Источники питания электрической дуги.

 

Источниками питания электрической дуги являются:

1.Сварочные трансформаторы (рис.3.24).

Напряжение первичной обмотки 220 В в однофазных трансформаторах или 380 В в двух и трехфазных трансформаторах понижается до более низкого напряжения (40 - 90 В холостого хода). Во вторичной обмотке в несколько раз меньше витков, чем у первичной обмотки, а провод изготовляется значительно большего сечения, т.к. сварочные токи измеряются сотнями и тысячами ампер. Сила сварочного тока регулируется несколькими способами: переключением вторичных обмоток (изменение числа витков), изменением воздушного зазора между подвижным пакетом и неподвижным магнитопроводом, перемещением катушек вторичной обмотки и включением магнитного дросселя в сварочную цепь.

2.Сварочные преобразователи, представляющие собой установку, в которой ротор сварочного генератора постоянного или переменного тока приводится во вращение электродвигателем

3.Сварочные выпрямители, состоящие из понижающего одно-, двух- или трехфазного трансформатора и блока выпрямителей.

4.Сварочные агрегаты, состоящие из генератора постоянного или переменного тока, приводимого в действие карбюраторным или дизельным двигателем. На некоторых передвижных установках привод выполняется от вала отбора мощности трактора или трансмиссии автомобиля.

Для упрощения зажигания и улучшения устойчивости горения дуги в некоторых случаях, например, при аргонно-дуговой сварке, используются осцилляторы, которые преобразуют переменный ток в ток высокой частоты (150-500 кГц) и высокого напряжения (2-6 кВ), который накладывается на основной сварочный ток. Осциллятор включается параллельно сварочному трансформатору, высокие напряжения и частота способствуют улучшению пробоя газовой среды и её ионизации.

Сварка может выполняться как на переменном, так и на постоянном токе. По возможности следует проводить сварку на переменном токе, т.к. она раза в два экономичнее сварки на постоянном токе. Следует иметь ввиду, что температура дуги выше на аноде, чем на катоде. Поэтому при необходимости глубокого проплавления металла применяют прямую полярность: плюс (анод) на деталь, а минус (катод) на электрод (рис. 3.25.). Для уменьшения перегрева детали применяют обратную полярность: минус присоединяют к деталям, а плюс на электрод.

Для повышения производительности ручной дуговой сварки применяют ряд способов:

Сварка с глубоким проплавлением (рис 3.26). Используется электрод ОЗС с повышенной толщиной покрытия, у которого расплавление обмазки несколько отстает от расплавления электрода, поэтому дуга плавится как бы внутри чехла. Действие дуги концентрируется и меньше потерь тепла, поэтому глубина проплавления увеличивается.

2. Сварка лежачим электродом (рис. 3.27). Электрод с повышенной толщиной обмазки укладывается в разделку шва, возбуждают дугу, которая горит и по мере расплавления электрода перемещается по его длине.

3. Сварка пучком электродов. Берется несколько электродов, сваривают концы, при сварке получается дуга, плавающая по электродам

 

Рис. 3.24. Схемы подключения одно- двух- и трёхфазных трансформаторов

 

Рис. 3.25. Прямая и обратная полярность при сварке на постоянном токе

Рис. 3.26. Сварка электродом с   повышенной толщинойобмазки.

 

 

4. Сварка ванным способом (рис. 3.28). В месте соединения арматурных и других стержней делают ванночку из стальной или медной ленты, либо используют керамическую разъемную форму. Между стыками стержней оставляют зазор около 1,5 диаметра электрода с покрытием; при горении дуги в этом пространстве образуется ванна жидкого металла.

 

 

Рис. 3.27. Схема сварки лежачим электродом.

 

Для того чтобы ванна не успевала остыть, берут толстые электроды или пучок электродов, используют повышенный ток и без задержек меняют электроды.

 

 

Рис. 3.28. Схема ванной сварки деталей.

 

5. Сварка трехфазной дугой (рис.3.29). Используется специальный электрод, состоящий из двух электрически изолированных между собой

 

Рис. 3.29. Сварка трехфазной дугой

 

стержней и покрытых общей обмазкой. К каждому стержню подводится по фазе, а третья — к детали.

6. Сварка порошковой проволокой (рис.3.30.). Наружная оболочка является проводником электрического тока, защитным устройством для сердечника. Защитное покрытие находится внутри электрода.

Рис. 3.30. Порошковая проволока.

 

Очень эффективно использовать порошковую проволоку для сварки в среде углекислого газа. Это позволяет применять более высокие плотности тока, уменьшается разбрызгивание металла, улучшаются механические свойства. Сварка порошковой проволокой весьма удобна, т.к. упрощается конструкция сварочного оборудования

 

Металлизация.

 

Металлизация это процесс нанесения мелких частиц металла, нагретого каким либо способом до расплавления, и распыленных газом, на поверхность детали. Металлизация в основном используется для декоративных целей, для заделки трещин и пор в корпусных деталях и реже — для восстановления деталей. Процесс является высокопроизводительным и экономичным, позволяет наносить покрытия толщиной от долей миллиметра и до нескольких миллиметров, не вызывает тепловых деформаций (деталь нагревается не свыше 200°С).

Проволока или порошок непрерывно подаются в зону нагрева, где расплавляются, подхватываются и распыляются струей инертного газа или воздуха на частицы размером от 3 до 300 мкм, которые со скоростью 150-300 м/сек ударяются в специально подготовленную (рваная резьба, канавки, пескоструйная обработка, анодно-механическая обработка и др.) поверхность детали, где расплющиваются и заклиниваются в неровностях поверхности с образованием молекулярных связей. Величина молекулярных связей между частицами больше, чем между частицами и деталью, поэтому слабым участком является недостаточное сцепление покрытия с деталью.

При полете частица окисляется и закаляется, вследствие этого покрытие имеет большую твердость и хрупкость. Из-за этого, а также особой подготовки поверхности к металлизации покрытие, имея хорошую износостойкость (поры пропитываются маслом, а поверхность имеет высокую твердость), не может работать в условиях знакопеременных нагрузок. Для сравнения, усталостная прочность покрытия, нанесенного металлизацией в 15-20 раз ниже, чем у электролитических покрытий. Использование некоторых приемов (плазменный нагрев поверхности до температуры сплавления металла и частиц, шовная электроконтактная сварка) дает возможность применять металлизацию в производстве.

Металлизация в зависимости от способа расплавления металла разделяется на газовую, электродуговую, высокочастотную и плазменную.

 

Рис. 3.31. Схема электродуговой металлизации

 

При электродуговой металлизации (рис.3.31.) две изолированные проволоки подаются с одинаковой скоростью, между ними возбуждается электрическая дуга, металл плавится, газ распыляет металл и подает частицы металла к детали.

При газовой металлизации (рис.3.32.) чаще всего используется ацетилено-кислородное пламя, которое расплавляет сварочную проволоку, а сжатый воздух или инертный газ распыляет и наносит частицы на поверхность. При газовой металлизации получается мелкий распыл, но оборудование относительно сложнее, чем при электродуговой металлизации.

 Электродуговая металлизация это высокопроизводительный процесс, однако разбрызгивается металла до 40-60%.

Нагрев и расплавление проволоки при индуктивной металлизации выполняются индуктивным нагревом её токами высокой частоты (200-300 Кгц). При индуктивной металлизации по сравнению с электродуговым процессом увеличивается производительность, уменьшаются затраты электроэнергии и угар металла.

Плазменная металлизация дает наилучшие сцепление покрытия, высокую производительность и возможность напыления износостойких тугоплавких материалов (окись алюминия, карбиды и др.), возможность нанесения покрытия на большинство материалов, даже на не металлы. Металлизация может производиться порошком или проволокой. При наплавке порошком используется комбинированная дуга, а при наплавке проволокой различные схемы, в том числе анодом может быть проволока.

 

 3.4. Пайка и заливка металлов.

 

Пайка является широко распространенным процессом, как при изготовлении, так и при ремонте деталей. Этот способ известен людям уже 3-5 тысяч лет. При раскопках находят паянные медно - серебреным припоем трубы, украшения, оружие. Пайка является незаменимым процессом в радиоэлектронике, самолето- и ракетостроении, автотракторостроении. С помощью пайки изготовляются радиаторы, трубопроводы, электрооборудование и др. Процесс пайки легко поддается механизации и автоматизации.

 

Рис. 3.32. Схема газовой металлизации.

 

Пайкой называется процесс соединения металлических поверхностей, находящихся в твердом состоянии, расплавленными припоями, которые заполняют зазор между поверхностями и образуют паяный шов при кристаллизации.

Пайка выполняется в следующей последовательности: нагрев спаиваемых деталей до температуры, близкой к температуре плавления припоя; расплавление припоя и нанесение его на предварительно обработанные детали; заполнение припоем шва; растворение основного металла в расплавленном шве и взаимная диффузия металлов, кристаллизация шва.

Рис. 3.33. Смачивание поверхности детали припоем.

 

Для выполнения пайки необходимо, чтобы частицы расплавленного припоя вступали в прочный контакт с поверхностями соединяемых деталей. Капля расплавленного припоя растекается (рис. 3.33.) по поверхности до определенного предела. Пайка возможна, когда припой хорошо смачивает твердое тело. Если жидкость не смачивает твердое тело, то пайка невозможна. Хорошего смачивания можно добиться соответствующей подготовкой поверхности (механическая обработка для удаления окислов, обезжиривание для удаления жировых загрязнений) и подбором припоя и флюса. При хорошем смачивании заполняются все зазоры и поры, и обеспечивается прочное соединение деталей.

Хотя процесс пайки является, в некоторой степени, родственным сварке, но имеет ряд отличий:

 При пайке не плавится основной металл, а только припой, в то же время при сварке плавится свариваемый и присадочный материал. Шов образуется без расплавления кромок паяемых деталей.

Образование шва при пайке происходит за счет заполнения расплавленным припоем капиллярного зазора между поверхностями и взаимной диффузии металлов.

Прочность соединения деталей при пайке ниже, чем при сварке, но во многих случаях является достаточной для конкретных изделий. При этом пайка имеет некоторые технологические преимущества перед сваркой:

Дает возможность соединения разнородных металлов и даже металла с неметаллом.

Температура нагрева детали при пайке значительно ниже, чем при сварке, и поэтому при пайке нет значительных остаточных деформаций, и не происходит коробления, не расплавляются кромки и не изменяется структура и механические свойства соединяемых деталей.

Простота технологического процесса, хорошие условия для автоматизации и механизации пайки, высокая производительность труда.

Существуют следующие методы пайки:

Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями. Припой и металл при этом химически не взаимодействуют. Это наиболее распространенный метод пайки.

Диффузионная пайка — длительная выдержка при высокой температуре. Происходит упрочнение шва за счет взаимной диффузии компонентов припоя и основного металла. Химического взаимодействия нет, образуется твердый раствор.

Контактно-реактивная пайка. В этом случае между соединяемыми деталями или между деталями и припоем протекают активные реакции с образованием в контакте легкоплавкого соединения.

Реактивно-флюсовая пайка. Шов образуется за счет реакции вытеснения между флюсом и основным металлом.

Пайка — сварка, шов образуется способами сварки, но в качестве присадочного материала используется припой.

Выбор методов пайки определяется химическими свойствами припоя, флюса и металла и режимом пайки (температура, время и т.д.) В зависимости от источника тепла осуществляется пайка следующими способами:

1-пайка в печах;

2-индукционная пайка;

3-пайка сопротивлением;

4-пайка погружением в расплавленный припой;

5-пайка паяльниками;

6-пайка газовыми горелками.

В качестве припоя используются чаще всего сплавы металлов.

Основные требования к припоям:

Иметь температура плавления как минимум на 50-100°С ниже температуры плавления паяемых металлов.

Обеспечивать хорошее смачивание металла и хорошее заполнение шва пайки.

Образовывать прочные, пластичные и коррозионно-устойчивые швы.

Иметь коэффициент линейного расширения не отличающийся резко от коэффициента линейного расширения паяемых металлов.

Припои делятся на две группы: мягкие,температура плавления которых ниже 500°С, и твердые - выше 500°С.

Мягкая пайка дает относительно невысокую механическую прочность, используется для деталей, работающих при невысокой температуре и небольших вибрационных ударных нагрузках: радиаторы, топливные баки, электрические провода и т.д. Наиболее распространенные оловянно-свинцовые (олово в чистом виде как припой не используется) припои (цифра в названии припоя означает содержание в нем олова): ПОС-18 (17-18% олова, 2-2,5% сурьмы и 79-81% свинца) используется для пайки неответственных деталей; ПОС-30 и ПОС-40 — для швов, имеющих достаточную прочность и надежность, ПОС-50 и ПОС-61 — для деталей, швы у которых не должны окисляться при работе (электрооборудование и др.).

Твердая пайка выполняется в том случае, когда необходимо иметь прочный шов или шов, работающий при высоких температурах (топливо- и маслопроводы, контакты реле). К твердым припоям относятся: медные, медно-цинковые, латунные, алюминиевые и серебряные. Медно-цинковые припои (первая цифра в названии припоя означает содержание меди в припое, остальное цинк и небольшое количество примесей): ПМЦ-36 — для пайки латунных изделий; ПМЦ-48 — для деталей из медных сплавов, не подвергающихся ударным нагрузкам и изгибу; ПМЦ-54 — для пайки меди, бронзы и стали, не подвергающихся ударным нагрузкам.

Для получения эластичного и прочного соединения используются в качестве припоев латуни Л-62 и Л-68. (сплав меди с цинком — до 80%, с добавками алюминия, свинца, никеля — до 10%).

Для пайки ответственных конструкций используются серебряные припои: ПСр-12 (12%серебра, 36%меди, не более 1,5% примесей, остальное цинк); ПСр-45 для пайки латуни, меди и бронзы (контакты проборов электрооборудования); ПСр-70 для пайки электрических проводов, требующих низкого электрического сопротивления в местах пайки.

Для пайки деталей из алюминия и его сплавов используются алюминиево -кремниевые припои (силумины) и алюминиево - медные сплавы (34А и 35А). Припой 35А имеет более высокие механические качества и выше температуру плавления, чем 34А.

Для удаления с поверхности окисных пленок и защиты их от дальнейшего окисления служат флюсы, которые или растворяют окислы, или химически взаимодействуют с окислами и которые в виде шлака всплывают на поверхность шва. Также флюсы способствуют улучшению смачивания поверхностей пропоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя.

При пайке мягкими припоями применяются нашатырь (или хлористый аммоний), водный раствор хлористого цинка и хлористого аммония с концентрацией 20-50%. Соляную кислоту в качестве флюса не используют, а применяют водный раствор хлористого цинка, который получают травлением водного раствора соляной кислоты цинком:

 

HCl + Zn2® Zn Cl2 +H2.

 

Для исключения дальнейшей коррозии паяных деталей применяют канифоль, которую необходимо наносить на место пайки, но не на паяльник, т.к. при перегреве на паяльнике она может потерять свои флюсующие свойства.

При пайке твердыми припоями в качестве флюса используют буру или смесь её с борной кислотой и борным ангидридом. Подбором количества борного ангидрида изменяют температуру плавления флюса.

Паяние деталей мягкими припоями выполняется чаще всего с помощью паяльников (медных и электрических), а твердыми припоями — газовыми горелками или индукционным нагревом. Рабочая часть паяльника натирается нашатырем для удаления окислов, облуживается. Поверхность шва обезжиривается флюсом, паяльником расплавляется и переносится припой на место пайки и равномерно распределяется по ней.

Детали ходовой части строительных и дорожных машин имеют очень большой износ. В этом случае для восстановления их целесообразно применять заливку жидким металла (литейную сварку), т.к. другие способы (автоматическая наплавка, постановка бандажей и т.д.) не дают хорошего качества и очень дороги.

Деталь нагревают и помещают в кокиль, тоже нагретый до 200 - 250°С. Через летники заливают в кокиль жидкий чугун или сталь, которые заполняют пространство между изношенной деталью и стенкой кокиля, происходит сварка металла, компенсирующая износ. Для деталей ходовой части последующей механической обработки не требуется. По сравнению с другими способами стоимость восстановления снижается в два-три раза, а долговечность находится на уровне новой детали.

 

Резка металлов.

 

При изготовлении строительных конструкций, при монтажных работах и ремонте машин необходимо разрезать сортовой прокат, элементы конструкций, детали машин. Используются следующие способы резки.

Механические:

ручные (зубило, ножовка, ножницы по металлу);

механизированные (фреза, резец, сверло, механическая ножовка, штамп, отрезной круг, механические ножницы-«гильотины»).

Электродуговая резка.

Газовая (кислородная) резка.

Плазменная резка.

Ручные способы резки металлов применяются в основном в бытовых условиях. При небольших объемах работ эффективно использование отрезных (бакелитовых и др.) кругов: шов получается ровный, нет деформаций металла, но относительно низкая производительность процесса и требуются повышенные меры безопасности при резке металлов. При резке в условиях строительной площадки, при монтаже и демонтаже конструкций наиболее эффективна кислородная резка. Использование электродуговой резки не рационально, т.к. процесс резки малопроизводителен и получается плохое качество реза, поэтому во многих случаях необходима последующая механическая обработка реза. Следовательно, электродуговую резку можно использовать при малых объемах работ, когда одновременно проводится изготовление конструкции и подготовка элементов для сварки, т. е. в случаях организационных трудностей применения более эффективной резки параллельно с электродуговой сваркой.

Газовой резкой называют процесс сжигания металла в струе кислорода и удаление этой струей образовавшихся окислов.

Чаще всего используется кислородно-ацетиленовая резка. Процесс идет в следующей последовательности.

1. Метан сначала нагревается до температуры вспышки его в атмосфере кислорода:

C₂H₂ + O₂ ® CO₂+ H₂O + Q;

 

Подается струя режущего кислорода, образуются окислы металлов, и выделяется при окислении металла тепло:

 

Fe + O₂ ® Fe O - Q;

 

3. Окислы металлов плавятся и выдуваются струей кислорода.

На плавление окислов (пункт 3) затрачивается тепло Q, но одновременно с плавлением происходит образование окислов (пункт 2), сопровождаемое выделением тепла Q, поэтому процесс резки поддерживается непрерывно.

Ацетилен при нормальной резке необходим только для воспламенения метана (пункт 1. Доведение температуры его до температуры вспышки). После начала резки открывают вентиль подачи режущего кислорода и закрывают вентили подачи ацетилена и кислорода подогревающего пламени. Процесс кислородной резки металла получается более экономичным по сравнению с процессом плавления металла, т.к. температура плавления окислов ниже температуры плавления металла.

Не все металлы можно разрезать кислородной резкой, а только в случаях, когда выдерживаются, указанные на рис. 3.34. и ниже, условия: Температура плавления металлов Тп.м. должна быть выше температуры воспламенения Т в. м. их в атмосфере кислорода.

Пленка образовавшихся окислов не должна препятствовать дальнейшему окислению металла.

Количество выделяющейся теплоты должно быть достаточным для поддержания процесса резки.

Не должна быть высокая теплопроводность металла, чтобы не прерывался процесс.Образовавшиеся окислы должны легко выдуваться кислородной струёй.

Из этих условий следует, что легко режется технически чистое железо и малоуглеродистая сталь. При содержании углерода более 0,7% процесс резки затруднен, т.к. у этих сплавов температура воспламенения металла достигает значений температуры его плавления. Также трудно режется легированная сталь, содержащая более 5% легирующих элементов.

 

Рис. 3.34. Схема, показывающая возможность кислородной резки мет алла (сплава).

 

Возможность резки легированной стали можно определить по следующей эмпирической формуле:

 

С_экв = С + 0,15(Cr +Мо) + 0,14(Мп +V) + 0,11Si + 0,045(Ni +Cu)< 0,54,

 

в которой указано содержание химических элементов в сотых долях %.

Применяются три способа кислородной резки металлов:

1. Разделительнаядля получения сквозных резов при раскрое листов, вырезки заготовок из сортового проката, фланцев и т.д. На нижней части шва образуется «грат»-приваренные окислы,шлаки. Безгратовая резка получается при использовании кислорода высокой (0,995) степени очистки.

2. Поверхностная грубая стружка или обточка металла при разделке металла под сварные швы, получение канавок и пр. Струя газа направляется под углом 10 - 30 ° к поверхности.

3. Резка кислородным копьем для получения отверстий в металле.

Резка может выполняться вручную и машинным способом.

Наконечник газового резака образует прямой угол со стволом (у газовой горелки направлен под острым углом), в мундштуке центральное отверстие служит для подачи режущего кислорода

В полуавтоматах перемещение резака выполняется автоматически. Используются для этого копиры, магнитные контуры, фотоэлектронное копирование контура и др. Имеются современные комплексы с программным управлением и оптимизацией процесса разметки и резки металла.

Кислородно-флюсовая резка используется для резки высокохромистых и высоколегированных сталей, чугунов, меди, латуни, т.е. для материалов, при резке которых недостаточно выделяется тепла при их окислении.

В зону горения дуги вводятся порошкообразные флюсы, имеющие в своем составе до 95 % железную основу. При сгорании флюса образуется дополнительное тепло при окислении железа, находящегося во флюсе, поэтому тугоплавкие окислы расплавляются и частицами флюса они удаляются с поверхности реза.

Добавка флюсов также приводит к переводу некоторых тугоплавких окислов в более легкоплавкие соединения. Флюс подается из бункера вместе с режущим кислородом через мундштук или по дополнительной трубке.

Фторная резка используется для резки высоколегированных сталей, титана, полупроводников.

Фтор сгорает в водороде:

 

H+ F ® H F + Q,

возникает высокая температура, которая и обеспечивает резку тугоплавких материалов.

При подводной резке используется водородно-кислородный резак (сжигается водород в атмосфере кислорода):

H₂ + O₂ ® H₂O.

Горелку зажигают на воздухе, или под водой электронным способом. При резке под водой также эффективно применяется бензино-кислородная резка.

Для повышения производительности электродуговой резки иногда используется воздушно-дуговая или кислородно-дуговая резка. Металл расплавляется электрической дугой, а удаляется и сжигается струей воздуха или кислорода, подаваемого в зону горения электрической дуги.

Плазменная резкавыполняется открытой плазменной струей (рис.3.35). В этом случае будет более высокая температура нагрева металла, чем при закрытой или комбинированной плазменной струе.

Рис. 3.35. Схема плазменной сварки открытой и закрытой плазменной струей.

 

Контрольные вопросы

 

Что называется сваркой?

Какие виды сварки плавлением Вы знаете?

Как классифицируются виды и способы сварки?

Как классифицируются сварные соединения и швы?

В чём заключается преимущество сварки как способа получения неразъёмных соединений?

Что называют контактной сваркой?

Сварочные агрегаты постоянного тока

Сварочные агрегаты переменного тока

Назовите основные требования, которым должны удовлетворять сварочные трансформатор

Какая разница между плавящимся и неплавящимся электродом?

В чём заключается суть процесса металлизации?

В чём отличие пайки от сварки?

Какие способы резки существуют?