Сварка, сварочное оборудование, электроды, сварочный аппарат, инвертор

Разработка и развитие сварки под флюсом

Идея этого способа сварки появилась не на пустом месте. Еще Н.Г. Славянов применял для защиты расплавленного металла от воздействия воздуха битое стекло. В 1927 г. известный изобретатель Д.С. Дульчевский, работавший в Одесских железнодорожных мастерских, разработал свой первый автомат для сварки под флюсом.
Над проблемой дуговой сварки голым электродом с отдельной подачей флюса к дуге работали как в нашей стране, так и за рубежом. В начале 30-х годов прошлого века в США был построен завод по производству сварных труб с помощью автоматической дуговой сварки с использованием флюсов. В 1934 г. фирма «Дженерал электрик» использовала для автоматической сварки голой проволокой флюс, предложенный В. Миллером и состоящий из полевого шпата и диоксида титана. Измельченные в порошок компоненты смачивали водой и в виде пасты наносили на изделие перед сваркой. В 1936 г. был получен патент на способ автоматической дуговой сварки под флюсом под названием «Юнионмелт».
Этим способом сваривали стальные листы толщиной до нескольких десятков миллиметров со скоростью до 10 м/ч. В 1939–1940 гг. коллективом Института электросварки под руководством и при непосредственном участии Е.О. Патона на основе идей, выдвинутых еще Н.Г. Славяновым, был разработан отечественный способ механизированной сварки, получивший тогда название «скоростная автоматическая сварка голым электродом под слоем флюса». Впервые этот способ соединения металлов был продемонстрирован в лаборатории Института электросварки в июле 1940 г. Был сварен стыковой шов металла толщиной 13 мм за один проход с неслыханной для того времени скоростью 32 м/ч, что во много раз превышало скорость ручной сварки.
При сварке закрытой дугой были механизированы практически все сварочные операции: возбуждение дуги, поддержание заданного режима горения и перемещения дуги вдоль кромок, заварка кратера при окончании процесса, подача проволоки в зону сварки и перемещение аппарата или изделия в соответствующем направлении (рис. 7).

Рис. 7. Сварочный трактор АДС-1000-2 выпуска 1952 г.
Создание данного способа сварки потребовало разработки оборудования принципиально нового типа. Была создана аппаратура для подачи флюса в зону сварки, удержания его на месте сварки, сбора неиспользованного флюса для его повторного использования. Кроме специальных источников питания, обладающих требуемыми сварочно-технологическими характеристиками, можно выделить аппараты для сварки: сварочные трактора и самоходные головки, которые, как минимум, обеспечивали возбуждение дуги в начале процесса, поддержание ее горения во время сварки и заварку кратера в конце шва.
Характерным для отечественного оборудования является широкое использование механизмов с постоянной скоростью подачи электрода и скоростью сварки.
Однако первоначально для поддержания постоянной длины дуги использовали более сложные двухдвигательные конструкции подающих механизмов и соответствующие схемы управления. В 1942 г. В.И. Дятлов, старший научный сотрудник Института электросварки (работавший в то время заведующим лабораторией на Уралмашзаводе), открыл явление саморегулирования мощной электрической дуги.
Было замечено, что имеется зависимость между электрическими параметрами режима (током и напряжением) и скоростью подачи проволоки. Причем их оптимальное соотношение устанавливается без специального регулирования источника питания. При этом изменяется и расход энергии на плавление металла и флюса.
Например, если напряжение увеличивалось, то расход теплоты на плавление электродного металла уменьшался, и электрод плавился медленнее. Получалось, что скорость подачи опережает скорость плавления электрода, стремясь восстановить прежнюю длину дуги. Сварочные головки нового типа комплектовались асинхронными двигателями с неизменной частотой вращения. Для изменения скорости подачи электрода применили одноступенчатый редуктор со сменными шестернями.
Значительно упростилась схема управления аппаратом. Проводя исследования, В.И. Дятлов пришел к выводу, что саморегулирование процесса нарушается при использовании источника питания с крутопадающей внешней характеристикой, а также при малых плотностях тока на электроде. В связи с этим им предложено использовать для автоматической дуговой сварки генераторы постоянного тока с жесткой внешней характеристикой. Еще одно направление в развитии конструкций сварочных головок было создано коллективом ученых Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ): для плавного регулирования скорости подачи проволоки использована фрикционная передача, а для сварки угловых швов предусмотрена возможность наклона головки.

Рис. 8. Автоматическая сварка под флюсом плоскостных конструкций трактором ТС-17
В эти же годы разработаны и основные схемы компоновки головок и транспортирующих механизмов, которые применяются и в настоящее время (рис. 8 и 9):

• крепление головки на самоходной тележке, перемещающейся по направляющим балкам;
• крепление головки на неподвижной или движущейся по рельсам колонне;
• установка головки на тележке, перемещающейся непосредственно по поверхности изделия – такие аппараты получили название сварочных тракторов.

Рис. 9. Автомат для сварки наружных кольцевых швов:
1 – защитное устройство;
2 – мундштук; 3 – суппорт;
4 – механизм подачи проволоки
Во время Великой Отечественной войны в Институте электросварки, который активно включился в работу на нужды оборонной промышленности в Нижнем Тагиле на Уралвагонзаводе, где изготовлялись знаменитые танки Т-34, начал свою научно-техническую деятельность Б.Е. Патон, проводя исследования по автоматическому регулированию процессов сварки с непрерывной подачей в зону дуги присадочных материалов. В результате были определены основные требования к статическим и динамическим характеристикам приводов систем автоматического регулирования, положенные в основу при создании первого поколения полуавтоматов, использующих тонкую электродную проволоку в сочетании с защитными флюсами и газами.
Позже Борис Евгеньевич занялся изучением физических процессов в дуге, определяющих перенос сварочного материала в расплавленную ванну в целях поиска способов снижения разбрызгивания. Им было установлено существенное влияние на этот процесс внешних характеристик источников питания, в частности показана целесообразность использования для полуавтоматической и автоматической сварки источников питания с жесткой внешней характеристикой. Эти результаты исследований стали основой для разработки способов сварки в углекислом газе и смесях газов, импульсно-дуговой сварки, которые до настоящего времени доминируют в технологических процессах сварочного производства. Первые работы Б.Е. Патона, по сути, стали научной основой для создания современной сварочной техники.
Б.Е. Патон стоял у истоков создания нового, относительно дешевого и достаточно простого способа соединения толстостенных деталей – электрошлаковой сварки, которая стала использоваться при изготовлении мощных гидротурбин, прессов, химических реакторов и других уникальных изделий.
Значительный вклад внес Б.Е. Патон в развитие контактной стыковой и точечной сварки, где системы автоматического управления процессом являются ключевыми, определяющими технологические характеристики и надежность сварочного оборудования. Под его руководством созданы поколения уникальных машин для контактной стыковой сварки деталей с большими поперечными сечениями из высокопрочных сталей и сплавов. Борис Евгеньевич был инициатором использования плазмы и лучевых источников нагрева (лазер, электронный луч) для сварки. Изучение под его руководством физических основ этих процессов позволило определить рациональные области применения и создать современное оборудование. Б.Е. Патона можно по праву считать основателем ряда новых специальных металлургических технологий: электрошлаковый, электронно-лучевой, плазменно-дуговой переплавы прочно вошли в практику создания материалов с уникальными свойствами.
По известным к середине 30-х гг. прошлого века сведениям следовало, что применение флюса помогает решить ряд задач получения качественного сварного соединения. Он должен был не только прикрыть жидкий металл ванны от воздуха, но и обеспечить введение в строго определенном количестве дополнительных легирующих элементов в металл шва, связать и перевести в шлак вредные примеси (серу и фосфор). Флюс, а после расплавления шлак, должен быстро и активно взаимодействовать с жидким металлом ванны и каплями электродного металла и также быстро покидать металлическую ванну, как только необходимые металлургические реакции будут завершены. Шлак после охлаждения должен легко отделяться от шва.
Методом проб и ошибок, применяя термодинамические законы, открытые американским ученым Дж.У. Гиббсом, удалось создать способы расчета состава флюса, который обеспечивал получение высококачественного шва с заранее рассчитанным составом.
Одним из основоположников данного направления сварочной науки – металлургии сварки – является В.И. Дятлов. Эксперименты начинались с применения бутылочного стекла, которое ученые дробили, просеивали и отбирали гранулы размером в поперечнике 1–4 мм. Их подавали в зону сварки. Результаты этих опытов показали принципиальную возможность защиты ванны.
Дальнейшие исследования показали, что в шихту, из которой выплавляется флюс, необходимо вводить много различных компонентов, а в качестве исходного сырья можно использовать природные минералы (мел, рутил, плавиковый шпат, мрамор, железную руду и т.д.). При плавлении в печах из исходных компонентов образовывались новые соединения, обеспечивающие быстрое протекание металлургических реакций в сварочной ванне.
Уже в 1939 г. в Институте электросварки был разработан флюс для сварки угольным электродом, а в 1940 г. – создан первый специальный флюс для сварки плавящимся электродом низкоуглеродистых и углеродистых сталей, вошедший в историю отечественной сварки под индексом АН-1. Существенный вклад в разработку новых составов флюсов внесли ученые ЦНИИТМАШ во главе с К.В. Любавским. Ими в начале 1941 г. был создан плавленый флюс ОСЦ-45, широко применяемый до сих пор для автоматической сварки сталей обычной, средней и повышенной прочности.
Дальнейшие работы в этом направлении позволили создать широкую гамму плавленых флюсов для сварки практически любых сталей и сплавов. Другим направлением в разработке флюсов для автоматической сварки послужили работы К.К. Хренова. Он предложил сухие тонкоизмельченные и перемешенные компоненты флюса замешивать на водном растворе жидкого стекла. Затем из этой массы формовали гранулы. Их сушили, измельчали и просеивали, получая частицы определенной крупности (0,5–2 мм). Флюсы, изготовленные подобным образом, получили название керамических.
Первые керамические флюсы, разработанные К.К. Хреновым и Д.М. Кушнаревым, нашли промышленное применение в нашей стране в судостроении. Они обеспечивали дополнительное легирование металла шва марганцем и кремнием за счет вводимых в состав флюса ферросплавов. Серьезным достижением в этой области является разработка серии керамических флюсов, позволяющих более мобильно, чем при использовании плавленых, получать металл шва заданного химического состава. В 1942 г. были начаты работы по созданию полуавтоматической сварки под флюсом (рис. 10).
При этом процессе была механизирована лишь подача сварочной проволоки в зону дуги, осуществляемая по мере ее плавления специальным устройством – подающим механизмом. Все остальные операции, в том числе перемещение горелки по стыку, обеспечение постоянства дугового промежутка, осуществляются сварщиком. Полуавтоматическая сварка под флюсом не получила широкого распространения. Это связано с тем, что в процессе выполнения сварки было невозможно визуальное наблюдение за положением электрода по отношению к свариваемым кромкам. Сварку можно было вести только в нижнем положении.
Рис. 10. Шланговый полуавтомат для сварки под флюсом
В 1952 г. для сварки алюминия разработан вариант, при котором для защиты зоны дуги применяется тонкий дозированный слой флюса. Он обеспечивает защиту только нижней части дуги и поверхности сварочной ванны.
В связи с этим данный процесс получил название «сварка по флюсу».
Он нашел применение в промышленности для сварки цветных металлов. В настоящее время трудно найти отрасль производства, где бы не применялась сварка под флюсом. При помощи этого процесса осуществляется изготовление судов, вагонов, многослойных сосудов, кранов, роторов гидрогенераторов и других изделий.
Сварка под флюсом широко используется при изготовлении сварно-литых, сварно-кованых и сварно-штампованных конструкций. Изделия, создаваемые с применением этого способа сварки, работают во всем диапазоне естественных климатических температур, при сверхвысоких температурах и в условиях глубокого холода, в агрессивных средах и при давлениях значительно отличающихся от атмосферного.
Источник: М.П. Шалимов, В.И. Панов "Сварка Вчера, Сегодня, Завтра". Екатеринбург, 2006

• Образование межатомных связей при сварке
• Влияние легирующих элементов на структуру металла
• Кристаллизация металла в сварочной ванне
• Шлаковая ванна
• Образование соединений при контактной сварке
• Режим контактной сварки и свариваемость металлов
• Области применения контактной и других видов сварки термомеханического и механического классов
• Классификация и типы машин контактной сварки
• Классификация сварных соединений и швов
• Справочное руководство по ручной сварке стержневыми электродами
• Справочное руководство по сварке МИГ/МАГ
• Справочное руководство по сварке ВИГ
• Общие сведения об источниках питания
• Сварочные выпрямители
• Принцип действия выпрямителя с инвертором
• Общие сведения о сварочных трансформаторах
• Параллельная работа источников питания сварочной дуги
• Применение роботов в сварочной технологии
• Дополнительная обработка сваренных узлов
• Сварные соединения арматуры железобетона
• Изготовление арматурных сварных конструкций
• Сварка балок. Изготовление конструкций балочного типа
• Сварочные и сборочно-сварочные технологические приспособления
• Механическое и вспомогательное оборудование сварочных установок
• Установки для сварки и наплавки
• Системы вентиляции и пылезащита
• Назначение сварочных материалов
• Общие сведения о составе сварочных материалов и содержании водорода в металле швов
• Математическое моделирование абсорбции газов металлом в процессе сварки
• Редукторы
• Обращение с горелками
• Классификация покрытых электродов
• Характеристики электродов
• Основной металл, свариваемость, напряжения и деформации при сварке. Выбор основного металла
• Свариваемость металлов и сплавов
• Основные методы определения свариваемости
• Напряжения и деформации при сварке
• Системы управления сварочными источниками
• Физико-химические свойства горючих газов
• Защитные газы
• Технико-экономическая оценка способов тепловой резки
• Технологический процесс производства сварных конструкций
• ИСТОРИЯ СВАРКИ
• Создание электродуговой сварки
• Разработка процесса контактной электросварки
• Сварочные процессы, использующие тепло химических реакций
• Дуговая сварка покрытыми электродами
• Разработка и развитие сварки под флюсом
• Разработка процесса сварки в защитных газах
• Плазменная сварка и резка
• Электрошлаковая сварка
• Электронно-лучевые технологии
• Лазерная сварка и резка
• Высокочастотная сварка
• Ультразвуковая сварка
• Перспективы развития сварки в XXI веке
• Сварка под водой
• Сварка в космосе
• Первые сварные конструкции
• ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СВАРКЕ
• Техника безопасности при сварке
• Основы техники безопасности при газовой сварке и резке
• Организация безопасного производства электросварочных работ
• Организация безопасного производства газосварочных (газорезательных) работ
• Средства индивидуальной защиты при производстве сварочных работ
• Меры безопасности при эксплуатации источников питания для сварки
• Сварка. Общие правила для всех видов конструкций. Металлические конструкции. СНиП III-18-75
• Техника безопасности в электродном производстве Правила электротехнической безопасности
• Правила электротехнической безопасности
• ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ
• Сварка меди и медных сплавов
• Сплавы на основе магния
• Бериллий и его сплавы
• Сварка химически активных тугоплавких металлов (циркония, ниобия, тантала, молибдена и др.)
• Сварка разнородных цветных металлов
• Сварка чугуна
• Технология сварки титана
• Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей
• Сварка аустенитных сталей
• Сварка алюминия и алюминиевых сплавов
• Сварка конструкционных средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей
• Сварка никеля и его сплавов
• Технология сварки металлических композиционных и пористых материалов
• Ручная дуговая сварка оцинкованного металла
• Сварка при низких температурах
• Механизированная и автоматическая сварка плавящимся электродом трубопроводов
• Сварка и резка биологических тканей
• ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ
• Наплавка
• Основные способы дуговой наплавки цветных металлов и сплавов для получения биметаллических изделий