Общие сведения об оборудовании для автоматической и полуавтоматической электрошлаковой сварки

• Ходовые механизмы вертикального движения
• Сварочные головки для электрошлаковой сварки
• Механизмы возвратно - поступательного перемещения (колебания) электродов
• Формирующие ползуны

Электрошлаковая сварка вертикальных швов с принудительным формированием предусматривает одновременное выполнение следующих операций: а)нагрев свариваемых кромок и присадочного материала до температуры их плавления, б) подачу в зазор между кромками электродного и дополнительного металла, в) подвод к электроду сварочного тока, г) удержание сварочной ванны в зазоре до затвердевания ее поверхностей, д) перемещение источника нагрева и формирующих устройств по мере образования шва, е) возвратно - поступательное перемещение источника нагрева в зазоре для равномерного проплавления кромок толстого металла и др. Указанные операции выполняются механизмами, составляющими сварочный автомат или полуавтомат. В зависимости от назначения и степени механизации такой автомат или полуавтомат может содержать механизмы и системы, достаточные для выполнения всех перечисленных функций (автоматическая сварка) или только некоторых из них (полуавтоматическая сварка).

На рис. 1 приведен общий вид автомата для электрошлаковой сварки. Сварочная ванна размещена между формирующими, водоохлаждаемыми ползунами: передним 1 и задним 15. Передний ползун связан с подвеской 2 и прижимается к свариваемым кромкам пружиной, помещенной в прижиме 3. Задний ползун подвешен на тяге 10, пропущенной через зазор, между свариваемыми кромками и на рычаге 13 с пружинами 12.

Рис. 1. Автомат рельсового типа для электрошлаковой сварки проволочными электродами:
1, 15 - ползуны, 2, 12 - подвески ползунов, 3 - прижим ползуна, 4 - механизм подачи, 5 - подающие ролики, 6 - суппорт, 7 - рельс, 8 - тележка, 9 - корпус, 10 - тяга, 11 - мундштуки, 13 - рычаг, 14 - электрод

В зону сварки через мундштуки 11 подается одна или несколько электродных проволок 14. Проволоки проталкиваются подающими роликами 5 механизма подачи 4. Головка и ползуны смонтированы на ходовой тележке 8, движущейся по рельсу 7. На тележке размещены корпус 9, в который встроен привод вертикального перемещения аппарата, и привод механизма возвратно - колебательного перемещения электродов вдоль зеркала сварочной ванны. Этот привод перемещает головку по суппорту 6,

Как видно из рис. 1, некоторые элементы автоматов для электрошлаковой сварки сходны с элементами автоматов для дуговой сварки в нижнем положении. Так же, как и для дуговой сварки, автоматы для электрошлаковой сварки разделяются на самоходные рельсовые (рис.1), безрельсовые (рис.2) и подвесные.

Электрошлаковая сварка может выполняться вручную, полуавтоматически или автоматически. Ручную сварку применяют редко, главным образом для изготовления арматуры железобетонных конструкций ванношлаковым способом. Для этой цели используют электрододержатели, рассчитанные на электроды большого сечения и на большие токи.

Рис. 2. Аппарат безрельсового типа для электрошлаковой сварки проволочным электродом:
1 - сварочная головка, 2 - кривошипно - шатунный механизм, 3 - направляющие, 4 - передняя тележка, 5 - пульт управления, 6 - задняя тележка, 7 - тяга, 8 - толкающая планка, 9 - мундштук, 10 - прижим ползунов, 11 - ползуны

Полуавтоматы для сварки с принудительным формированием шва отличаются от полуавтоматов, рассмотренных в гл. III, количеством механизированных операций. При электрошлаковой сварке вертикальных швов возможно ручное прижатие формирующих устройств к кромкам изделия и даже ручное удержание горелки на вертикальной плоскости изделия. На рис. 3 показаны схемы полуавтоматов разных групп.

Полуавтоматы группы I, где все операции, кроме подачи проволоки, выполняются вручную, просты, но работа с ними  сравнительно быстро утомляет сварщика. Лучше условия работы с полуавтоматами группы IV, у которых механизировано подтягивание горелки и ползуна. Однако ручной прижим ползуна также затруднителен. В полуавтоматах группы II формирующий ролик приводится во вращение подаваемой проволокой, но прижим - ручной. Предпочтение заслуживают полуавтоматы группы III, при работе на них сварщик освобожден от прижатия ползуна.

группа		I	II	III	IV
Принципиальная схема полуавтомата
	Вертикальное перемещение	ручн.	механ.	ручн.	механ.
	Прижим ползуна	ручн.	ручн.	механ.	ручн.
	Удержание на вертикальной плоскости	ручн.	ручн.	механ.	механ.
	Подача электрода	механ.	механ.	механ.	механ.

Рис. 3. Схема построения различных групп полуавтоматов для сверки с принудительным формированием

Различные полуавтоматы получили сравнительно небольшое распространение.

Ниже рассмотрены основные элементы конструкции автоматов для электрошлаковой сварки.

↑ наверх

Ходовые механизмы вертикального движения

При сварке в нижнем положении собственный вес автомата обеспечивает необходимое сцепление ведущих бегунков с рельсом или изделием. При сварке вертикальных швов вес автомата противодействует его движению. Поэтому автоматы для электрошлаковой сварки снабжены специальными механизмами, которые удерживают их на вертикальной плоскости и перемещают вдоль шва со скоростью, равной скорости образования шва. Конструкция ходового механизма часто определяет конструкцию аппарата в целом.

Ходовые механизмы должны обеспечивать равномерное перемещение по вертикальной плоскости, точное направление автомата по стыку, возможность регулировки скорости движения на ходу, быструю установку на изделие, безопасность в работе и другие условия.

Рис. 4. Классификация и схемы ходовых механизмов вертикального движения

Основные типы ходовых механизмов показаны на рис. 4. Механизмы рельсового типа чаще всего построены на принципе жесткой связи с рельсом, причем широко применяют реечные механизмы (рис. 4,с), где тележка 1 перемещается по рельсу 2 под действием привода, на выходном валу которого находится ведущее зубчатое колесо, сцепленное с рейкой рельса. Привод реечного механизма относительно прост, обеспечивает равномерное движение, работа его мало зависит от длины шва, а его силовая часть мало изнашивается. Механизмы с жесткой связью могут развить практически любое тяговое усилие и усилие прижатия ползуна.

Из безрельсовых получили . распространение механизмы (рис. 4,в), где связь между тележкой или изделием достигается действием мощной пружины 3, прижимающей к изделию две тележки 4 и 5, расположенные по обе стороны свариваемых листов, или магнитов (рис. 4, г, д, е).

Магнитно - шагающие механизмы (рис. 4, г) имеют два балансира - магнитопровода 6 и 7, связанных между собой эксцентриком 9, при вращении которого магниты поочередно «переступают» в направлении сварки. За один оборот «переступают» оба балансира, а "весь механизм передвигается на величину двойного эксцентриситета - 2 е. Магнитный поток в системе создается катушкой 8.

Ходовые механизмы с магнитным прижимом (рис. 4, е) представляют собой тележку 10 с приводом, на котором помещен сильный электромагнит 11, создающий усилие, необходимое для удержания аппарата на вертикальной плоскости. Этот механизм имеет большой вес и характерен чрезвычайно большой чувствительностью к изменению зазора между магнитом и изделием.

Магнитно - роликовые механизмы (на схеме не показаны) состоят из магнита и стальных приводных роликов, вмонтированных в его полюса и замыкающих магнитный поток на изделие. Вследствие малой плоскости соприкосновения роликов с плоскостью изделия такие механизмы развивают относительно малое усилие сцепления.

Магнитно - гусеничные механизмы (рис. 4, д) удерживаются и перемещаются при помощи башмаков 12 гусениц, намагниченных общей катушкой 13, неподвижно прикрепленной к корпусу тележки.

Общие недостатки магнитных механизмов заключаются в сравнительно малом тяговом усилии, особенно при сварке тонкого металла (вследствие магнитного насыщения), чувствительности к препятствиям, недостаточной безопасности в работе, трудности копирования стыкового соединения.

Сравнение различных типов безрельсовых ходовых механизмов вертикального движения позволяет, по - видимому, отдать предпочтение ходовым механизмам с пружинным сцеплением и двусторонним расположением тележек и удерживающих ползунов (см. рис. 2). Они обеспечивают надежное копирование стыковых швов, преимущественно выполняемых электрошлаковой сваркой, и удержание аппарата на вертикальной плоскости.

Привод ходового механизма вертикального движения должен обеспечивать перемещение аппарата со скоростью, равной скорости образования шва. Скорость вертикального движения не является самостоятельным параметром режима сварки, а зависит от площади сечения электрода Fэ, скорости его подачи Vэ и от площади - сечения зазора между кромками Fш:

Vсв×Fш=Fэ×Vэ

В процессе сварки могут возникнуть условия, которые приводят к нарушению указанного равенства, например, изменение величины зазора между кромками из - за низкого качества подготовки и сборки изделия или тепловых деформаций; изменение скорости подачи или сварки из - за неравномерности нагрузки на валах приводных двигателей, колебаний напряжения сети или изменения вылета электрода.

Ручное регулирование не гарантирует высокого качества сварного соединения, хотя медленное нарастание отклонений режима сварки позволяет сварщику вмешиваться в ход процесса. Автоматическое же регулирование скорости вертикального движения затруднено отсутствием простых и надежных способов определения уровня металлической ванны, так как она покрыта слоем расплавленного шлака.

Регулирование уровня металлической ванны по электрическим параметрам режима сварки Um и Iш практически не применяется из - за малой зависимости этих параметров от положения ванны. Для получения непосредственной информации о положении ванны могут быть использованы:

а) дифференциальные термопары (рис. 5), впаянные в ползун, образуют две встречно - включенные пары: константам - медь и медь - константан. Один спай располагается выше требуемого уровня металлической ванны, другой - ниже. Результирующая э. д. с. пропорциональна разности температуры в местах спая и равна нулю. Когда уровень металлической ванны находится между точками припайки термопар, колебания уровня нарушают баланс э. д. с. и выдают сигнал исполнительному механизму на повышение или понижение скорости движения.

Регуляторы такого типа не получили большого распространения из - за чувствительности к степени охлаждения ползуна, расстоянию между электродом и ползуном и толщине шлаковой корки, а также из - за невозможности их применения при сварке с колебанием электродов;

Рис. 5. Датчик регулятора уровня металлической ванны со встроенными термопарами:
а - схема процесса, б - распределение температуры в ползуне (1) и в основном металле (2)

Рис. 6. Датчик регулятора уровня металлической ванны, основанный на измерении электрической проводимости шлака

б) радиоактивные изотопы. Перед одним из ползунов размещен контейнер с излучателем (например, изотоп кобальта Со⁶⁰), а на другом, противоположном, ползуне помещена счетная трубка (регистратор). Действие датчика основано на разнице в коэффициентах поглощения гамма - излучения расплавленными шлаком и металлом. Несмотря на достоинства регулятора такого типа (отсутствие контакта с ванной, высокая точность и др.), он не нашел применения ввиду недостаточной безопасности и значительной сложности;

в) электрические щупы, встроенные в ползун (рис. 6). Этот способ основан на измерении падения напряжения ∆U в расплавленном шлаке между щупом и металлической ванной. Щуп Щ питается от вторичной обмотки сварочного трансформатора ТрС, через дроссель Др и выключатель Вк. Падение напряжения в шлаке между щупом и металлической ванной пропорционально расстоянию между ними. Снимаемое со щупа напряжение через лампу Л, повышающий трансформатор ТП2 и выпрямитель В2 подается на сопротивление Rд.

Обмотка ОВГ_Д электромагнитного усилителя ЭМУ включена на разность двух напряжений: с потенциометра R с питанием от трансформатора ТП₁ через выпрямитель В₁ и сопротивление Rд. Выпрямитель В₅ обеспечивает: протекание тока через обмотку ОВГ_Д в случае, если напряжение, снимаемое с потенциометра, R>Rд, и отсутствие тока в обмотке ОВГ_Д, если Rд>R.

При малом расстоянии между щупом и металлической ванной падение напряжения на щупе незначительно, вследствие чего через обмотку ОВГ_Д протекает ток, что вызовет движение аппарата вверх. С увеличением падения напряжения скорость перемещения аппарата уменьшается, вплоть до его остановки. Аналогичная система может быть основана на измерении падения напряжения в застывающей корке шлака ниже металлической ванны;

г) индуктивные бесконтактные датчики (рис. 7). Датчик, встроенный в формирующий ползун, состоит из Ш - образного сердечника с двумя рабочими {w₁ и w₂) и одной измерительной (w₃) обмотками. Рабочие обмотки создают в среднем стержне встречные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ - При равенстве этих потоков э. д. с., индуктируемая в обмотке w₃, равна нулю. Если на пути этих потоков поместить электропроводное тело (расплавленный металл), то в нем наводятся вихревые токи, уменьшающие потоки Ф₁ и Ф₂, вследствие чего в обмотке w₃ индуктируется э. д. с, являющаяся сигналом исполнительному механизму.

Автоматические регуляторы уровня шлаковой ванны применяют для удобства наблюдения за уровня шлаковой ванны применяют для удобства наблюдения за уровнем поверхности шлака. Чаще всего это встроенные в ползун электрические щупы по типу щупа, показанного на рис. 6. При понижении уровня шлаковой ванны, контакт между шлаком и щупом нарушается, что служит сигналом для подачи в ванну очередной порции флюса.

Для регулирования высоты шлаковой ванны применяются щупы, расположенные над ванной, и др. Такие регуляторы могут работать только в сочетании с регуляторами уровня металлической ванны.

↑ наверх

Сварочные головки для электрошлаковой сварки

По конструкции головки для сварки проволочным электродом такие же, как при дуговой сварке (роликовые механизмы подачи, система привода и т, п.), за исключением токоподводящих мундштуков, вводимых в зазор между кромками и обеспечивающих вертикальное положение электрода относительно поверхности ванны (см, рис. 1).

Рис. 7. Индуктивный датчик регулятора уровня металлической ванны

Рис. 8. Схемы мундштуков для электрошлаковой сварки:
1 - направляющая трубка, 2 - гибочное устройство и токоподвод, 3 - токоподводящая трубка, 4 - гибочные ролики, 5 - токоподвод

 Мундштук должен обеспечить направление электрода при достаточно большом вылете и должен быть, "о возможности, расположен вне зазора между кромками для того, чтобы можно было уменьшить этот зазор. Величина зазора между кромками и производительность сварки находятся в обратной зависимости.

Схемы наиболее распространенных мундштуков приведены на рис. 8. Мундштуки обычно содержат направляющую трубку 1, гибочное устройство и токопровод 2. В трубчатом мундштуке 3 (рис. 8, б) все три элемента объединены. Мундштуки, изображенные га рис. 4, а, б, расположены вне зазора между кромками. Правильно - гибочный мундштук (рис.8,6), состоящий из пяти роликов 1 и токоподвода 5, предназначен для подачи в за юр проволоки большого диаметра.

Отклонение электрода от заданного положения может привести к непровару одной из кромок, искажению формы шва или к прожогу формирующих приспособлений. Поэтому, как правило, мундштуки снабжены корректировочными приспособлениями, которыми можно изменять даже во время сварки направление электродной проволоки.

Приводные механизмы подачи проволочных электродов обычно снабжены двигателями постоянного тока с регулируемым числом оборотов. Это позволяет регулировать величину тока и проводимость шлаковой ванны и облегчает ее разведение в начале сварки. Начало процесса, переход, дугового процесса в шлаковый и прогрев кромок для получения хорошего провара лучше происходит при малой скорости подачи электрода. В связи с интенсивным процессом регулирования скорости плавления электрода, головки для электрошлаковой сварки имеют постоянную скорость подачи электрода, независимую от напряжения дуги. Настройка скорости производится теми же способами, что н при дуговой сварке. Это относится также к механизмам, предназначенным для подачи как проволочных, так ленточных и пластинчатых электродов.

Рельсовые механизмы подачи имеют электрододержатель 2 (рис. 9) для одного или нескольких электродов 3 и механизм для перемещения зажима вдоль рельсового пути 4, расположенного рядом со швом. Такой привод может быть винтовым 1, реечным и т. д.

Рис. 129. Аппарат А - 550У для сварки пластинчатыми электродами:
1 - ходовой винт, 2 - электрододержатель, 3 - электрод, 4 - рельс

При сварке пластинами могут применяться механизмы подачи, в которых производится стыковка пластин в процессе работы.

↑ наверх

Механизмы возвратно - поступательного перемещения (колебания) электродов

Для равномерного проплавления кромок свариваемых изделий большой толщины служит механизм колебания одного или нескольких электродов в направлении толщины свариваемого металла (вдоль зеркала ванны). Этот механизм имеет параметры; скорость колебания и характер ее изменения за один цикл, размах колебаний и размещение крайних точек относительно поверхности кромок и длительность остановки электродов у ползунов. Применяются механизмы с постоянной скоростью перемещения электрода в зазоре и с остановкой в крайних точках перемещения, т, е. у ползунов, и механизмы с равномерно изменяющейся скоростью движения электрода (например, по синусоиде). Первые содержат,

Рис. 10. Схема механизма колебательного движения электрода вдоль зеркала сварочной ванны с постоянной скоростью:
1 - двигатель, 2 - редуктор, 3 - ходовой винт, 4 - головка, 5 - суппорт, 6 - штанга 7 - ползунки, 8 - упорные винты, 9 - плавающий винт, 10 - упор, 11 - переключатели 12 - рычаг, 13 - переключатель, 14 - сигнальная лампа, 15 - аварийный выключатель, 16 - пружина

как правило, винтовой или какой - либо иной привод и концевые выключатели, реверсирующие приводной двигатель. В механизме, показанном на рис. 10, при вращении ходового винта 3 перемещается головка 4 со штангой 6, которая через плавающий винт 9 воздействует на один из переключателей 11 в цепи двигателя 1. Величина размаха колебания электродов настраивается установкой ползунков 7 с упорными винтами 8, а положение крайних точек колебания относительно поверхности изделия упором 10 на плавающем винте 9. Для повышения надежности схемы предусмотрен аварийный выключатель 15, Время остановки электрода у ползуна задается при помощи реле времени.

Механизмы с переменной скоростью колебания электрода (минимальной у ползунов и максимальной в средней части зазора) могут перемещать всю головку или только мундштук с электродом.

На рис. 11 показана схема механизма первого типа, где исполнительным органом служит кривошипно - шатунный механизм с регулируемыми плечом е кривошипа 2 и длиной т шатуна 1. Это позволяет изменять размах колебания электрода и размещение крайних точек относительно изделия. В механизме с подвижным мундштуком колебание проволоки достигается за счет ее перегиба контактом 2 (см. рис. 8) под действием кривошипно - шатунного механизма.

Рис. 11. Схема механизма колебательного движения электрода с переменной скоростью:
1 - шатун, 2 - кривошип, 3 - фрикцион, 4 - редуктор, 5 - привод головки, 6 - мундштук

В связи с тем, что в процессе работы таких механизмов приводной двигатель не реверсируется, можно осуществить колебание от любого непрерывно работающего двигателя сварочного автомата (например, двигателя подачи проволоки), что позволяет значительно упростить схему автомата.

Механизмы с постоянной скоростью перемещения применяют, главным образом, в автоматах тяжелого типа для сварки изделий большой толщины, механизмы второго типа - в легких автоматах для сварки металла относительно небольшой толщины.

↑ наверх

Формирующие ползуны

Для удержания шлаковой и металлической ванны до затвердевания сварочные автоматы снабжены формирующими ползунами, представляющими собой медные охлаждаемые водой пластины, передвигающиеся вдоль изделия по мере образования шва. Применяются также, например, при сварке алюминия графитовые и стальные ползуны.

Ползун предназначен для надежного удержания сварочной ванны, поэтому его размеры, конфигурацию и интенсивность охлаждения выбирают в зависимости от типа шва, состояния кромок, качества сборки и теплосодержания ванны. Различные типы формирующих ползунов показаны на рис. 12. Для дуговой сварки тонкого металла и при хорошем качестве сборки стыка используют жесткие ползуны (рис. 12,а). При перекосе кромок или при превышении одной кромки над другой предпочтительны гибкие ползуны (шарнирные, рис, 12,6, составные, рис. 12, г или надрезные, рис. 12,в), где имеется независимый прижим к каждой из кромок. Существуют ползуны для нахлесточных швов или для формирования наплавленного слоя (рис, 12, з).

Рис. 12. Подвижные и неподвижные формирующие устройства для электрошлаковой сварки (ползуны):
а - жесткий, б - шарнирный, в - надрезной, г - составной, д - для угловых соединений, е, ж - гибкие подкладки, з, и - для наплавленного слоя

Трудности формирования угловых и тавровых швов связаны с тем, что ползун должен прижиматься к обеим стенкам, образующим угловые соединения; здесь могут быть использованы жесткие ползуны (рис. 12, д) или ползуны, имеющие гибкий элемент.

↑ наверх

1. Полуавтоматы для шлаковой сварки проволочными электродами

2. Автоматы для шлаковой сварки проволочными электродами

3. Автоматы для сварки электродами большого сечения