сварки закрытой дугой под флюсом. Новый способ автоматической свар­ки потребовал создания других типов мощного сварочного оборудования. Большие сдвиги в разработке и выпуске источников пи­тания электрической дуги для автоматической сварки под флюсом произошли после второй мировой войны. В 1947 г. в Институте электросварки АН УССР Б. Е. Патон, В. К. Лебедев и др. разра­ботали мощные сварочные трансформаторы типа СТ-1000, СТ-2000 и трансформаторы типа СТР-1000 и СТР-1000-П с увеличенным магнитным рассеянием.

В 1942 г. В. И. Дятлов разрабатывает новый принцип построе­ния сварочных автоматов с постоянной, независимой от напряже­ния дуги, скоростью подачи электродной проволоки. Этот принцип основан на использовании явления саморегулирования длины сва­рочной дуги при больших плотностях тока.

Для питания сварочных автоматов и полуавтоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки требовались источники с пологопадающими вольтамперными характеристиками.

Развитие и внедрение сварки трехфазной дугой обусловило вы­
пуск специальных трехфазных сварочных трансформаторов.
Широкое применение дуговой сварки в среде защитных газов,
особенно в среде углекислого газа, способствовали созданию нового вида источников питания сварочных полупроводниковых выпрямителей.

Одновременно с созданием сварочных выпрямителей с жесткими вольтамперными характеристиками для газоэлектрической сварки проектировалась и создавались выпрямители с падающими характеристиками (ВСС-120, ВСС-300). Относительная простота изготовления и обслуживания, бесшумность в работе, малые поте ри энергии при холостом ходе, отсутствие вращающихся частей — все это привело к тому, что сварочные выпрямители стали приме­няться для автоматической и полуавтоматической сварки порошко­вой проволокой и для ручной сварки (с балластными реостатами). Появились мощные многопостовые выпрямители типа ВКСМ-1000 и др.

 

2. Роль русских и совет­ских ученых, институтов и передовых заводов в создании электросварочного оборудования

Большим достижением советской сварочной техники за послед­нее время является разработка в Институте электросварки АН УССР нового высокопроизводительного способа автоматической электрошлаковой сварки с принудительным формированием шва, позволяющего сваривать сталь большой толщины. Институтом электросварки для питания шлаковой ванны были разработаны специальные однофазные и трехфазные сварочные трансформаторы (ТШС-1000-1, ТШС-3000-1, ТШС-1000-3, ТШС-3000-3 и др.)

Для работы в полевых и монтажных условиях, где отсутствуют силовые электрические сети переменного тока, были созданы однопостовые сварочные агрегаты постоянного тока с приводом от дви­гателей внутреннего сгорания (ПАС, АСД, АСБ и др.).

Исследования и разработки источников питания сварочной ду­ги проводят многие научно-исследовательские институты: ВНИИЭСО, Институт электросварки АН УССР имени Е.О. Патона, МВТУ имени Баумана, Вильнюсский филиал ВНИИЭСО и др. На Украине разработкой и производством сварочного оборудования, отвечающего современным требованиям и стандартам, занимаются ОАО Каховский завод электросварочного оборудования, ОАО Электромашиностроительный завод «Фирма СЭЛМА», Киевская фирма CEMONT, Одесская фирма сварочного оборудования LINCOLN Electric и др.

Достижения и перспективы развития электросварочного оборудования

Важной научно-технической проблемой является создание экономических, надежных и долговечных сварных конструкций, которые могут работать на земле, под водой и в космосе, при большой разнице температур, в агрессивных средах. С помощью сварки и родственных технологий создается больше половины валового национального продукта промышленно развитых стран. В сварочном производстве

занято около 5 млн. людей, подавляющее большинство которых (70-80%) выполняют электродуговые процессы.

Основой сварочного производства является сварка плавлением. Техника и технология этого процесса постоянно совершенствуются. На рынке сварочного оборудования первое место занимает аппаратура для дуговой сварки. Растет производство аппаратуры для сварки порошковыми и сплошными проволоками при уменьшении части оборудования для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. В промышленно развитых странах часть металла, наплавляемого ручной дуговой сваркой, уменьшилась почти в разы и представляет 20-30%, в других странах такое снижение менее интенсивно.

Второе место занимает производство оборудования для контактной сварки. При этом часть оборудования для газовой сварки и резки уменьшается. В мировой практике в последнее время начали широко использовать инверторные источники питания, которые имеют большие возможности для автоматического управления сварочными процессами.

Расширяются отрасли применения лазерных технологий, особенно мощных диодных сварочных лазеров с высоким коэффициентом полезного действия. Широкие возможности использования электронно-лучевой сварки, которой за один проход можно сваривать металлы толщиной до 200-300 мм. Для развития тяжелого машиностроения большое значение имеет электрошлаковая сварка при изготовлении крупногабаритных толстостенных изделий. Успешно развивается контактная сварка (роликовая, точечная и рельефная).

Развитие электронной техники и приборостроения привело к созданию ультразвуковой, диффузионной, прессовой и сварка других видов. Обеспечение соединений высокого качества в сложных условиях требует совершенствования техники и средств подготовки к ремонтной сварке.

Неотъемлемой частью сварочного производства является наплавка, для которого используют 8-10% электродов и сплошной сварочной проволоки и 30% порошковой сварочной проволоки от общего объема сварочных материалов и практически все сплошные и порошковые ленты. Усовершенствуются технологии нанесения специального и защитного покрытия методами плазменно-дугового, электронно-лучевого, газотермического и динамического напыления. Особенное значение имеют технологии склеивания. Создано значительное количество клеевых композиций, которые дают возможность соединять одно- и разнородные материалы.

Актуальной остается проблема сварки новых материалов на основе железа, меди, никеля, алюминия, титану и др. В Институте электросварки им. Е. О. Патона нашли новое решение улучшения свариваемости перспективных сплавов алюминия и титана. Созданы новые технологии, которые дают возможность создать сварные соединения толщиной 0,5-1000 мм. Для получения неразъемных соединений из разнородных материалов (сталь - титан, медь - алюминий, сталь - алюминий и др.) перспективными являются такие процессы, как сварка магнитно-импульсная, взрывом, диффузионная, пайка, склеивание, механические соединения.

В производство внедрены новые технологии для сварки полимеров и композитов на их основе, сварки труб из термопластов, которые используются при сооружении газо- и водопроводов и других коммуникаций. Перспективными являются соединения этих материалов с помощью ультразвуковой сварки, сварки трением и токами высокой частоты.

Значительно расширились возможности подводной сварки и резки, которые используются на глубинах нескольких десятков метров. Для этого используют сварку плавящимся и неплавящимся электродами, лазерное излучение. Разрабатываются новые механизированные способы сварки и резки, а также оборудование, которое было бы пригодно для использования на километровой глубине для прокладки газо- и нефтепроводов по дну океанов.

Важной проблемой является применение сварочных технологий в космическом пространстве, где перспективным способом считается электронно-лучевая и лазерная сварка. Институтом электросварки им. Е. О. Патона вместе с НПО "Энергия" проведены эксперименты электронно-лучевой сварки, резки, пайки и нанесение покрытия в открытом космосе, при которых были изучены особенности получения сварных соединений в условиях вакуума и микрогравитации, оценены возможности человека в скафандре выполнять функции сварщика.

Сварка и родственные технологии будут и в дальнейшем интенсивно развиваться, поскольку они являются ключевыми для ведущих отраслей современной промышленности.

Исследование и разработки источников питания сварочной дуги проводят научно-исследовательские институты. Институт электросварки АН УКРАИНЫ имени Е.О. Патона, МВТУ имени Баумана, Вильнюсский филиал ВНИИСО и др. На Украине разработкой и производством сварочного оборудования, отвечающего современным требованиям и стандартам, занимаются ОАО Каховский завод оборудования электросварки, ОАО завод Электромашиностроения "Фирма СЕЛМА", Киевская фирма CEMONT, Одесская фирма сварочного оборудования LINCOLN Electric и др.

 

 

 

 

 

 

 

4. Физическая сущность возникновения сварочной дуги

Для правильного выбора источника питания при сварке различных материалов и правильного ведения процесса сварки необходимо знать свойства электросварочной дуги и процессы, протекающие в ней.

Электрической сварочной дугой называется мощный, длительный электрический разряд в среде ионизированных газов и паров между электродами, находящимися под напряжением.

Газы (в том числе и воздух) при нормальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что в обычных условиях они состоят из нейтральных молекул и атомов, которые не являются носителями зарядов. Они станут электропроводными в том случае, если в своем составе будут иметь электроны, положительные и отрицательные ионы.

Электроны, положительные и отрицательные ионы в газах возникают при воздействии на них электрического поля, тепла, при прохождении через газ ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей, а также лучей испускаемых радиоактивными веществами.

Происхождение электрического тока через газы называются электро-газовым разрядом.

Процесс образования положительных и отрицательных ионов называется ионизацией, а газ, содержащий эти ионы, ионизированным.

Ионизация дугового промежутка и возникновение сварочной дуги между электродом и изделием при сварке постоянным током по прямой полярности происходит следующим образом.

При коротком замыкании электрода (катод) на изделие (анод) из-за шероховатости поверхности касание их происходит в отдельных выступах, где выделяется большое количество тепла. Это тепло значительно ускоряет движение свободных электронов по замкнутой сварочной цепи. При отрыве электрода от изделия свободные электроны под действием электрического поля начинают вылетать в межэлектродное пространство. Возникает, так называемая, электронная эмиссия, то есть самопроизвольный выход свободных электронов из катода в газовую среду, что приводит к возбуждению электрической дуги.

Строение сварочной дуги

Дуговой промежуток подразделяется на три основные области: прикатодную, прианодную и газовый столб дуги. Наиболее нагретые участки прикатодной и прианодной области называют катодными и анодными активными пятнами (рисунок 1).

Рис.1- Строение сварочной дуги

Процессы, происходящие на отдельных участках сварочной дуги (рисунок 2)

Катодная область (заряжена положительно)

В катодной области происходят следующие виды эмиссии: термоэлектронной эмиссии, автоэлектронной эмиссии и в результате ударов тяжелых ионов по катоду.

Термоэлектронная эмиссия заключается в способности раскаленной поверхности электрода (катода) испускать электроны.

Автоэлектронная эмиссия характеризуется тем, что энергия, необходимая для отрыва электронов с поверх­ности катода, сообщается внешним электрическим полем, создаваемым источником питания.

Эмиссия электронов в результате ударов ионов по катоду возникает в тех случаях, когда положительные ионы под действием электрического поля устремляются к катоду и передают им энергию, достаточную для выби­вания электронов.

Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400—2600° С. В катодном пятне выделяется около 38% общего количества тепла дуги

Столб дуги (столб дуги нейтрален, т.е. заряда не имеет)

Столб дуги представляет собой проводник электрического тока. В нем свободные электроны и отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, а положительно заряженные ионы перемещают­ся к катоду. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении столба одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположных знаков.

В столбе дуги выделяется около 20% общего тепла дуги. Температура столба дуги зависит от силы сварочного тока и составляет в центре ее 6000-7000° С и более. Температура капли на кожице стального электрода приблизительно равна 2150° С, а при перелете ее через дуговой про­межуток— 2350° С. В среднем температура сварочной ванны состав­ляет 1770° С.

В столбе дуги различают следующие виды ионизации: соударением, фотоионизацию, тепловую ионизацию, электрическим полем.

Ионизация соударением состоит в том, что электроны, вышедшие с поверхности катода с большой скоростью движутся через молекулярный слой газа к аноду. На своем пути они сталкиваются с нейтральными атомами. При этом движущийся электрон может выбить связанный электрон с орбиты нейтрального атома или расположиться на его орбите. В первом случае образуется (+) заряженный, а во втором – отрицательно заряженный ион. Эти ионы так же начнут двигаться к противоположному заряду. При столкновении положительных ионов с отрицательными ионами или с электронами будут образовываться нейтральные молекулы или атомы (процесс рекомбинации).

Рис.2Процессы,происходящие в сварочной дуге

Фотоионизация – процесс образования атомами и молекулами газа электрически заряженных частиц за счет поглощения квантов света.

Тепловая ионизация проявляется тем, что с увеличением нагрева газов и паров столба дуги увеличивается число соударения и тем самым интенсивнее образуются электроны и ионы.

Ионизация электрическим полем заключается в том, что электрическое поле, действуя на электрически заряженные частицы газа, ориентирует и ускоряет их движение.

Анодная область (отрицательно заряженная область)

Анодная область является местом входа и нейтрализации сво­бодных электронов. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше тепла (примерно 42%), чем на катод­ном. Падение напряжения на анодном пятне (U_a) связано с затра­тами энергии на бомбардировку анода электронами, а также на нейтрализацию их и составляет примерно 2—11В. Поверхность анодного пятна имеет форму вогнутой сферы (чаши), называемой кратером.