Современные сварочные аппараты своими руками
В.Я. Володин
Наука и техника, 2008 г.
1.1. Изобретение электросварки
С момента своего появления человек наблюдал мощные атмосферные электрические разряды — молнию. Еще не имея понятия о физической природе этих разрядов, человек мог наблюдать их световое и тепловое воздействие. Но прошло очень много лет, прежде чем наука, созданная человеком, позволила ему вплотную приблизится к изучению и практическому использованию электрической энергии для целей разогрева и плавления металлов.
Главной проблемой было отсутствие достаточно мощного источника электрической энергии. Первыми искусственными источниками электрической энергии были различные электростатические генераторы. С одним из этих генераторов — электрофорной машиной — мы знакомы со школьных уроков физики.
Подобные генераторы обеспечивали высокое напряжение при весьма низкой плотностиэнергии и не подходили для изучения теплового действия тока. Попытка использования для экспериментов атмосферного электричества закончилась трагически. В 1753 году в Петербурге во время эксперимента с молнией погиб русский ученый Георг Вильгельм Рихман, работавший вместе с Ломоносовым.
В 1800 году итальянским ученым Алессандро Вольта был изобретен первый химический источник тока. Это был элемент Вольта, который представлял из себя сосуд с соленой водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем ученый собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом (рис. 1.1).
Вольтовый столб мог обеспечить большую мощность по сравнению с электрофорной машиной. Благодаря этому, изобретение Вольта впоследствии использовали многие другие ученые в своих исследованиях. В 1802 году русский ученый Василий Владимирович Петров с помощью созданного им крупнейшего для того времени вольтового столба смог зажечь электрическую дугу между двумя кусочками древесного угля. До В. В. Петрова электрический свет наблюдали лишь во вспышке молнии, а теперь он горел непрерывно. Электрическая дуга была первым источником непрерывного электрического света, в качестве которого достаточно долго использовалась. Кроме светового действия, он отметил и тепловое действие дуги.
В процессе экспериментов, заменив один из угольков металлической проволокой, В. В. Петров заметил, что при сближении угля с проволокой между ними вспыхивает электрическая дуга, которая быстро плавит металлическую проволоку. Так ученый пришел к другому очень важному выводу — о возможности использования электрической дуги для плавления металлов.
К сожалению, химические источники тока не позволяли в достаточном количестве вырабатывать электроэнергию, и практическое использование электрической дуги было отложено. Потребовались годы совместных усилий ученых всего мира, направленных на создание мощных, экономичных и удобных в эксплуатации электрических генераторов.
С первой половиной XIX столетия связано множество изобретений в области электротехники. В1831 г. знаменитым американским ученым М. Фарадеем был открыт принцип электромагнитной индукции. Согласно этому принципу, открывалась возможность преобразования механического движения в электрический ток. Фарадеем был создан первый электромашинный генератор , а также прообраз современного трансформатора.
Использование электромашинных генераторов вместо химических источников тока послужило толчком для использования электричества в промышленности. В свою очередь, быстро развивающаяся промышленность нуждалась в технологии, позволяющей осуществлять быстрое и дешевое сваривание металлов. Старые кузнечные методысварки и клепки занимали много генератор Фараде» времени, не обеспечивали необходимого
качества и прочности соединения.
С середины XIX в. внимание ученых и изобретателей во многих странах было обращено на применение высокой температуры электрической дуги для сваривания и плал(»ния металлов. Но только спустя 80 лет с момента открытия электрической дуги, в 1882 году, талантливому русскому изобретателю Николаю Николаевичу Бенардосу удалось разработать промышленно пригодный способ электродуговой сварки металлов. Сваркаспособом Бенардоса (рис. 1.3) велась с присадочным прутком, расплавляемым в пламени дуги, горящей между электродом (угольным, графитовым или вольфрамовым) и изделием.
Данный способ используется и сейчас для сваркицветных металлов, а также при наплавке твердых сплавов. Для питания сварочной дуги Н. Н. Бенардос использовал аккумуляторы собственной конструкции. К сожалению, швы, сваренные но технологии Бенардоса, получались ломкими и хрупкими. Источником неудач являлся угольный электрод, с которого углерод проникал в сварочную ванну и ухудшал качество металла сварного шва.
В 1888 году русский инженер-изобретатель Николай Гаврилович Славянов разработал новый способсварки при помощи металлического плавящегося электрода (рис. 1.4).
Замена графитового электрода металлическим позволила значительно улучшить качество сварки. Для питания сварочной дуги Н. Г. Славянов использовал электрическую динамо-машину собственной конструкции.
Ближе к концу XIX века в промышленности все в больших масштабах стал использоваться переменный ток, который со временем повсеместно вытеснил ток постоянный.
Напряжение переменного тока можно было легко преобразовывать при помощи трансформаторов, что существенно упрощало его транспортировку к потребителю. К тому же генераторы переменного тока имели более простую конструкцию и меньшую стоимость. Однако переменный ток был неудобен для электросварки — электрическая дуга горела неустойчиво.
Проблема была решена с помощью специальной обмазки, которой покрывался металлический электрод. Обмазка плавилась вместе с электродом, ее пары ионизировали дуговой промежуток, что облегчало повторное зажигание дуги. Первые конструкции электродов, содержащих покрытия, были созданы Н. Н. Бенардосом. Покрытые электроды современного вида изобретены шведским инженером Кельбергом в 1911 году.
1.2. Развитие электросварки в 20 веке
Сейчас по технологии Славянова производится наиболее массовый вид сварки — это ручная Сварка штучными металлическими электродами. Данный тип сварки обозначается аббревиатурой ММА (Manual Metal Arc).
При дуговой сваркеатмосферныйкислород и азот активно взаимодействуют с расплавленным металлом, образуют окислы и нитриды, которые снижают прочность и пластичность сварного соединения. Идея защиты сварочной ванны специальными флюсами принадлежит Н. Г. Славянову, впервые применившему в качестве флюса дробленое стекло.
В 1936 году американская фирма «Линде» получила патент на способсваркистали под слоем порошкообразных, расплавляющихся при сварке веществ. В СССР Сварка под расплавляющимися флюсами была разработана и внедрена в промышленность в 1938—1940 годах Институтом электросварки АН УССР (ныне имени Евгения Оскаровича Патона). Именно этот способсварки позволил наладить массовый выпуск бронетехники во время Великой Отечественной войны 1941—1945 годов.
Сварка в струе защитных газов изобретена Н. Н. Бенардосом. Защита от воздуха, по его предложению, осуществлялась светильным газом. В период Второй мировой войны в США получила развитие Сварка в струе аргона или гелия неплавящимся вольфрамовым электродом и плавящимся электродом (рис. 1.5).
Этим способамсварки присвоена аббревиатура TIG и MIG. TIG (Tungsten Inert Gas) — Сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертного защитного газа, например так называемая аргонно-дуговая сварка.
MIG (Mechanical Inert Gas) — механизированная (полуавтоматическая или автоматическая) Сварка в струе инертного защитного газа.
В 1952 году К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым была изобретена специальная легированная проволока, применена сварочная проволока
ние которой позволило осуществлять сварку плавящимся электродом в среде углекислого газа. Этому способусварки присвоена аббревиатура MAG. MAG (Mechanical Active Gas) — механизированная (полуавтоматическая или автоматическая) Сварка в струе углекислого (активного) газа. Именно этот способсварки нашел в настоящее время широкое применения в автосервисе.
Практически до середины XX века в качестве источников питания сварочной дуги использовались специализированные сварочные генераторы и трансформаторы.
Соответственно первые предназначались для сварки постоянным током, а последние — для сварки переменным током. Параметры источника достаточно жестко определялись его конструкцией, и поэтому каждый источник предназначался для определенного типа сварки. Успехи силовой электроники в 1960-е и последующие годы позволили создавать универсальные и компактные сварочные источники с улучшенными параметрами.
2.2. Процесс сварки
Суть сварки. В процессе дуговой сварки нагрев, расплавление и Сваркаметаллов производится теплом электрической дуги, горящей между свариваемым металлом и электродом.
Определение. дуга, горящая между электродом и свариваемым металлом, называется прямой дугой. Реже используется тепло косвенной дуги, горящей между двумя электродами.
Сварка неплавящимся электродом
Для питания электрической дуги используется источник постоянного или переменного тока. Сварка может производиться:
плавящимися электродами;
неплавящимися электродами.
Сварку неплавящимся электродом осуществляют прямой или косвенной дугой. При этом материалэлектрода практически не участвует в процессе формирования сварочного шва. В этом случае обычно используется вольфрамовый или графитовый (угольный) электрод.
При использовании графитового (угольного) электрода питание дуги осуществляется от источника постоянного тока. Сварка производится на прямой полярности (электрод подключен к отрицательному полюсу источника, а свариваемый металл к положительному).
При использовании вольфрамового электродаСварка производится переменным или постоянным током прямой полярности.
Внимание. При этом обязательной является защита области дуги инертным газом для предотвращения окисления вольфрамового электродакислородом воздуха.
Сварка плавящимся электродом
Сварка плавящимся электродом производится дугой, горящей между электродом и свариваемым металлом. материалэлектрода используется для формирования сварочного шва. Обычно используются электроды: железные, медные, чугунные.
В составэлектродов могут добавляться различные добавки, улучшающие качество шва или повышающие устойчивостьгорения дуги. Электрод подается в зону сварки по мере его плавления. Питание дуги может осуществляться как от источника постоянного, так и от источника переменного тока.
Сварка может производиться как на прямой, так и на обратной полярности. В качестве плавящегося электрода используются:
штучные сварочные электроды;
сплошная или порошковая сварочные проволоки.
При дуговой сварке плавящимся электродом перенос металла (с электрода на свариваемый металл) определяется воздействием ряда факторов, перечисленных ниже.
Фактор 1. Испарение и конденсация. На конце электрода происходит интенсивное выделение тепла, за счет которого часть металла испаряется. Часть испарений рассеивается, но большая часть конденсируется в сварочной ванне, которая имеет более низкую температуру.
Фактор 2. Сила тяжести. При сварке в нижнем положении Сила тяжести помогает транспортировке расплавленного металла с электрода в сварочную ванну. В других пространственных положениях Сила тяжести может препятствовать нормальному переносу металла в сварочную ванну. В этом случае стоит использовать более тонкие электроды, т. к. силы поверхностного натяжения не способны удержать большое количество металла в сварочной ванне.
Фактор 3. Эффектсжатия (пинч-эффект). Вокруг электрической дуги, как возле любого линейного проводника с током, образуется кольцевое магнитное поле. Поскольку ток в дуге протекает перпендикулярно направлению магнитного поля, то на дугу действует сила, направленная к ее центру (радиальная сжимающая сила). Причем если сечение проводящего канала неравномерное, то возникает сила, направленная от меньшего сечения к большему. Эта Сила зажимает каплю расплавленного металла и отрывает ее от электрода. Одновременно капле сообщается импульс движения, направленный в сторону сварочной ванны.
Фактор 4. Поверхностное натяжение. Силы поверхностного натяжения помогают удерживать расплавленный металл на кончике электрода и в сварочной ванне, а также формируют контуры сварочного шва.
Фактор 5. Газовый поток в дуге. Газовые потоки, направленные вдоль оси, экспериментально обнаружены во всех дугах. Как правило, они возникают при токах более 50 А, и их скорость достигает 50—150 м/с. поток газа, идущий с кончика электрода, оказывает давление на сварочную ванну, благодаря чему на поверхности расплавленного металла образуется выемка, которая называется сварочным кратером. При сжатии дуги скорость газового потока может достигнуть некоторого критического значения, при котором будет удален весь металл из сварочной ванны. Подобные режимы используются при резке металла.
Перенос металла
Характер переноса металла при дуговой сварке зависит: от плотности тока, от длины и атмосферы дуги, от используемой полярности.
Перенос металла может быть: крунокапельным, мелкокапельным, туманообразным.
При плотности тока, характерной для ручной сварки, электродный металл, расплавленный электрической дугой, переходит в виде крупных капель (рис. 2.3) в ванну жидкого металла, которая образуется на поверхности свариваемого изделия.
В начальный момент времени на конце электрода образуется слой расплавленного металла (рис. 2.3, а). Затем, по мере накопления, расплавленный металл принимает вид капли (рис. 2.3, б), которая через некоторое время перемыкает дуговой промежуток (рис. 2.3, в). В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи и резкое возрастание величины сварочного тока. Резкое нарастание тока приводит к возникновению электромагнитных сил, разрывающих каплю у ее основания.
Теперь дуга возникает между концом электрода и каплей. Под давлением паров и газов зоны дуги капля с ускорением вводится в сварочную ванну металла. При этом часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки.
Крупнокапельный перенос наблюдается преимущественно при сварке на малых токах электродами с тонкой обмазкой.
При увеличении силы сварочного тока и использовании электродов с толстой обмазкой наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос, когда отдельные капли металла не перемыкают дуговой промежуток.
2.3. Основные характеристики источников питания сварочной дуги
Нередко после сварки с использованием самодельного сварочного источника все пространство вдоль сварочного шва оказывается залепленным каплями металла, удалить которые можно только при помощи зубила и молотка.
Примечание. Причина этого кроется в неудачно выбранной внешней вольтамперной характеристике сварочного источника.
Свойства сварочного источника определяются его внешней вольтамперной характеристикой.
Определение. Внешняя волыпамперная характеристика (ВАХ) источника — это функция, характеризующая зависимость выходного напряжения источника от тока.
Для снятия внешней характеристики необходимо:
последовательно нагружать сварочный источник стати
ческой нагрузкой различной величины;
регистрировать выходные ток и напряжение, соответствующие этой нагрузке.
По полученным результатам строится графическая зависимость. В общем случае нагрузочная характеристика имеет нелинейный характер, зависящий от величины нагрузки источника.
Обычно внешние характеристики источников питания бывают четырех видов:
крутопадающая;
пологопадающая;
жесткая;
возрастающая.