ГОРЕЛКА ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ
BURNER FOR SHIELDED ARC WELDING

Горелка относится к средствам технологической оснастки, обеспечивающей дуговую сварку в защитных газах в узкой разделке с отношением глубины к ширине 20:1 и более, и может быть использована в отраслях промышленности, где производят изделия, содержащие толстолистовые сварные конструкции, - машиностроении тяжелом, среднем, транспортном, судостроении, военно-промышленном комплексе и др.
В настоящий момент дуговая сварка в защитных газах по глубоким узким разделкам выполняется двумя способами. По первому способу в узкую разделку вводят неплавящийся вольфрамовый электрод или водоохлаждаемый мундштук, по которому к дуге подается проволока - плавящийся электрод. Над узкой разделкой располагается сопло горелки, из которого в разделку втекает струя защитного газа, обеспечивающего газовую защиту. Достоинством этого способа является надежность подобных горелок и большой ресурс времени их эксплуатации. Недостаток - глубина узкой разделки, при которой обеспечивается газовая защита, т.е возможна сварка, ограничена величиной 80-100 мм.
По второму способу водоохлаждаемый мундштук, вводящийся в разделку, оканчивается соплом, через которое подается защитный газ, обеспечивающий защиту зоны сварки. Достоинством данных горелок является неограниченная глубина разделки, при которой возможна сварка. Недостатком способа является ненадежность горелок в процессе эксплуатации и незначительный ресурс рабочего времени. На этот факт указывают почти все литературные источники. Именно это и ограничивает применение данного способа сварки.
2
Известна принятая во внимание горелка (авторское свидетельство СССР №614914, М. кл. В23К 9/16), которая в процессе дуговой сварки располагается над кромками глубокой узкой разделки, а защитная струя, вытекающая из нее, обеспечивает защиту сварочной ванны и остывающей части шва на дне разделки. Она содержит корпус с укрепленным на нем конфузорным соплом, укрепленный в корпусе неплавящийся электрод и установленный между корпусом и соплом пакет мелкоячеистых непрозрачных в свету сеток. Проход неплавящегося электрода из корпуса в сопло осуществляется через втулку, герметично укрепленную на сетках в центре пакета. Для вырождения турбулентности, образующейся на углу сочетания горизонтальных и вертикальных кромок разделки в сопле, укреплены две параллельные пластины, расположенные по разные стороны от оси горелки и выходящие за пределы нижнего среза сопла, при этом длина пластин больше диаметра сопла.
Недостаток аналогов: ограниченная протяженность защитной струи в узких глубоких разделках, вследствие чего ограниченные возможности сварки разделок глубиной до 80-100 мм.
Известна горелка (SU 1669658 A1, B23K 9/16, 15.08.1991), принятая за прототип, включающая корпус горелки, сопло цилиндрическое или конфузорное, мундштук для подачи в дугу плавящегося электрода и расположенный между корпусом и соплом пакет сеток, состоящий из двух сеток. Этой горелке в сочетании со способом дуговой сварки по щелевому зазору (авторское свидетельство СССР №477798, М. кл. В23K 9/16) возможно выполнение сварки в среде защитных газов по глубоким узким разделкам на глубину до 100 мм, что подтверждается данными работы [1]. Недостаток прототипа: небольшая протяженность защитной струи в узкой глубокой разделке.
Техническим результатом является устранение указанного недостатка прототипа, т.е. увеличение протяженности защитных струй при сварке по глубоким узким разделкам при тех же габаритах самих горелок, располагающихся над кромками разделок. Технический результат достигается тем, что втулка, предназначенная для прохода через пакет сеток неплавящегося электрода или мундштука плавящегося электрода, выполнена со стороны корпуса в виде стакана, являющегося частью втулки, в который установлены чередующиеся между собой плоские кольца, имеющие в сечении форму прямоугольника, диаметры которых одинаковы снаружи и неодинаковы внутри. Подобные устройства называются лабиринтным уплотнением и широко применяются в турбиностроении для гашения скорости вытекания газа из корпуса турбин.
Предлагаемая горелка, содержащая пакет сеток, устанавливаемых во входном сечении сопла с втулкой, выполненной в виде стакана, в который устанавливаются уплотнительные вещества, поясняется чертежами, где на фигуре 1 приводится продольный разрез общего вида горелки, на фигурах 2, 3, 4 приводятся разные виды уплотнения зазора между электродом или мундштуком и стаканом втулки.
Заявленная горелка для дуговой сварки в среде защитных газов содержит: 1 - корпус; 2 - сопло; 3 - неплавящийся электрод; 4 - пакет сеток; 5 - втулку со стаканом 8 для прохождения через пакет сеток неплавящегося электрода или мундштука; 6 - зазор между втулкой и электродом; 7 - сетки; 8 - стакан к втулке 5; 9 - кольца разного внутреннего диаметра и толщины; 10 - мягкие полиамиды или полиимиды; 11 - дробь или стружку.
Физическая сущность вопроса состоит в том, что диаметр отверстия втулки всегда выполняют на 0.2-0.4 мм больше, чем диаметр входящего в него неплавящегося электрода или мундштука плавящегося электрода. Этот зазор необходим как для вертикального перемещения неплавящегося электрода или мундштука плавящегося электрода в процессе заполнения разделки, так и для возможности теплового расширения электрода без прилипания к стенкам втулки или возможности удаления мундштука при его периодической зачистке или замене (см. фигура 1 узел А). Из-за разности аэродинамических сопротивлений скорость перемещения газа через зазор между втулкой и мундштуком значительно выше скорости перемещения газа через пакет сеток. Поэтому в окрестности электрода после втулки со стороны сопла образуется значительный перепад скоростей, приводящий к образованию области возмущений. Эта область, перемещаясь вниз по потоку вместе с ядром защитной струи, постепенно увеличивается в поперечных размерах и на расстоянии ≈1.5 Д (Д - диаметр среза выходного отверстия сопла) оси его среза происходит смешение этого возмущения с пограничным слоем края струи, из-за чего, начиная с этого расстояния, все ядро струи содержит воздух, находящийся в газе пограничного слоя края струи. Это приводит к нарушению газовой защиты. При разогреве неплавящегося электрода это явление перестает оказывать влияние на результат опыта, т.к. сопротивление в зазоре резко возрастет. Однако в изотермических условиях подобное явление отмечалось давно, и поэтому зазор между втулкой и электродом при исследовании газовой защиты в условиях повышенных вылетов электрода всегда герметизировался металлической фольгой (от конфет и сигарет).
В начальной стадии исследований газовой защиты в глубоких узких разделках этого эффекта не учли, и поэтому в разработке [1] появились заниженные результаты.
При повторении этих опытов сейчас герметизировался зазор во втулке и результаты выросли в 2 раза и более.
В условиях промышленной эксплуатации горелок герметизация зазора между втулкой и неплавящимся электродом или мундштуком плавящегося электрода может выполняться следующими приемами:
1. При наличии разогревающихся до высоких температур электродов необходимо использовать лабиринтное уплотнение со следующими параметрами: минимальное количество канавок - 7; максимальное отношение ширины канавки к ее глубине соответствует 1:4; максимальный зазор между поверхностью внутреннего диаметра кольца или втулки и поверхностью электрода или мундштука составляет 0.15 мм (данные об исследованиях параметров лабиринтных уплотнений приведены в работе [2], см. фигуру 2).
2. При наличии водоохлаждаемого мундштука в стакан втулки упаковывается полиимид или полиамид в виде ваты, волокна, с температурой начала распада от 300°С и более (см. фигуру 3).
3. При наличии неохлаждаемого мундштука стакан на втулке может быть заполнен нержавеющей дробью или стружкой, размеры гранул которых больше ширины зазора между стенками втулки и электродом или мундштуком (см. фигуру 4).
Список используемых работ
1. Федоренко Г.А., Бурашенко И.А., Ардентов В.В., Грищенко Л.В. О закономерностях газовой защиты без разделки кромок со щелевым зазором. «Сварочное производство», №5, ст.10-12, 1978 год.
2. Федоренко Г.А., Ардентов В.В., Кудояров Б.В. Особенности работ устройств, обеспечивающих местную газовую защиту при сварке. «Автоматическая сварка», №4, ст.64-67, 1980 год.