СВАРОЧНАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ СО ВСТРОЕННОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧЕЙ ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ

Полезная модель направлена на усовершенствование сварочной горелки в составе оборудования для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертного защитного газа, например аргона.
Технологии соединения деталей металлических изделий сваркой глубоко разработаны и постоянно совершенствуются по мере возникновения новых требований различных отраслей промышленности (Овчинников В.В., Справочник сварщика. М., КноРус, 2013, 272 с.).
Широкое распространение получила сварка плавящимся электродом в среде газа под международным термином MIG/MAG сварка. В качестве электрода выступает сварочная проволока диаметром от 0,6 до 4 мм сматываемая с бобины специального механизма подачи сварочной проволоки, или с катушки компактно встроенной в сварочную горелку. Дуга и сварочная ванна защищаются от воздействия атмосферного воздуха потоком инертного (MIG) или активного (MAG) газа. Последний помимо защиты соединения участвует в формировании сварочного шва как химически активный элемент технологического процесса. Этот вид сварки также называется полуавтоматической сваркой. Наравне с вышеуказанной, широко используется ручная дуговая сварка неплавящимся электродом, чаще всего вольфрамовым, в среде аргона. В международной терминологии этот вид сварки обозначается как TIG/WIG сварка, в России закрепилось название «аргонодуговая сварка» или АДС. Вольфрамовый электрод в процессе сварки практически не расходуется; дуга горит между электродом и свариваемой деталью, а металл в виде присадочного прутка подается в сварочную ванну вручную или автоматически, специальным, отдельно стоящим массивным блочным устройством подачи присадочной проволоки. Дуга, сварочная ванна и электрод защищены путем подачи из сопла горелки в зону сварки аргона, хранящегося под давлением в отдельно стоящем баллоне. Применение того или иного вида сварки зависит от ответственности требований к точности и качеству шва для конкретных конструкций из определенных материалов. Руководящими документами (РД) таких отраслей промышленности как, аэрокосмическая, химическая, нефтегазовая, нефтегазоперерабатывающая и ряд других, предписано использование АДС для сварки особо ответственных конструкций, технологической обвязки, сосудов высокого давления и т.д. по следующим преимуществам TIG сварки перед MIG/MAG сваркой: низкое тепловложение в зоне сварки, без перегрева соседних областей соединяемых деталей; отличные характеристики металла шва; отсутствие коробления и деформаций; возможность соединения деталей из тонколистовых материалов; возможность сварки всех видов сплавов из цветных металлов; возможность сварки корня шва; отличный внешний вид соединительного шва, практически не требующий дополнительной обработки; отсутствие брызг металла в зоне плавления.
С целью расширения рынка сбыта продукции, большинство отечественных и зарубежных производителей (LORCH, EWM. Migatronic и др.) идут по пути универсализации своих сварочных постов аргонодуговой сварки, комплектуя массивным крупногабаритным оборудованием соответствующим всему диапазону рабочих сварочных токов от 10 до 600А и диаметров присадочной проволоки от 0,6 до 4.0 мм, которая подается в сварочную ванну как в ручном режиме, так и автоматическом на расстоянии до 3 м от массивного внешнего устройства подачи массой до 30 кг, укомплектованного 15-ти килограммовой бобиной присадочной проволоки. При этом не учитывается специфика сложности условий и дальности от поста до места производства монтажных сварочных работ, диапазон сварочных токов, соответствующий толщинам и маркам свариваемых деталей, равномерность, а порой и невозможность, подачи тонкой и мягкой присадочной проволоки цветных металлов при многократных перегибах канала подачи до места сварки. Так сварка алюминия осуществляется в диапазоне сварочных токов от 50 до 100А с диаметром мягкой алюминиевой присадочной проволоки 0,6-0,8 мм и требуется полное переформатирование комплекта оборудования особенно в сложных условиях производства работ.
Существенными недостатками предлагаемых производителями комплектов оборудования являются его высокая стоимость, большие массогабаритные параметры оборудования, которые не позволяют вести работы аргонодуговой сваркой по месту монтажа технологического оборудования, например, на высоте, в затесненных пространствах, технологической обвязки трубопроводов и запорно-крановых устройств, внутри и снаружи фюзеляжей самолетов, судов, различных емкостей, резервуаров и т.п.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является существенное уменьшение массогабаритных размеров комплекта оборудования для аргонодуговой сварки в диапазоне рабочих токов 10÷250А, путем исключения отдельно стоящего блока подачи присадочной проволоки и создания сварочной горелки со встроенной катушкой присадочной проволоки и механизмом ее автоматической равномерной подачи в сварочную ванну. Известна горелка для MIG/MAG сварки марки QLBF-200 SPOOL WIRE GUN (http://weldingtoolsmaker.ru/2-1-wire-welding-spool-gun.html), предназначенной в основном для сварки алюминия с использованием алюминиевой сварочной проволоки диаметром 0,6÷0,8 мм в качестве плавящегося электрода. Из-за мягкости тонкой алюминиевой проволоки малого диаметра, а также других цветных металлов, плавное прохождение сварочного электрода по упругому стальному спиральному каналу на расстояние более трех метров от внешнего блочного устройства механизма подачи весьма затруднено, особенно в сложных условиях проведения сварочных работ по месту проведения монтажа технологического оборудования, связанного с многочисленными перегибами спирали. Для решения этой задачи эргономический корпус горелки пистолетного типа имеет встроенный бокс для размещения катушки сварочной проволоки, автономный электроприводной механизм ее подачи в сварочную ванну. Горелка может использоваться для сварки с проволокой из стали и порошковой проволокой диаметром до 1 мм. Недостатком горелки является невозможность ее использования для проведения аргонодуговой сварки неплавящимся электродом.
Известна группа сварочных аргонодуговых горелок с ручной подачей присадочного прутка, марки типа ABITIG GRIP 26 (http://www.binzel-abicor.com/RU/rus/products/wig-tig/abitig-grip-9-26/). В эргономичном корпусе горелки, выполненной в виде ручки-держака, жестко закреплен цанговым зажимом и съемным тыльным колпачком (электродным щитком) неплавящийся вольфрамовый электрод с токосъемным наконечником, а также резьбовым соединением зафиксировано керамическое сопло для подачи ламинарного потока защитного газа - аргона в сварочную зону. Выступающий за корпус горелки тыльный колпачок достаточно длинный, чтобы вместить в себя всю длину электрода. Для работы в затесненных условиях монтажа горелки снабжаются короткими электродами и, соответственно, комплектуются короткими колпачками. В рукоятку горелки встроена кнопка управления включения и выключения тока сварки и защитного газа. Горелка может быть оборудована быстромонтируемым блоком дистанционного управления режимами сварки, в частности током сварки, а также другими функциями управления и контроля. В зависимости от величины рабочего тока присадочная проволока определенного диаметра вручную подается в сварочную ванну в виде прутков. Горелка имеет универсальный евроразъем для подключения эластичного шлангового рукава, в котором находятся сварочный кабель, газовый шланг, провода управления и контроля режимами сварки.
Известна малогабаритная горелка для дуговой сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа (патент РФ 2358846, 06.12.2007, С1, МПК В23К 9/167), предназначенная для использования в труднодоступных местах в основном при изготовлении аэрокосмических изделий из алюминия, в которой корпус горелки образован кольцевой петлей трубки охлаждающей воды, на нижней стороне этого участка трубки закреплена втулка с соединенными с ней цангой и соплом, а на верхней стороне установлена заглушка. За счет принудительного водяного охлаждения горелки техническое решение позволяет проводить длительные сварочные работы в стесненных условиях монтажа в широком диапазоне сварочных рабочих токов.
К общим недостаткам указанных конструкций горелок с ручной подачей присадочной проволоки относятся: низкая производительность труда сварщика за счет обеспечения возможности только ручной подачи, высокие требования к его квалификации и высокая трудоемкость процесса ручной аргонодуговой сварки.
Известна сварочная аргонодуговая горелка со специальным приспособлением для автоматической подачи присадочной проволоки, марки WWT 45 SC-UD-KD (каталог компании KEMPPI на русском языке, Горелки для сварки TIG, с.39, 2016. http://www.kemppi.com/ru/»), фиг. 3, принятая за прототип, которая наиболее подходит к аналогичной конструкции горелки для ручной аргонодуговой сварки. Горелка дополнительно оборудована наконечником подачи присадочной проволоки в сварочную ванну, которая закреплена кронштейном к головке горелки, позволяющим регулировать угол наклона наконечника для улучшения обзора работником зоны сварочного шва. Сварочный пост дополнительно комплектуется отдельным блочным устройством автоматической подачи присадочной проволоки, массой до 35 кг, в том числе бобиной присадочной проволоки ∅0,6÷4,0 мм массой до 15 кг или встраивается в блок питания. Проволока подается от внешнего устройства на наконечник горелки по каналу длиной 4 м, выполненному в форме спирали из пружинной стали, имеющей внутреннее покрытие материалом с низким коэффициентом трения, например тефлона, что позволяет обеспечить минимальную деформацию проволоки и свободный ход во время движения ее по каналу подачи к горелке и наконечнику. Горелка оборудована дополнительным разъемом для механического крепления спирали подачи, схемой дистанционной регулировки скоростью подачи проволоки и соединительной линией управления механизмом подачи от внешнего устройства.
К недостаткам устройства относятся - сложность размещения массогабаритного блока подачи присадочной проволоки на расстоянии не более 4 метров от места проведения сварочных работ и обеспечение равномерной скорости ее подачи в сварочную ванну в труднодоступных условиях монтажа, связанных с многократными перегибами канала подачи.
Целью изобретения, является повышение эксплуатационных параметров сварочной горелки для аргонодуговой сварки при автоматической подаче в сварочную ванну тонкой присадочной проволоки диаметром 0,6÷1,0 мм, прежде всего из мягких цветных металлов, позволяющих вести сварочные работы в затесненных условиях и на высоте.
Поставленная цель достигается тем, что в корпус горелки для аргонодуговой сварки, дополнительно встроен блок автоматической подачи присадочной проволоки.
Техническим результатом предлагаемого решения, является увеличение производительности труда сварщика за счет расширения эксплуатационных возможностей горелки при проведении аргонодуговой сварки в затесненных условиях рабочего пространства и на высоте, при соблюдении технических требований к точности и качеству соединительного шва для конкретных конструкций из цветных металлов, нержавеющих и черных сталей.
Указанный технический результат по заявляемому объекту - полезная модель достигается тем, что в сварочной горелке для аргонодуговой сварки с внешней автоматической подачей присадочной проволоки в сварочную ванну, содержащей эргономический корпус в форме ручки-держака со съемным электродным щитком (колпачком) и сварочной головки, состоящей из сопла, зажимной цанги, неплавящегося электрода, изолятора, токосъемного трубчатого наконечника, расположенного внутри газопроводной трубки, которые взаимно зафиксированы между собой цангодержателем и резьбовым переходником, канала подачи присадочной проволоки от внешнего устройства в виде стальной спирали с внутренним тефлоновым покрытием, сопряженного с наконечником, закрепленным на сварочной головке поворотным кронштейном, корпус оборудован переключателем управления и контроля режимами сварки, схемой дистанционного управления скоростью подачи присадочной проволоки от внешнего устройства, разъемом и переходником для подключения силового сварочного кабеля, внешних соединительных линий управления/контроля и магистрали инертного газа, объединенных в едином гибком рукаве, особенностью является то, что в корпус горелки, измененный на форму пистолетного типа, дополнительно встроен блок подачи присадочной проволоки, состоящий из бокса со свободно вращающейся осью для установки и фиксации на ней катушки присадочной проволоки диаметром 0,6÷1,0 мм и массой до 1 кг из алюминия и до 1,5 кг из нержавеющей стали, тянуще-толкающего роликового механизма, состоящего из прижимного ролика и подающего, с регулируемым по скорости электроприводом, регулятора усилия прижимного ролика и кнопки регулятора электропривода по управлению скоростью подачи, расположенной непосредственно на поверхности корпуса.
Полезная модель поясняется иллюстрационными материалами: на фиг. 1 представлен чертеж вида сбоку горелки в собранном виде в разрезе со встроенной катушкой присадочной проволоки, электроприводным механизмом ее подачи в сварочную ванну и деталировочный чертеж электродной головки; на фиг. 2 представлен чертеж разреза вида сверху снаряженной горелки, на котором показан тракт подачи присадочной проволоки с катушки на наконечник роликовым механизмом; на фиг. 3 представлена фотография горелки - прототипа в собранном виде; на фиг. 4 представлена фотография встроенной катушки присадочной проволоки в боксе корпуса и роликовый механизм ее подачи в действующем опытном образце горелки; на фиг. 4 представлена фотография действующего опытного образца горелки в собранном виде, в которой в качестве комплектующей детали использован корпус сварочной горелки для MIG/MAG сварки марки QLBF-200 SPOOL WIRE GUN.
Предлагаемая горелка для аргонодуговой сварки со встроенной автоматической подачей присадочной проволоки содержит пластмассовый эргономической противоскользящей корпус 1 с рукояткой пистолетного типа; сварочную электродную головку, закрепленную в корпусе, состоящую из: неплавящегося вольфрамового электрода 2, цанги 3, керамического сопла 4, изолятора 5, токосъемного трубчатого наконечника 8, расположенного внутри газопроводной трубки 9, которые с помощью резьбового соединения взаимно зафиксированы между собой цангодержателем 6, резьбовым переходником 7; блок подачи присадочной проволоки 19 в сварочную ванну, состоящий из бокса 10 со свободно вращающейся осью и гайкой 11, для установки и фиксации на ней катушки присадочной проволоки 12, мотора редуктора постоянного тока 13, тянуще-толкающего роликового механизма подачи присадочной проволоки 19, выполненного из прижимного 14 и подающего 15 роликов, регулятора 26 усилия прижимного ролика 14, тефлонового канала 16 сопряженного с наконечником 17, закрепленного на электродном устройстве поворотным кронштейном 18, для регулировки угла наклона наконечника подачи присадочной проволоки 19. Внутри рукоятки пистолетного типа, расположенной на корпусе 1 находится силовая клемма 20, для подключения сварочного кабеля, соединительные линии управления и контроля режима сварки 21, а также переходник для присоединения внутренней трубки подачи защитного газа 23, которые через разъем (на фиг. 1 не показан) и внешние соединительные линии, объединенные в едином гибком рукаве 22 подключаются к источнику питания и внешней газовой магистрали. В ручке корпуса 1 расположен переключатель куркового типа 24, позволяющий включать-выключать подачу сварочного тока, защитного газа и присадочной проволоки. Скорость подачи присадочной проволоки задается кнопкой регулятора скорости 25, расположенным на боковой поверхности корпуса 1.
Работа устройства, снаряженной горелки для выполнения сварочных работ аргонодуговой сваркой, осуществляется следующим образом. Подключаем сварочную горелку через разъем (на фиг. 1 не показан) к сварочному кабелю источника питания, к линиям управления и контроля сварочного процесса, к внешней магистрали защитного газа, объединенных в гибком шланговом рукаве 22. В зависимости от вида сварочных работ, марки и толщины свариваемого материала устанавливаем на внешнем источнике питания диапазон рабочих токов от 10 до 250 А и давление аргона. В зависимости от выбранного сварочного тока и положения шва кнопкой потенциометра 25 выставляем скорость подачи присадочной проволоки и кронштейном 18 - угол наклона наконечника 17 в положение, позволяющее одновременно организовать сварщику удобный обзор вольфрамового электрода 2, присадочной проволоки 19 и сварочной ванны. Для определенного диаметра и материала присадочной проволоки контролируем равномерность скорости подачи присадочной проволоки путем изменения усилия прижимного ролика регулятором 26.
Сварочный процесс начинаем с нажатия переключателя 24 в положение «Вкл» и в процессе всего текущего цикла сварки удерживаем его этом фиксированном состоянии. Между электродом 2 и свариваемым металлом происходит бесконтактное высокочастотное возбуждение дуги с одновременной подачей аргона по внутренней магистрали, через сопло 4, и присадочной проволоки на наконечник 17 в зону сварки. В положении переключателя 24 «Вкл» происходит подача напряжения питания на двигатель постоянного тока 13 электропривода, вращательное движение которого передается на ось подающего ролика 15. За счет прижимного усилия свободно вращающегося ролика 14 роликовый механизм обеспечивает тянущее усилие с катушки 12 и толкающее в тефлоновый канал 16 для плавного движения присадочной проволоки через наконечник 17 в зону сварки с изначально заданной скоростью регулятором 25. В процессе работы по мере необходимости, например, при переходе на тонкостенную деталь свариваемого изделия или сварке корня шва, ручкой потенциометром 25 регулируем скорость вращения электродвигателя, и, как следствие подающего ролика 15, тем самым плавно меняем скорость подачи присадочной проволоки. По окончанию цикла сварки переключатель 24 отпускаем в положение «Выкл», при этом выключается питание электропривода и подача проволоки прекращается. Одновременно на ниспадающем сварочном токе проводим заварку кратера в финишной точке шва, после чего сварочный ток и подача аргона прекращается.
На фиг. 5 приведена фотография изготовленного автором действующего опытного промышленного образца сварочной горелки для аргонодуговой сварки с автоматической подачей присадочной проволоки в сборе. На фиг. 4 показана катушка, расположенная во встроенном боксе корпуса горелки пистолетного типа, и роликовый механизм, состоящий из прижимного и подающего роликов и устройства регулирования усилия прижимного ролика; сбоку на корпусе расположена кнопка регулятора скоростью подачи присадочной проволоки. Габаритные размеры горелки в собранном состоянии составляют (длина-высота-ширина) 400 ×265×65 мм, масса горелки без катушки присадочной проволоки - 1,7 кг, масса катушки с алюминиевой проволокой диаметром 0,6÷0,8 мм - 1,0 кг, со стальной проволокой диаметром до 1 мм - 1,5 кг, масса снаряженной горелки с 4-х метровым сварочным кабелем до 4,2 кг. С целью подготовки устройства к производству конструкция изделия максимально возможно адаптировалась для использования всей линейки вольфрамовых электродов, а также для эксплуатации с дополнительным блоком управления и контроля параметров дуги, соединительных рукавов и источников питания большинства известных производителей.
Для сравнения воздействия дополнительной нагрузки на руку сварщика за счет упругих деформаций стальной подающей спирали при сварочных работах в сложных условиях ограниченного пространства рабочего места автором была разработана методика для проведения тестовых динамометрических испытаний воздействия тянущих и сдвиговых нагрузок на рукоятку горелки пистолетного типа. Ручка горелки моделировалась деревянным бруском соответствующих размеров горелки, зажималась тисками между двумя направляющими покрытых поролоновыми прокладками, так чтобы обеспечить степень свободы передвижения по направлению измеряемой силы. Измерительный орган динамометра присоединялся к рукоятке горелки - месту приложения нагрузки на руку сварщика. Конец подающей спирали марки «Канал направляющий 1,5×4,5×3000 мм синий (0,6-0,8) ABICOR BINZEL», длиной три метра с одной стороны закреплялся в верхней точке бруска, месте расположения наконечника подачи присадочной проволоки. При этом последовательно, в каждом случае, спираль с небольшим усилием вытягивалась на всю длину от точки закрепления на бруске, плавно перегибалась на 90° вокруг одной, двух, трех вертикальных труб ∅20 мм, имитируя острые углы поворота, и последовательно защемлялась на расстоянии 0,3; 0,5; 1,0; 1,5 и 2.0 м от последней точки перегиба, моделируя часто наблюдаемую ситуацию многократного разнонаправленного перегиба при проведении монтажно-сварочных работ в сложных условиях. После чего, губки тисков разводились, и производились измерения нагрузок. Физическая модель по существу представляла собой работу упругой тетивы лука от точки перегиба до точки защемления, где возникающие силы упругости описываются законом Гука. С целью моделирования различных реальных рабочих ситуаций условия испытаний варьировались. Так имитатор ручки горелки поднимался по высоту 0,5 м - сидящего сварщика при производстве горизонтальных швов, 1,5 м - вертикальных и 2,0 м - потолочных, после чего проводились аналогичные измерения, описанные выше. Результаты измерения показали, что наибольшие тянущие и сдвиговые нагрузки на рукоятку горелки возникают по мере увеличения суммарной длины и максимальной амплитуды деформированных участков стальной спирали подающего канала от точки защемления и сдвиговые нагрузки увеличиваются по мере работы на высоте. В среднем дополнительные нагрузки на рукоятку горелки составили от 0,9 до 1.3 кг.
Во втором, пессимистическом варианте, имитировались варианты закручивания подающей спирали длиной 4 м вокруг деталей технологической обвязки, в частности трубной продукции разных диаметров 100, 200 и 300 мм, при проведении монтажных сварочных работ на высоте и измерялись дополнительные нагрузки на рукоятку горелки. С одной стороны, со стороны подающего устройства, спираль жестко защемлялась, плотно накручивалась на трубу на один оборот, оставшийся свободный конец спирали вытягивался под небольшой нагрузкой на полную длину, закреплялся в верхней точке бруска - имитатора рукоятки горелки и жестко зажимался тисками в направляющих с поролоновыми прокладками. При этом к бруску в зажатом состоянии присоединялся измерительный орган динамометра к рукоятке горелки - месте приложения нагрузки на руку сварщика, как описано в первом варианте испытаний. После чего губки тисков разводились и свободный брусок скользил по направляющим за счет силы упругости согласно закона Гука. Измерения проводились на каждом выбранной по диаметру трубе при последовательном накручивании стальной спирали подачи на один, два и три полных оборота. В этом случае нагрузка на руку сварщика возрастала от 1,5 до 4,8 кг.
Также, моделировались режимы внешней подачи присадочной проволоки по стальной спирали с внутренним тефлоновым покрытием, имеющим малый коэффициент трения, от отдельно расположенного подающего устройства разных производителей на расстояниях до 4 метров в зависимости от количества разнонаправленных перегибов спирали. При двойном плавном разнонаправленном перегибе на 90° наблюдалось неравномерная (толчкообразная) скорость подачи по спирали проволоки ∅0.6÷1,0 мм, вплоть до полного застревания алюминиевой проволоки диаметром 0,6 мм. Проведенные тестовые испытания показали, что дополнительная масс-весовая нагрузка на руку сварщика встроенной в горелку катушкой присадочной проволоки диаметром до 1,0 мм и массой до 1,5 кг при сварочных работах с рабочими токами от 10 до 250А в сложных условиях проведения монтажных работ, ограниченных пространств и на высоте, вполне оправдана и целесообразна. В отдельных случаях, при работе с мягкой присадочной проволокой малых диаметров, ее внешняя подача становится невозможна без ущерба точности и качеству шва. Поэтому сварщик вынужден переходить на режим аргонодуговой сварки с ручной подачей присадочной проволоки, что существенно снижает производительность, качество сварки, и требует более высокой квалификации работника. Встроенный в горелку автоматический блок подачи присадочной проволоки обеспечивает регулируемую по скорости плавную подачу мягкой и тонкой присадочной проволоки в зону сварки независимо от расстояния между местом сварки и размещения сварочного поста, сложности условий проведения монтажных работ и позволяет оперативно регулировать скорость ее подачи непосредственно на корпусе горелки.