Тема 5 –Типы и марки оборудования для сварки и наплавки

1 Введение

Электродуговое сварочно-наплавочное оборудование, применяемое в на вагоноремонтных предприятиях, состоит: из источников питания, в качестве которых используются сварочные трансформаторы, одно- и многопостовые выпрямители, сварочных полуавтоматов, универсальных сварочных автоматов и специализированных сварочно-наплавочных установок.

Для выполнения ручной дуговой сварки достаточно наличия только одного источника питания. Многопостовым выпрямителям дополнительно необходимы балластные реостаты. Сварочный полуавтомат, например, ПДГО-5010, объединяющий источник питания и механизм подачи проволочного электрода, является основой механизированного сварочно-наплавочного поста.

2 Источники питания

Сварочные аппараты ручной дуговой сварки плавящимися электродами с защитным покрытием обычно эксплуатируются на ниспадающем и жестком участках ВАХ. Для питания такой дуги применяют источники питания с крутопадающей и пологопадающей внешней характеристикой, так как отклонения тока при изменении дуги у этих аппаратов обычно незначительны. Это особенно важно при сварке в труднодоступных местах, когда сварщику приходится подбирать длину дуги.

Механизация процессов при сварке под флюсом или плавящимся электродом в защитных газах позволяет выполнять саморегулирование дуги при ее случайных отклонениях. Это достигается изменением скорости плавления электрода, то есть при уменьшении дуги автоматически повышается ток, и скорость плавления электрода увеличивается. Для такой сварки предпочтительнее источники питания с возрастающей ВАХ и возрастающей или жесткой внешней характеристикой (рисунок 1).

Используются источники питания постоянного тока: сварочные преобразователи, выпрямители, инверторные источники, импульсные и специальные установки. Реже используются источники переменного тока.

3 Сварочные трансформаторы

Cварочный трансформатор предназначен для питания дуги переменным током. Простые в устройстве и обслуживании, надежные в эксплуатации, экономичные в работе сварочные трансформаторы широко применяют при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

Трансформатор разделяет силовую сеть и сварочную цепь (рисунок 2), понижает напряжение сети до напряжения, необходимого для сварки, обеспечивает самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами начальное и повторное возбуждение и стабильное горение дуги, формирование требуемых внешних характеристик и регулирование силы сварочного тока или напряжения на дуге.

Силовые трансформаторы входят в состав всех сварочных выпрямителей и установок и имеют то же назначение, что и собственно сварочные трансформаторы.

Конструкции сварочных трансформаторов разнообразны. В зависимости от способа формирования внешних характеристик и регулирования режима сварки трансформаторы бывают с механическим и электрическим регулированием.

4 Сварочные выпрямители

Сварочный выпрямитель преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный напряжением и величиной необходимым для сварки. Конструктивно сварочный выпрямитель состоит из трансформатора и выпрямительного блока.

Наибольшее распространение в вагоноремонтных предприятиях получили сварочные выпрямители серии ВДУ-506 (рисунок 3).

Выпрямитель сварочный ВДУ-506 – это универсальный выпрямитель с тиристорным управлением. Его универсальность проявляется в способности обеспечивать:

– сварку покрытыми электродами;

– сварку в среде защитных газов;

– сварку порошковой проволокой;

– сварку под флюсом;

– воздушно-дуговую резку.

Выпрямитель предназначен как для комплектации постов ручной дуговой сварки штучными металлическими электродами, так и для комплектации полуавтоматов типа ПДГ при механизированной сварке в среде защитных газов изделий из малоуглеродистых, низколегированных, углеродистых и коррозионностойких сталей на постоянном токе. Выпрямитель регулируемый, и имеет жесткие и падающие внешние характеристики.

Выпрямитель подключается к трехфазной сети 380 В и потребляет из неё при полной нагрузке 62 А. Диапазон сварочных токов и рабочих напряжений достаточно широк: 50-500 А, 18-50 В.

Плавное регулирование сварочного напряжения осуществляется резистором на панели управления (местное регулирование) или с полуавтомата (дистанционное управление).

Внутри выпрямителя расположены: блок силовых тиристоров; силовой трансформатор; блок подпитки; двухобмоточный дроссель сварочной цепи; электродвигатель с вентилятором для принудительного охлаждения силовых элементов выпрямителя; реле, блок управления силовыми тиристорами на печатных платах; блок защиты силовых тиристоров от перенапряжений; измерительный шунт тока сварочной цепи. Вентиляция силовых элементов выпрямителя – принудительная воздушная. Направление воздушного потока должно соответствовать маркировке на передней панели. При вращении вентилятора в противоположном направлении необходимо поменять местами два любых провода питающей сети.

Для одновременного питания выпрямленным током нескольких сварочных постов ручной дуговой сварки (от 2-х и более постов) используются сварочные выпрямители серии ВДМ (рисунок 4). Выпрямители выполнены на напряжение питающей сети 380В, 50 Гц.

В зависимости от исполнения сварочные выпрямители серии ВДМ комплектуются балластными реостатами, сварочным кабелем, электрододержателями, контактными зажимами, средствами индивидуальной защиты сварщиков, сварочными материалами.

В многопостовых системах используются как сварочные преобразователи, так и выпрямители с жесткими внешними статическими характеристиками. Существуют две схемы организации многопостовой сварки (рисунок 5).

Схема I применяется при сварке на одинаковых режимах с частыми замыканиями дуги; в цепь каждого сварочного поста необходимо включать индуктивность, которая уменьшает взаимное влияние одного поста на другой.

Схема II применяется при сварке на различных режимах. Напряжение холостого хода источника питания устанавливается по максимальному напряжению сварки, а напряжение на постах регулируют балластными реостатами. Если сварка выполняется на режимах с редкими короткими замыканиями или без них, то индуктивность в цепь поста не включают.

5 Балластные реостаты

В сварочном производстве часто используется реостат балластный для регулировки тока. Балластный реостат формирует падающую вольтамперную характеристику источника питания, ступенчато регулирует режим сварки. Компенсирует постоянную составляющую тока при сварке от трансформатора. Регулировка сварочного тока обеспечивается согласно закону Ома: реостат изменяет сопротивление в цепи, сила тока изменяется обратно пропорционально. Производится такое изменение путем механического перемещения шунта.

Конструкция обеспечивает гибкую смену сварочных режимов в максимально короткие сроки, что существенно упрощает эксплуатацию сварочного оборудования. Реостат также обеспечивает требуемую крутизну внешней вольтамперной характеристики в любых сварочных источниках.

6 Сварочный инвертор

Сварочный инвертор – это один из видов источника питания сварочной дуги. Инвертор представляет собой силовой трансформатор для понижения напряжения сети до необходимого напряжения холостого хода источника, блок силовых электрических схем, в основу которых заложены транзисторы и стабилизирующего дросселя для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Основой преобразователя является инвертор – электронный блок, преобразующий постоянный ток в переменный повышенной частоты (20-250 кГц). Структурная схема инверторного источника питания для дуговой сварки приведена на рисунке 7.

Переменный ток промышленной частоты 50 Гц поступает на низкочастотный выпрямитель 1, а затем на низкочастотный фильтр 2. Полученное постоянное напряжение принудительно инвертируется (преобразуется) инвертором 3 в переменное, но уже частоты 20-250 кГц, после чего трансформатором 4 трансформируется в требуемый уровень напряжения.

Высокочастотный выпрямитель 5 выпрямляет переменный ток. Выпрямленный ток, пройдя через высокочастотный фильтр 6, питает дугу. Внешняя статическая вольтамперная характеристика формируется путем использования обратных связей U_ост по току дуги и U _осн по напряжению дуги через блок обратных связей устройства управления 7.

Преимуществом и назначением инвертора является повышение частоты для уменьшения размеров трансформатора и улучшения токовых характеристик. Использование инверторных технологий привело к уменьшению габаритов и массы сварочных аппаратов, улучшению качественного показателя сварочной дуги, обеспечению сварки короткой дугой, минимальный перегрев свариваемых изделий, высокий КПД, минимальное разбрызгивание при сварке, плавные регулировки сварочных параметров.

7 Оборудование для механизированной сварки

Сварочные полуавтоматы находят самое широкое применение, имеют различное назначение и конструктивное исполнение. Основным исполнением полуавтоматов является по способу защиты зоны дуги:

– для сварки в активных газах (Г);

– для сварки в инертных газах (И);

– для сварки в активных и инертных газах (У);

– для сварки открытой дугой (О);

– для сварки под флюсом (Ф).

Различают три основные системы подачи электродной проволоки: толкающего, тянуще-толкающего и тянущего типов. Наиболее распространенной является система подачи толкающего типа, которая ограничивает длину шланга (до 3 м), но отличается простотой и небольшой массой горелки. Другие системы позволяют увеличить длину шлангов до 10-20 м и использовать тонкую проволоку диаметром меньше 1 мм, но механизм подачи в горелке увеличивает её массу.

Компоновка установки без механического оборудования, которую традиционно называют сварочным полуавтоматом, показана на рисунке 8, основными частями которого является сварочный выпрямитель и механизм подачи проволоки.

Регулировка скорости подачи проволоки чаще применяется плавная, но возможна плавно-ступенчатая и ступенчатая. В случае порошковой проволоки применяют две пары подающих роликов, чтобы предупредить её сплющивание. По радиусу рабочей зоны различают полуавтоматы стационарные (механизм подачи закрепляется на источнике сварочного тока, радиус определяется длиной шланга), передвижные (механизм подачи можно перемещать относительно источника до 10 м) и переносные (ранцевые с длиной кабелей до 40-50 м). Токоподвод (наконечник) является сменной быстро изнашиваемой деталью. От надежности контакта в нем зависит стабильность процесса сварки. К сменным деталям также относится сопло, которое нагревается от излучения дуги и забрызгивается.

В вагоноремонтных предприятиях наибольшее распространение получили полуавтоматы модели ПДГО-510 и ПДГО-5010.

Полуавтомат (рисунок 9) предназначен для полуавтоматической сварки сплошной и порошковой проволокой на постоянном токе в среде защитных газов.

Полуавтомат ПДГО-510 позволяет плавно регулировать выходное напряжение сварочного источника и скорость подачи электродной проволоки с подающего механизма. Обеспечивает стабилизацию скорости подачи сварочной проволоки и обратную связь по напряжению на двигателе подачи сварочной проволоки, что позволяет производить качественную сварку на расстоянии до 50 метров от сварочного источника. Позволяет автоматически управлять газовым трактом, сварочным источником и подающим механизмом посредством кнопки на горелке, регулировать длительность растяжки дуги и продувки газа до и после сварки.

В аппарате применяется 4-х роликовый механизм подачи, который обеспечивает повышенное тяговое усилие и возможность работы с горелками длиной до 5 м. Позволяет устанавливать кассету (диаметром 300 мм) с проволокой весом 15 кг. Подача сварочной проволоки может производиться непосредственно с кассеты или с бухты, уложенной на разматывающее устройство.

Устройства механизированной подачи сварочной проволоки предназначены для стабильной подачи проволоки и регулирования скорости при выборе режима сварки. Они состоят из электродвигателя, редуктора, подающих и прижимных роликов, кассеты с проволокой, тормозного устройства.

Применяют две модификации подающих механизмов: закрытого (МПЗ и МПК) и открытого (МПО) типов.

Рисунок 10 – Устройство для механизированной подачи порошковой проволоки МПО-4

Рисунок 11 – Устройство для механизированной подачи проволоки сплошного сечения МПО-2 (а) и МПК-2А (б)

Внутри корпуса механизмов МПЗ и МПК размещены кассеты с проволокой, двигатель с редуктором, подающие ролики, элементы управления процессом сварки.

На открытой раме механизма МПО установлена кассета с проволокой, электродвигатель с редуктором и ролики, а блок управления размещен в корпусе источника питания.

Механизмы подачи имеют 2 или 4 ролика (рисунок 12). Четырехроликовые механизмы более надежны и применяются для проволок большого диаметра при сварке порошковыми проволоками.

Для сварки проволоками из стали Св-08Г2С подающие ролики имеют канавки, а прижимные выполнены гладкими. Во избежание смятия проволоки перед роликами и после них устанавливают направляющие трубки. Тормозное устройство в кассете предотвращает её самопроизвольное разматывание. При сварке порошковыми проволоками из-за невозможности перемотки бухт в кассете используют механизмы подачи особой конструкции: бухты размещены на специальном разматывателе.

8 Специализированные сварочно-наплавочные установки

Большинство вагоноремонтных предприятий оснащено оборудованием для автоматической наплавки под флюсом пятника и рамы вагона с последующей механической обработкой (рисунок 13).

Наплавочные установки УН-3 (разработка ООО НВП «Технад-1») и УВП (разработка КТЦ СО РАН (КНТЦ РИТЦ)) имеют манипулятор с крепежным приспособлением и наплавочную головку. Кроме того, на установке УВП наплавочная головка смонтирована на станине и имеет возможность по ней перемещаться, что позволяет кроме пятника восстанавливать другие детали типа «вал». Технология наплавки на обеих установках заключается в наплавке по спирали опорной поверхности пятника, затем ось вращения пятника наклоняют на 60-70° от вертикали и производят наплавку упорной поверхности.

Для восстановления изношенных поверхностей надрессорной балки существует технология автоматической наплавки под флюсом, реализованная на базе наплавочных установок УНПБ-1 ВНИИЖТа совместно с ИЦ «Радис» и УДНФ4-1200 ВНИИЭСО (см. рисунки 14 и 15). Они имеют в своем составе четырехэлектродные наплавочные головки, способные выполнять поперечные колебания, тем самым, обеспечивая формирование широкого слоя с гладкой поверхностью с небольшим равномерным проплавлением.

Установка УНПБ-1 имеет в своем составе: консольно-поворотную колонну с подвешенными на выдвижную балку наплавочными головками в составе: четырехэлектродной наплавочной головки для наплавки опорной поверхности подпятника, наклонных поверхностей и одноэлектродной - для наплавки наружного бурта подпятника; манипулятор-позиционер для закрепления наплавляемой балки и последующего вращения ее при наплавке подпятника или бурта или только для требуемого позиционирования балки при наплавке наклонных поверхностей; два сварочных выпрямителя типа ВДУ-601.

Установка УДНФ4-1200 также содержит консольно-поворотную колонну с четырехэлектродной наплавочной головкой, способной поворачиваться вокруг вертикальной оси на угол 0-370°. Этим обеспечивается наплавка опорной поверхности наружного бурта подпятника неподвижной надрессорной балки. Неподвижной остается балка и при наплавке ее наклонных поверхностей. Наплавка наружного бурта производится одним электродом четырехэлектродной наплавочной головки, в отличие от ранее рассмотренной, где для этого служит отдельная одноэлектродная головка. Кроме того, УДНФ-4-1200 имеет в своем составе манипулятор-кантователь МК-1100 для поворота балки вдоль продольной оси и один источник сварочного тока ВДУ-1202.

9 Сварочные горелки

Горелки для сварки (наплавки) плавящимся электродом

Горелка – устройство для направления в зону электродной проволоки, подвода к ней сварочного тока, подачи защитного газа, управления процессом сварки. Конструктивно горелки подразделяют на три группы:

1) Для механизмов подачи толкающего типа. Только направляют сварочную проволоку в зону сварки
2) С встроенным в рукоятку механизмом подачи проволоки. Подают проволоку механизмом тянущего типа	3) С комбинированным механизмом подачи толкающе-тянущего типа

Сопло горелки цилиндрической или конусной формы делают из меди с гальваническим покрытием. В сопло устанавливают рассекатели или сеточки (газовые линзы). Металлические сопла горелки изолируют от токоведущих частей. Горелка соединена с механизмом подачи проволоки шлангом, по которому подаются электродная проволока, сварочный ток, защитный газ, а при больших токовых режимах - и охлаждающая жидкость. Водяное охлаждение горелки и сопла уменьшает налипание брызг.

Горелки для сварки (наплавки) неплавящимся электродом

Ручная горелка для дуговой сварки в защитных газах служит для жесткого фиксирования неплавящегося электрода в определенном положении, подвода к нему электрического тока, подачи защитного газа в зону сварки и охлаждения токоведущих частей воздухом или водой. 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 используются 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 комплектуется 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, включением 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.

10 Электродержатели для ручной дуговой сварки

Основным рабочим инструментом сварщика при ручной сварке служит электрододержатель, который предназначен для зажима электрода и провода сварочного тока. Применяют электрододержатели пружинного, пластинчатого и винтового типов.

Электрододержатели выпускаю трёх типов в зависимости от силы сварочного тока:

– 1 тип – для тока 125 А;

– 2 тип – для тока 125-315 А;

– 3 тип – для тока 315-500 А.

11 Сварочные кабели

Для сварочных работ используются кабели типа РГДО и РГДВ, реже РГД.

Длина кабеля, как правило, 2-3 м, увеличение длины кабеля нежелательно, так как при этом происходит падение напряжения (допускается не более 4 В).

Характеристика кабеля РГДО: медная токопроводящая жила площадью сечения 16-70 мм² защищенная резиновой изоляцией с защитными свойствами.

Характеристика кабеля РГДВ: основная медная токопроводящая жила площадью сечения 25-150 мм² защищенная резиновой изоляцией с защитными свойствами.