Полуавтоматы и автоматы для сварки

Плавящимся электродом и среде углекислого газа

Основным исполнением полуавтоматов является исполнение по способу защиты зоны дуги:

для сварки в активных защитных газах (Г);

для сварки в инертных газах (И);

для сварки в активных и инертных газах (У);

для сварки под флюсом (Ф);

для сварки открытой дугой (О).

Имеются исполнения по виду проволоки, по способу охлаждения горелки, по способу регулирования скорости подачи электродной проволоки, но способу иодачп элек-родпон проволоки, по конструктивному исполнению. Все исполнения, кроме исполнений но способу защиты Юны дуги, в обозначения полуавтомата не входят.

Основным исполнением автоматов также является исполнение по способу защиты зоны дуги:

для сварки в защитных газах (Г);

для сварки под флюсом (Ф);

для сварки в защитных газах и под флюсом (ФГ); для сварки открытой дугой (О).

Остальные исполнения по роду тока, по способу охлаждения токоподвода и сопла, по способу регулирования скорости подачи электродной проволоки, по способу регулирования скорости сварки, по способу подачи электродной проволоки, по конструктивному исполнению. Все исполнения, кроме исполнений по способу защиты зоны дуги, в обозначения автоматов также не входят.

Требования к узлам

Системы подачи электродной проволоки. Различают три основные системы подачи электродной проволоки: а) толкающего типа; б) тянуще-толкающего типа; в) тянущего типа.

На рис. 2Л приведены псе три системы, где 1 кассетное устройство; 2 двигатель-редуктор; 3 подающие ролики; 4 направляющий канал; 5 горелка.

В соответствии с требо-ц/шпями ГОСТ 1813079 ли оные силия подающих мг к i и измов полуавтоматов дутовой сварки с толкающей t иг клюй подачи электродной иронолоки должны состав-ля it. 100 Н для стальных проволок диаметром до 1,1 мм и алюминиевых прополок всех диаметров, 800 11 для стальных прополок диаметром 1,6 Я,0 мм. При выборе мощности на валу двигателя нужно учитывать следующие составляющие;

Система подачи толкающего типа (рис. 2.1, а) является наиболее распространенной и используется во всех полуавтоматах, выпускаемых отечественной промышленностью. К недостаткам этой системы относятся ограничение длины (до 3 м) шланга, изгиб проволоки в направляющем канале, невозможность подачи проволоки малого диаметра и значительные усилии в механизмах подачи. Преимуществами являются простота устройства, небольшие размеры и масса горелки, которые служат основными критериями для оператора-сварщика.

Система" подачи тянуще-толкающего типа (рис. 2.1,6) комбинационная, усилия в ней минимальны. Такая система может быть использована для подачи тонких (диаметром менее 1 мм) проволок на значительное (до 1020 м) расстояние. Однако горелка в такой системе имеет большую массу и габариты. При отсутствии в системе полной синхронизации используют один двигатель с постоянным моментом (толкающий), а другой с постоянной скоростью (тянущий).

В системе подачи тянущего типа (рис. 2.1, в) к электродной проволоке приложена сила натяжения и она не изгибается в направляющем канале, но при скручивании канала существует опасность разрыва проволоки. Горелка-в этой системе имеет значительные размеры и массу. На рис. 2.2 дана зависимость усилий подачи электродной проволоки диаметром 1,2 мм по шлангу длиной 3 м от угла скручивания 0.

Одкгм из наиболее существенных требований, предъявляемых к конструкции толкающей системы, является значение тянущего усилия, проталкивающего электродную проволоку в зону дуги. Исключением могут быть механизмы подачи, которые сообщают проволоке, кроме непрерывного поступательного, еще какое-либо движение. Примером таких устройств может служить механизм подачи, построенный по планетарному принципу, тина Изаплан (НРБ), где электродной проволоке придается сложное вращательно-постуиательное движение. В этом случае сопротивление прохождению проволоки резко падает, что обеспечивает стабильное перемещение проволоки при низких значениях тяговых усилий механизма подачи.

JJ№ Рп. р потери мощности в редукторе; Рп. тто же на трение и гюдаюших роликах; Рц. с потери мощности на сматывание про-нолоки с бухты; Рп. п то же на проталкивание проволоки по шлангу.

Значения Рп- т и Рп. с (при бухте с проволокой массой 25 кг) in) экспериментальным данным составляют по 5 Вт. Максимальная мощность, расходуемая на проталкивание проволоки со скоростью %0 м/ч.

где F тяговое усилие, Н; v скорость подачи, м/с.

Измеренный КПД редуктора полуавтоматов новой серии на номинальной частоте вращения двигателя серии КПА составил 0,72. Следовательно, мощность на валу двигателя Вторым важнейшим требованием к системе подачи является стабильность скорости подачи электродной проволоки. В современных полуавтоматах, как правило, применяются системы автоматического регулирования частоты вращения двигателя, обеспечивающие изменение скорости подачи проволоки не более 10 % при изменении напряжения питающей сети в пределах от +-5 до 10 % номинального значения и одновременном изменении нагрузки двигателя от 0,2 /ном до 1 ном При этом обеспечивается кратность плавного регулировании скорости подачи проволоки не менее 8 (с учетом разброса номинальной частоты вращения конкретных экземпляров двигателей).

Причинами колебаний скорости подачи электродной проволоки в системах подачи толкающего типа являются многие факторы, в том числе и зависящие от принципа подачи и конструктивных особенностей системы. Из-за наличия сопротивления трения между проволокой и стенками направляющего канала проволока изгибается, и чем болыпе сопротивление трения, тем чаще становятся циклы изгиба. При увеличении нагрузки в осевом направлении сопротивление трения растет но экспоненциальной зависимости:

где Т.2 сила сопротивления в прямом направляющем канале; и коэффициент трения; 0 угол закручивания направляющего канала. Отсюда следует, что сила сопротивления при скручивании канала резко возрастает и подача проволоки может прекратиться. Изгиб электродной проволоки в большой степени зависит от соотношения между диаметром проволоки и внутренним диаметром направляющего канала.

Оптимальные соотношения, найденные экспериментальным путем и применяемые в горелках отечественных полуавтоматов, приведены ниже:

Диаметр электродной проволоки, мм . . . 0,81,0 1,01,4 1,42,0 2,03,0

Внутренний диаметр направляющего канала, мм1,52,53,2 4,7

В конечном счете подача электродной проволоки с изгибами внутри направляющего канала ириводи1 к нестабильности сварочного процесса, поскольку по сравнению с подачей без изгибов длина электродной проволоки от подающих роликов до дуги увеличивается, причем все время о колебаниями.

Колебания скорости подачи электродной проволоки могут также вызываться сплавлением (прихватыванием) проволоки в токонодводя-щем наконечнике в результате уменьшения точек соприкосновения, следовательно, увеличения плотности тока в точках контакта. Явление сплавления резко увеличивает сопротивление прохождению проволоки, и если кабель направляющего канала подвержен значительным удлинениям при растяжении, т. е. имеет недостаточную продольную жесткость, то при срыве точек сплавления происходит увеличение скорости подачи, приводящее к нарушению режима.

Для уменьшения влияния этих факторов применяют удлиненный наконечник, в длиной контактирующей части около 40 мм и соотношением диаметров электродной проволоки и внутренних диаметров и 1конечника, указанным ниже:

Диаметр элек-тродной прово-локи, мм ...0,81,0 1,21,4 1,6 2,0 2,5 3,0

Внутренний диа-метр наконеч-ника, мм ...0,91,2 1,41,6 1,8 2,3 2,8 3,3

Конструкция кабеля направляющего канала не должна допускать удлинений более 2 мм при усилии растяжения оболочки до 1000 Н.

В процессе эксплуатации необходимо иметь в виду, что сопротивление прохождению проволоки зависит от положения шланга. На рис. 2.3 приведена зависимость усилий подачи электродной стальной и титановой проволок от утла изгиба (скручивания) направляющего канала при петле диаметром 400 мм. И, наконец, при эксплуатации следует иметь в виду, что с загрязнением направляющего канала бы-стро растут усилия сопротивления подаче. В конечном счете загрязнение может привести к прекращению подачи. На рис. 2.4 дана вависи-мость усилия подачи электродной проволоки диаметром 2 мм при скорости 600 м/ч от степени загрязненности канала, где цифры на оси лбецисс означают: 1 чистый канал, 2 средняя степень загрязненности, 3 сильно загрязненный канал. Шланг имеет одну петлю диаметром 500 мм.

Токоподводящие устройства. В полуавтоматах и автоматах дуговой сварки плавящимся электродом получили распространение три основных типа токоподводящих устройств (рис. 2.5): а токоподвод с цельным трубчатым наконечником; б токоподвод с разрезными вкладышами и цанговым креплением; е сборный токоподвод с разрезными вкладышами. Существуют и другие конструкции токоподво-дов: роликовые, сапожковые и т. д., но они применяются вначительно реже.

Процесс токосъема неразрывно связан с износом контактирующих поверхностей. Работа и износ контактных частей зависят от внешних условий и свойств используемых материалов. Процесс износа можно рассматривать как механический и электромеханический

Механический износ вызывается контактным давлением, выражается в механическом переносе частиц материала токоподвода на электродную проволоку. На механический износ решающее влияние оказывают твердость материалов, контактное давление и прочность материала на сдвиг. При увеличении контактного давления до некоторого критического вначения „р износ практически мало меняется, далее же пластическое передефорчирование контактирующей поверхности заменяется резанием, в результате чего на поверхности появляются вядиры износ резко возрастает. Для большинства материалов, применяемых в токоподвод я щих устройствах (медь Ml, М2, МЗ или МЦ, бронза марок БрАЖ9-4, БрХ-08, БрБ-2), удельное критическое давление лежит в пределах 0,81,0 МПа.

Электромеханический износ вызывается мостиковой, дуговой и искровой эрозией, дуговой коррозией и горячим свариванием. Он тем выше, чем выше плотность тока н меньше стабильность контакта. Рассматривая процесс токосъема в сварочных устройствах, нужно иметь в виду его специфические особенности:

наличие силы трения дополнительно к контактному давленшо, воздействующей на контактные слои и на токопередающий механизм; непрерывные упругоплястическис* деформации контактных поверхностей и пульсации контактного давления вследствие действия различных факторов;

возможность несовпадении мест механического и электрического контакта на скользящей поверхности из-за неравномерного распределения нагрузки;

неустойчивое тепловое сосюяние в контактных точках в результате их перемещения по контактным поверхностям;

разрушение и удаление продуктов износа рением вследствие перемещения контактных поверхностей; большую чувствительность скользящего токосъема к внешним вкброударным воздействиям; уменьшенную вероятность слипания и сваривания кон актирующих поверхностей, но повышенную склонность к электромеханическому разрушению.

Рациональность использования того или иного типа токоподво-дяших устройств нужно определять в каждом конкретном случае

сучетом перечисленных выше факторов. Токоподвод с цельным ия-конечником (рис. 2.5, а) наиболее прост в изготовлении и компак-тен Эта конструкция широко используется в полуавтоматах дуговой сварки, но в автоматах дуговой сварки ее применение ограничено рядом причин. Во-первых, в ней отсутствует возможность обеспечения оптимального давления но всей зоне контакта; во-вторых, контакт происходит в перемещающихся точках и существенно зависит от исходного состояния электродной проволоки, т. е. ее кривизны, чи-

сготы поверхности и пр. Это приводит к том>, что в тяжелонагружеиных режимах, когда сварочные токи имеют значение 1000 А и выше, резко отрастает электромеханический износ и использование кон1актного наконечника из обычных материалов, меди или бронзы, неэффективно. Кроме того, при использовании проволоки большого диаметра (более мм) увеличивается механический износ.

Цанговый токоподвод (рис. 2.5, б) обеспечивает упругое поджа-тие контактных вкладышей к проволоке. Такое конструктивное решение имеет значительные преимущества, однако в эксплуатации требует довольно большого навыка сварщика-оператора, поскольку:

цанговое закрепление вкладышей может обеспечить их надежное прилегание к электродной проволоке только при значительном усилии в зоне контакта. Это усилие, не ограничиваемое по значению, может превысить допустимое по условиям механического износа и привести к выходу из строя токоподвода;

несущая часть при таком закреплении вкладышей имеет невысокую частоту собственных колебаний, что повышает чувствительность токоподвода к внешним внброударным нагрузкам и снижает надежность его работы; цанговое закрепление вкладышей не обеспечивает равномерного давления по всей длине зоны контакта. Распределение нагрузки по длине имеет сложную параболическую форму с выраженным и неопределенным максимумом. Жесткость несущей части велика, а колебания диаметра электродной проволоки по длине вкладыша достигают 10 %. И таких условиях сложно устанавливать и поддерживать постоянными сварочные параметры.

Третья конструкция, сборный токоподвод с разрезными контактными вкладышами (рис. 2.5, б-), исключает недостатки первых двух. Токоподвод такого типа сложнее, но дает возможность объективно устанавливать и поддерживать в заданных пределах оптимальные условия токосъема. Для этого достаточно правильно выбрать значение контактного давления и предусмотреть конструктивные меры по его заданию и ограничению, что в данном случае не представляет особой сложности.

Контактное давление Рк является весьма важным параметром токоподвода. При его выборе нужно иметь в виду, что как чрезмерное его увеличение, так и уменьшение резко снижают надежность работы токоподвода. При увеличении контактного давления меньшается сопротивление переходной зоны и улучшается прилегание проволоки к вкладышу, но увеличивается механический износ; при уменьшении контактного давления уменьшается механический износ, но увеличивается сопротивление переходной зоны, ухудшается прилегание проволоки к вкладышу возрастает электромеханический износ. Кон-iактное давление должно быть выбрано оптимальным и поддерживаться на заданном уровне с определенной точностью.

Так как стабильность контактного давления зависит в основном от удельной жесткости, то последняя должна быть невысокой порядка 10 % от уровня номинальной нагрузки. Наиболее компактными по конструкции и удобными в работе являются упругие элементы с нелинейной характеристикой жесткости.

Верхний предел контактного давления, определяемый по допустимому ритическому давлению, для большинства материалов контактных вкладышей и стандартной электродной проволоки не должен

превышать

Нижний предел определяется допустимым сопротивлением пере-кодной зоны Rп и может быть рассчитан для принятого материала контактного вкладыша по формуле

где с коэффициент, зависящий от качества обработки и состояния контактных поверхностей и находящийся в пределах 1.53,0;твердость материала контактного вкладышапо Бринеллю; Rn допустимое сопротивление переходной зоны, Ом; р удельное сопротивление материала контактирующих поверхностей, большее по абсолютному значению удельного сопротивления материала проволоки или токоподвода, Ом-см.

Основной путь решения проблемы улучшения токосъемаэто совершенствование конструкции токоподводов, подбор оптимальных статических характеристик. Совершенствование токоподводов идет, как правило, в направлении создания более сложных конструкций.

Механизм подачи электродной проволоки. Подача электродной проволоки в автоматах и полуавтоматах дуговой сварки осуществляется ее протягиванием (проталкиванием) между вращающимися роликами, прижатыми к проволоке. Различают механизмы со ступенчатым и плавным регулированием скорости подачи. В первом случае редуктор имеет набор сменных пестерей, в качестве двигателя используется асинхронный электродвигатель. Во втором случае используется электродвигатель постоянного тока с регулируемым числом оборотов.

Скорость подачи может быть рассчитана по формуле

где dp расчетный диаметр подающего ролика, мм; ппп число оборотов двигателя, об/мин; i передаточное число редуктора; 5,S коэффициент.

Наиболее ответственной частью механизма подачи является роликовое устройство. Для подачи используют механизмы, состоящие из одной или двух пар подающих роликов, прижатых к проволоке. Тип механизма определяется видом подаваемой проволоки. Основными параметрами роликового механизма являются усилие прижатия роликов к проволоке, жесткость упругого элемента, диаметр роликов форма поверхностей, контактирующих с проволокой.

Принято, что максимум результирующего касательного усилия протягивания проволоки пропорционален усилию прижатия подающих роликов к электродной .проволоке:

где F тяговое усилие, Н; if коэффициент сцепления роликов С проволокой; N усилие прижатия роликов к проволоке, Н.

Условие нормальной работы подающего механизма можно записать в виде

где Т$ текущее значение подающего усилия, Н; W усилие сопротивления подаче.

Зная (задавая) усилие сопротивления подаче и коэффициент сцепления, можно получить необходимое усилие поджатия роликов к проволоке. Усилие сопротивления подаче величина, зависящая от многих факторов и изменяющаяся в процессе работы в широких пределах. На основании имеющихся опытных данных ее максимальное значение для автоматов и полуавтоматов дуговой сварки принимают в пределах 200300 Н.

Коэффициент сцепления подающих ротиков с электродной проволокой в общем случае величина, нетождественная коэффициенту трения скольжения. Установлено, что для данного материала и состояния контактных поверхностей при небольшом диапазоне изменения усилия поджатия роликов его значение существенно зависит от скорости подачи (рис. 2.6, а) и усилия сопротивления подаче (рис. 2.6, б). Закономерности "влияния на коэффициент сцепления материала ролика и состояния контактной поверхности проволоки показаны соответственно на рис. 2.6, в, и е. Анализируя представленные зависимости, можно сделать выводы.

Коэффициент сцепления подающего ролика с электродной проволокой зависит от скорости подачи. Для нормальных условий с увеличением скорости подачи сцепление ролика с проволокой ухудшается, коэффициент сцепления стремится к своему предельному значению (для гладких подающих роликов фпр = 0,2).

Для проволоки, имеющей несистематические дефекты на поверхности, реализуемый коэффициент сцепления снижается: фnp O.l.

Коэффициент сцепления может быть повышен за счет конструкции роликов. Они могут быть выполнены цилиндрическими с насечкой, с канавкой и насечкой, шестеренчатыми с канавкой в зубьях шестерен, обрезиненпыми и т. д. Подающее усилие может быть повышено также применением нескольких ведущих роликов (пары или более). Обычно подающие ролики изготовляются из термообработаиной до ИКС 56 60 стали ХВГ, ХГ, 40Х или ШХ15.

Сила подачи проволоки характеризуется зависимостью вида

где М крутящий момент на ролике, Н-м; F усилие на ролике, Н; D диаметр ролика, м; v скорость подачи, м/с.

Характеристикой или параметром данной зависимости является ее жесткость, равная

где F0 усилие подачи в начале процесса. Этот параметр определяет уменьшение подающего усилия с ростом скорости подачи.

По аналогии формально вводят в рассмотрение параметр, определяющий уменьшение коэффициента сцепления при увеличении скорости подачи, удельную жесткость характеристки сцепления Sft равную

где ф0 реализуемый коэффициент сцепления в начальный момент.

Обе характеристики имеют размерность, обратную размерности, скорости подачи. Они могут быть получены экспериментальным путем. Причем Xf можно рассчитать для данного типа двигателя. Сравнение обеих характеристик позволяет судить о том, в какой степени правомерно принимать расчетное значение Л в качестве оптимального. Если динамическая жесткость характеристики усилия подачи Л> близка к удельной жесткости характеристики сцепления St, то переменная составляющая N близка к постоянной составляющей. В противном случае нужно увеличить нагрузку.

Важным параметром подающего механизма является жесткость прижимной пружины. Она существенно влияет на процесс сцепления ролика с проволокой. Установлено, что роликовый механизм без упругого элемента неработоспособен. Увеличение удельной жесткости упругого элемента приводит к значительным колебаниям усилия и скорости подачи в тяжелонагруженных режимах. Для улучшения условий подачи следует использовать упругие элементы е невысокой удельной жесткостью на заданном уровне нагрузки. Желательно предусмотреть в конструкции элементы, ограничивающие значение прикладываемой нагрузки на уровне, соответствующем реализуемому * <>ффицненту сцепления. Выбор оптимальных значений усилия прижатия ролика, жесткости упругого элемента позволяет: повысить надежность подачи проволоки без проскальзывания и расширить область применения гладких роликов; снизить нагрузку на элементы конструкции и повысить долго-тчность механизма; повысить КПД и улучшить стабильность подачи.

Правка электродной проволоки. Правка электродной проволоки I сварочных автоматах и полуавтоматах осуществляется плоским пластическим изгибом между правильными роликами. Оптимизация процесса правки прежде всего связана с выбором рациональных парафов правильного механизма. Основными параметрами плоского роликового механизма являются число, шаг и диаметр роликов, а также мощность, затрачиваемая па правку.

На основании анализа существующих механизмов, а также рассмотрения сил и моментов, действующих на выпрямляемую проволоку, можно сформулировать основные требования, которым должны отвечать правильные механизмы.

Как следует из диаграммы распределения напряжений и деформаций для случая упругопластического изгиба, процесс правки происходит успешно для ольшинства сварочных проволок (предел текучести материала от = 250 ... 1000 MI 1а) при условии проникновения пластической деформации на глубину 9497 % высоты сечения из-iибаемой проволоки.

Анализируя эпюру изгибающих моментов, действующих на про-полоку (рис. 2.7), можно установить, что пластическая деформация р 1Спространяется подлине максимально на одну треть шага роликов, м на остальном участке имеет место чисто упругая деформация, т. е. уменьшение шага роликов повышает эффективность правки. Уменьшение шага ограничивается условием прочности правильных роликов, условием размещения подшипников опор нужной грузоподьем-посги, условием прочности проволоки.

где й диаметр проволоки, мм; D диаметр ролика, мм.

Существует приближенная зависимость для проволок с от = 250 ... 1000 МНа симметричного сечения по условию прочности: D > (5 ... 10) d. Верхний предел диаметра правильного ролика ограничен глубиной проникновения деформации:

где р радиус начального изгиба, мм; г радиус обратного изгиба, мм.

Число правильных роликов должно определяться минимальным числом изгибов, необходимых для устранения кривизны наименьшего радиуса. Увеличенное на два, это число дает необходимое число роликов. Зависимость остаточной ривизны от действующего момента определяется выражением

где М относительный момент, который выряжается отношением момента пластического изгиба М к моменту упругого изгиба Л1у. т; ет относительная деформация.

Таким образом, задаваясь остаточной кривизной р0ст и Диаметром проволоки d, можно определить максимальную исходную кривизну, которая может быть устранена однократным перегибом. Причем большое число роликов и меньший шаг требуются:

для тонких проволок со значительной исходной кривизной; для проволок, поперечное сечение которых характеризуется большим значением отношения площади сечения к его моменту сопротив ления изгибу.

При числе правильных роликов больше трех на каждом последующем ролике нагрузка увеличивается и в пределе равна SM/t,

Мощность, ватрачиваемая на правку, включает в себя мощность на преодоление трения в опорах роликов и на пластическую деформацию проволоки.

где Л1кр крутящий момент на ролике, Нем; v скорость подачи, см/с; г) КПД механизма. Здесь крутящий момент

Мощность пластической деформации может быть определена по формуле

где М = d3or/4 максимальный изгибающий момент; J момент инерции поперечного сечения проволоки при изгибе.

Часть мощности, затрачиваемая на преодоление трения в опорах, определяется по известным формулам в зависимости от типа опор.

При повышенных требованиях к качеству правки проволоки конструкция устройств на базе плоских роликовых механизмов совершенствует в двух эффективных направлениях: путем увеличения числа правильных роликов, т. е. правки не-однократным изгибом. Причем для улучшения правки используют hi меняющееся от изгиба к изгибу перекрытие роликов. Остаточная Кривизна при такой правке может быть сведена к минимуму. Однако чип способ эффективен при условии оптимальной, точной настройки, е. элвисит от исходного состояния проволоки и опыта наладчика; путем правки проволоки с предварительным сильным изгибом (за пределами текучести). Правка дает хороший результат при сильно искривленной проволоке, но требует значительных затрат мощности.

Использование механизмов правки другого типа (перегиб в различных плоскостях и пр.) в автоматах и полуавтоматах дуговой сварки 01 ра ничейно.