Текст книги "Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка"

Ручная электродуговая сварка

Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием благодаря простоте и мобильности применяемого оборудования остается одним из самых распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкций.

Оборудование и одежда для ручной электросварки

Выбор сварочного аппарата

В зависимости от рабочей силы тока сварочные аппараты делят на бытовые (до 200 А), полупрофессиональные (200–300 А) и профессиональные (от 300 А). При выборе аппарата обязательно нужно учитывать и такие показатели, как его производительность, вес, время работы без перерыва и то, какой материал вы будете сваривать. Для бытовых нужд выбирают компактные переносные модели: ими можно пользоваться и в квартире, и на даче, и в гараже.

Сварочное оборудование бывает нескольких видов: генераторы (агрегаты), трансформаторы, полуавтоматы, сварочные выпрямители, инверторы. Каждый из этих аппаратов обладает плюсами и минусами.

Сварочными генераторами называют сложные электромеханические устройства, которые сами вырабатывают электричество, поэтому их можно использовать на неэлектрифицированных объектах: в строящемся доме, гараже, на только что купленном дачном участке. Главный их недостаток – большие размеры, огромный вес и трудоемкость обслуживания. К тому же они весьма недешевы.

Сварочные трансформаторы переменного тока, пожалуй, наиболее простые, недорогие и распространенные из всех видов сварочных аппаратов. Как и большинство остальных бытовых сварочных аппаратов, они используют плавящиеся электроды. Применяются, как правило, для сварки низколегированных сталей. Качественно изготовленный трансформатор исключительно надежен и не требует специального обслуживания. Но сварка на переменном токе отличается невысоким качеством и требует определенных навыков от сварщика. Кроме того, сварочные трансформаторы обладают немалыми габаритами и весом.

Сварочные выпрямители представляют собой те же трансформаторы переменного тока, оснащенные выпрямительным блоком и иногда регулирующим устройством. Более сложное устройство потребляет больше электроэнергии и намного тяжелее. Зато постоянный ток обеспечивает более качественную и комфортную работу. Достоинствами сварочных выпрямителей является также возможность сваривать не только черные, но и цветные металлы и сплавы, а также меньшая стоимость по сравнению с более сложными аппаратами.

Сварочные полуавтоматы тоже выполнены на базе трансформаторов. Их особенностью является то, что сварка осуществляется не электродами, а специальной проволокой в газовой среде (обычно применяется аргон или углекислый газ). Есть модели, которые позволяют работать даже без газа (в этом случае необходимо использовать специальную флюсовую проволоку). Такие аппараты позволяют варить сталь, в том числе нержавейку, а также алюминий. Свариваемый металл определяет материал проволоки и используемый газ: для железа лучше всего подойдет углекислый газ, для алюминия – аргон.

Сварочная проволока по шлангу автоматически подается в сварочную горелку, обеспечивая ровный хорошо защищенный от коррозии шов. Такая сварка получила широкое распространение в ремонте автомобилей. Недостатком по сравнению со сварочными выпрямителями можно считать большой вес и габариты, высокую цену и сложную конструкцию, включающую роликовый механизм подачи проволоки. Кроме того, требуется наличие газового баллона. Номинальный срок службы сварочных полуавтоматов – 5 лет со сменой сварочной горелки через каждые полгода.

Сварочные инверторы, пожалуй, наиболее популярная сегодня категория сварочных аппаратов. Принцип их работы таков: переменный ток от потребительской сети частотой 50 Гц выпрямляется и сглаживается фильтром, затем полученный постоянный ток преобразуется инвертором снова в переменный, но уже высокой частоты (20–50 кГц). Затем высокое переменное напряжение высокой частоты понижается до 70–90 В, а сила тока соответственно повышается до необходимых для сварки 100–200 А. Высокая частота сварочного тока позволяет добиться значительных преимуществ сварочного инвертора перед другими источниками питания сварочной дуги – малых габаритов и веса, высокого КПД источника питания (порядка 90 %). Дуга в данном случае получается очень устойчивой, сварной шов выходит гораздо ровнее, чем у моделей трансформаторного типа.

Но у инверторов есть и недостатки: прежде всего высокая стоимость по сравнению с другими типами сварочных аппаратов, а также требовательность к качеству питания – при скачках или просадках напряжения, что в нашей действительности является распространенным явлением, инвертор может быстро выйти из строя. Инверторы боятся пыли, поэтому производители рекомендуют хотя бы дважды в год чистить аппарат изнутри. Инверторы не любят мороза, и при температуре ниже –15 °C их эксплуатация не всегда возможна. Ремонтопригодность этого оборудования весьма низкая – сложная электронная схема не поддастся неспециалисту, настройка ее требует специального измерительного оборудования, а стоимость ремонта в мастерской составит минимум треть цены всего аппарата. Особенно страдают подобным поведением недорогие инверторы родом из азиатских стран. Более надежные аппараты солидных торговых марок стоят существенно дороже. И еще одна особенность: длина каждого из сварочных кабелей инвертора не должна превышать 2,5 м.

В частном секторе соседи, у которых подвод электричества чаще всего осуществляется разными фазами, могут скооперироваться и приобрести трехфазный сварочный источник. Плата за электроэнергию и нагрузка на сеть в этом случае будут распределяться поровну, качество сварки возрастет, а специально подключать трехфазное электроснабжение, что весьма хлопотно и недешево, при этом не нужно.

При выборе того или иного аппарата следует учитывать также следующие соображения.

Все сварочные аппараты обладают такой характеристикой, как продолжительность включения (ПВ), или процент времени непрерывной работы при определенном токе (ПН). Это показатель времени непрерывного горения дуги, которое может обеспечить конкретная модель сварочного оборудования в течение условного 10-минутного цикла. Например, в паспорте указано, что для тока 160 А ПВ = 30 %. Это значит, что аппарат будет работать 3 мин (10 мин × 30 %), а на 7 мин придется сделать перерыв. Поэтому не следует покупать аппарат с номинальным током 120 А и ПВ, равной 20 %, который перегреется через один-два электрода. К тому же многие производители занижают условия измерений, например понижают температуру окружающей среды или берут 5-минутный интервал. В результате аппарат либо не обеспечивает нужный ток, либо работает с перегрузкой, перегревается и выходит из строя. Всегда необходимо иметь запас по току (мощности), поэтому оптимальные параметры аппарата для большинства бытовых работ – 160 А и ПВ не менее 40 %. Если необходимо работать длительное время, нужно приобретать сварочный аппарат с еще более высоким ПВ.

Большинство моделей сварочных аппаратов работают при напряжении в пределах 220 В ±10 %, т. е. до 198 В. Некоторые модели устойчиво работают при падении напряжения до 20 % (176 В). Это имеет большое значение для районов с пониженным напряжением в сети. Кроме того, следует уточнить электропитание на территории, где предстоит работать: однофазное (220 В) или трехфазное (380 В).

В зависимости от вида и толщины металла, с которым придется работать, определяется вид и мощность сварочного аппарата (и, соответственно, его стоимость).

Если работать предстоит на высоте, постоянно перемещать сварочный аппарат, лучше всего приобретать легкие и небольшие аппараты.

Если всё это не важно, лучше выбрать аппарат с большим количеством возможностей.

Сварочные электроды

Сварочный электрод – это металлический или неметаллический стержень, предназначенный для подвода тока к свариваемому изделию. Электроды бывают двух типов:

– плавящиеся, выполненные обычно из того же или сходного со свариваемым изделием металла;

– неплавящиеся, которые, в свою очередь, могут быть металлическими (обычно вольфрам) или неметаллическими (уголь или графит).

Ввиду широкого распространения сварки по технологии ММА, наибольшее распространение получили плавящиеся металлические электроды. Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой металлический стержень, на поверхность которого методом окунания или опрессовкой под давлением наносится покрытие (обмазка) определенного состава и толщины (рис. 20).

Рис. 20. Сварочный плавящийся электрод с покрытием:

1 – стержень; 2– участок перехода; 3 – покрытие; 4 – контактный торец без покрытия; d – номинальный диаметр сварочной проволоки; D – внешний диаметр покрытия; l – длина зачищенного от покрытия конца; L – номинальная длина электрода

Металлический стержень электрода выполняется из проволоки ∅1,6—12 мм. Электродная проволока по химическому составу делится на три группы:

1 – с содержанием углерода не более 0,12 %, предназначена для сварки низкоуглеродистых, среднеуглеродистых, а также некоторых низколегированных сталей. Малое содержание углерода в сварочной проволоке снижает склонность металла шва к пористости и образованию твердых закалочных структур;

2 – легированная, предназначенная для сварки низколегированных, конструкционных и теплостойких сталей;

3 – высоколегированная, предназначенная для сварки хромистых, хромоникелевых, нержавеющих и других легированных сталей.

В зависимости от отношения диаметров покрытия и электродной проволоки (D/d) электроды по толщине покрытия подразделяются на 4 типа:

М – электроды с тонким покрытием D/d ≤ 1,2;

С – электроды со средним покрытием 1,2 ≤ D/d < 1,45;

Д – электроды с толстым покрытием 1,45 ≤ D/d < 1,8;

Г – электроды с особо толстым покрытием D/d > 1,8.

Наиболее простое тонкое покрытие изготавливают из мелко просеянного мела, разведенного на жидком стекле. На 100 весовых частей мела берется 25–30 весовых частей жидкого стекла. Полученная смесь размешивается в воде до получения сметанообразного состояния. Покрытие наносится на электродную проволоку окунанием, с последующей сушкой при температуре 30–40 °C.

Тонкое покрытие предназначено только для стабилизации горения дуги и не создает защиты для расплавленного металла шва, что приводит к окислению и азотированию наплавленного металла. Такие электроды не используют при выполнении ответственных работ, так как сварочный шов получается хрупким, пористым, с различными неметаллическими включениями.

Сварные соединения высокого качества выполняют электродами со средним, толстым и особо толстым покрытием. Кроме стабилизации горения дуги эти покрытия способны выполнять еще ряд функций: защищать расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскислять окислы, образующиеся в процессе сварки; изменять состав наплавляемого металла, вводя в него легирующие примеси; удалять серу и фосфор из расплавленного металла шва. Такие покрытия образовывают шлаковую корку поверх металла шва.

Для выполнения перечисленных функций покрытие электрода содержит следующие компоненты:

– ионизирующие вещества, облегчающие возбуждение сварочной дуги и поддерживающие ее стабильное горение (мел, мрамор, поташ, полевой шпат и т. п.);

– вещества, защищающие сварочную ванну от воздействия кислорода и азота воздуха (крахмал, древесная мука, целлюлоза и т. п.). При сварке они разлагаются и сгорают, выделяя большое количество защитных газов;

– раскислители, которые обладают большим сродством к кислороду и поэтому восстанавливают металл шва, улучшая его качество (ферросплавы, алюминий, графит и т. п.);

– легирующие вещества (ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан), позволяющие улучшить свойства сварочного шва;

– шлакообразующие вещества образуют шлак, который, затвердевая на поверхности шва, препятствует его быстрому охлаждению, а также защищает от воздействия атмосферы (полевой шпат, кварц, мрамор, рутил, марганцевая руда и т. п.);

– связующие вещества, предназначенные для замешивания всех компонентов покрытия, а также для удержания покрытия на электроде и придания ему достаточной механической прочности после сушки. Обычно в качестве связующего вещества используют жидкое стекло, реже применяют декстрин.

Для увеличения количества наплавляемого металла в единицу времени в электродные покрытия иногда вводят железный порошок. Это улучшает технологические свойства электродов: облегчает повторное зажигание дуги, уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла, что благоприятно сказывается при сварке в условиях низких температур.

Более качественные сварные швы дают электроды с покрытием, основой которого является титановый концентрат.

Качественные покрытия разделяют на четыре основные группы:

А – кислые покрытия, содержащие руды в виде окиси железа, марганца, кремния, иногда титана;

Б – основные покрытия, имеющие в качестве основы фтористый кальций и карбонад кальция. Сварку электродами с основным покрытием осуществляют на постоянном токе и обратной полярности. Вследствие малой склонности металла к образованию кристаллизационных и холодных трещин электроды с этим покрытием используют для сварки больших сечений;

Ц – целлюлозные покрытия, имеющие в качестве основы целлюлозу, муку или другие органические составы, создающие газовую защиту дуги и образующие при плавлении тонкий шлак. Электроды с целлюлозным покрытием применяют, как правило, для сварки стали малой толщины;

Р – рутиловые покрытия, основным компонентом которых является рутил. Для шлаковой и газовой защиты в покрытия этого типа вводят соответствующие минеральные и органические компоненты. При сварке на постоянном и переменном токе разбрызгивание металла незначительно. Устойчивость горения дуги, формирование швов во всех пространственных положениях хорошее.

В обозначениях электродов встречаются также:

П – прочие виды покрытия;

Ж – с содержанием в покрытии > 20 % железного порошка.

Смешанные покрытия обозначают двумя буквами.

Согласно ГОСТ 9466-75, условное обозначение электродов для дуговой сварки и наплавки сталей представляет собой длинную дробь, например:

В числителе записан тип электрода Э46А, его марка УОНИ-13/45, диаметр 3,0 мм и группа из двух букв и цифры УД3. Типы электродов для ручной дуговой сварки углеродистых, низколегированных, конструкционных и других сталей обозначают буквой Э, затем следуют цифры, указывающие прочностную характеристику наплавленного металла. Так, обозначение Э46 означает, что электроды этого типа обеспечивают минимальное временное сопротивление 460 МПа.

Если в обозначении после цифр стоит буква А, значит, этот тип электрода обеспечивает более высокие пластические свойства наплавленного металла.

Для сварки вышеуказанных сталей предусмотрены 14 типов электродов (табл. 3), в которых определены основные механические свойства и содержание вредных примесей (серы и фосфора).

Первая буква последней группы числителя (У) указывает назначение электрода, вторая (Д) – толщину покрытия (см. выше), цифра (3) – группу электродов по качеству изготовления.

Шифр буквы назначения электродов:

У – для конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву σ_B < 600 МПа (60 кгс/мм²);

Л – для легированных конструкционных сталей с σ_B > 600 МПа (60 кгс/мм2);

Т – для теплоустойчивых легированных сталей;

В – для высоколегированных сталей;

Н – для наплавки.

По качеству электроды делят на три группы 1, 2 и 3, где требования возрастают от группы 1 к группе 3.

В знаменателе приведены буква Е (электрод), группа индексов 412(5), указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва (по ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10051-75 или ГОСТ 10052-75), и группа из одной буквы и двух цифр Б20. Буква Б обозначает вид покрытия, первая цифра 2 – допустимые пространственные положения при сварке, вторая цифра 0 – требование к электропитанию дуги.

Допустимые пространственные положения при сварке или наплавке обозначают следующим образом:

1 – для всех положений;

2 – для всех положений, кроме вертикального сверху вниз;

3 – для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх;

4 – только нижнее и нижнее «в лодочку».

По роду и полярности применяемого при сварке или наплавке тока, а также по номинальному напряжению холостого хода источника переменного тока частотой 50 Гц электроды подразделяются в соответствии с табл. 4.

Одному и тому же типу электродов могут соответствовать несколько марок, например: электродам типа Э46 соответствуют марки АНО-4, МР-3 и др.; электродам типа Э42А соответствуют марки УОНИ-13/45 и СМ-11 (табл. 5).

Электрододержатели и сварочные кабели

Электрододержатель – приспособление для закрепления электрода и подвода к нему тока – является главным орудием сварщика. Существует немалое количество держателей разных конструкций: пружинные, вилочные, цанговые, винтовые, пластинчатые, их автоматизированные модификации и другие разновидности. Среди всего многообразия применяемых электрододержателей наиболее безопасным является пружинный («прищепка»), известный у нас как электрододержатель серии ЭП (рис. 21). К его основным преимуществам можно отнести удобство эксплуатации, крепкое удержание электрода, полное отсутствие неизолированных зон токосъемника. Держатель-«прищепка» очень популярен, поэтому его используют многие профессиональные сварщики по всему миру. Эти электрододержатели выдерживают без ремонта 8000—10 000 зажимов. Время замены электрода не превышает 3–4 с. «Прищепки» изготавливают в соответствии с существующими стандартами: I типа – для тока до 125 А; II типа – для тока 125–315 A; III типа – для тока 315–500 А.

Рис. 21. Электрододержатель серии ЭП

Если вы купили новый сварочный аппарат, то в комплекте с ним обязательно должен быть заводской электрододержатель. Пользоваться, безусловно, нужно им. Широко известные у нас «вилки-трезубцы» использовать не стоит – они давно запрещены во всем мире[16]16
  Подробнее об этом пойдет речь в следующем разделе в главе «Конструкции самодельных электрододержателей».


[Закрыть].

Электрододержатели присоединяют к гибкому (многожильному) медному проводу – сварочному кабелю марки ПРГД или ПРГДО. Кабель сплетен из большого числа отожженных медных проволочек ∅0,18—0,20 мм. Применять провод длиной более 30 м не рекомендуется, так как это вызывает значительное падение напряжения в сварочной цепи. Сечения сварочных проводов для подвода тока от источника питания к электрододержателю и свариваемому изделию выбирают из расчета плотности тока до 5 А/мм2 при токах до 300 А. При силе тока 125 А рекомендуется провод сечением 25 мм2, при силе тока 315 А – одинарный провод сечением 50 мм2 или двойной сечением по 16 мм2.

Токоподводящий «земляной» провод соединяется с изделием специальными зажимами, чаще всего винтовыми струбцинками или зажимами типа «крокодил». Допустимо укладывать свариваемую деталь на металлический стол, надежно подсоединенный к сварочному источнику. Самодельные удлинители токоподводящего провода в виде кусков или обрезков металла не допускаются.

Экипировка сварщика

При работе со сваркой пораженными могут оказаться все части тела рабочего, органы дыхания, зрения. Поэтому средствами индивидуальной защиты пренебрегать никак нельзя. Полный комплект экипировки сварщика включает в себя маску, специальный костюм, обувь и перчатки.

Спецодежда для сварщика должна удовлетворять двум основным требованиям: ее наружная поверхность должна быть огнестойкой и термостойкой, а внутренняя (изнаночная) – влагопоглощающей. Исходя из этих требований, куртку и брюки шьют из брезента, парусины, замши и их комбинаций. Их обрабатывают специальной пропиткой, которая придает им жаростойкость. Для одежды и обуви, защищающей от искр и расплавленного металла и выдерживающей прожигание не менее 50 с, ГОСТ предусматривает специальную пометку «Тр».

Экипировка сварщика обязательно включает в себя рукавицы или перчатки для защиты рук от контакта с нагретыми поверхностями и брызгами расплавленного металла.

Традиционная обувь для сварщиков – сапоги с укороченными голенищами или кожаные ботинки. Категорически запрещается работать в обуви с открытой шнуровкой или металлическими гвоздями в подошве.

Современные маски для сварки предохраняют своих владельцев от искр, брызг металла, механического давления, ожогов, удара электрическим током, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Для защиты от последних в смотровое отверстие маски кроме обычного стекла вставляется светофильтр.

Существуют несколько разновидностей масок: традиционного типа с фиксированным светофильтром, с подъемным светофильтром, а также маски типа «хамелеон». В первых двух случаях речь идет о так называемых «пассивных» шлемах. В качестве смотрового окна в них используют затемненное стекло, которое либо неподвижно (но тогда сложно разглядеть объект сварки до начала работ), либо его откидывают наверх после окончания процесса сварки (материал при этом еще догорает, и смотреть на него без защиты тоже опасно).

«Активные» шлемы типа «хамелеон» автоматически реагируют на импульс света от сварки и изменяют степень своего затемнения, блокируя части светового спектра. Это позволяет нормально контролировать начало сварочного процесса. Источником питания световых фильтров в масках для сварки типа «хамелеон» служат солнечные батареи, а также заменяемые или встроенные литиевые элементы. Некоторые маски-«хамелеоны» оборудованы также респиратором. Это немаловажно, так как дым и газы, возникающие при сварочных работах, содержат вещества, представляющие большую опасность для легких. Правда, стоит такая защита довольно дорого, а в работе не очень удобна из-за солидного веса и приличных габаритов. Кроме того, время срабатывания светофильтра в шлеме должно составлять менее 1 мс. Однако при температуре окружающего воздуха ниже –5 °C светофильтр может начать реагировать медленнее. По этим причинам «хамелеоны» у нас пока не слишком популярны.

Для разных типов сварки нужны отдельные светофильтры. Но если фильтр предназначен для аргонно-дуговой сварки, то он подойдет и для работы со штучными электродами, и для полуавтоматической или автоматической сварки.

Дорогие шлемы оснащены регуляторами, изменяющими отношение степени затемнения к величине сварочного тока. Чаще всего встречаются параметры 4–9 DIN, предназначенные для тока до 40 А. 5—11 DIN выдерживают от 80 до 175 А, 6—12 DIN – от 175 до 300 А, а 7—13 DIN – от 300 до 500 А.

При выборе маски многие обращают внимание на размер видимой через светофильтр области. Понятно, что, чем он больше, тем удобнее работать. Однако надо помнить о том, что, чем больше «окно», тем оно уязвимее.

Для чистки и сушки светофильтра необходимо снять внутреннюю и внешнюю защитные пластины, затем протереть его чистой мягкой тканью, смоченной метиловым спиртом.

Покупая маску, обратите внимание и на крепления на корпусе маски. Они должны быть регулируемыми как по горизонтали, так и по вертикали. Сам корпус должен быть эргономичным и прочным. Его вес должен составлять от 350 до 450 г. Более легкие модели не защитят сварщика должным образом, а тяжелые будут чересчур давить на голову.