20.11.2018
На сегодняшний день Бельгию вполне заслужено называют одним из самых крупных поставщиков продовольственных товаров, а также...


19.11.2018
В последние годы всё большее количество люде используют для обшивки фасадной части своего жилого здания металлический сайдинг (из...


19.11.2018
Горячекатаный швеллер в последние годы считается весьма популярным типом металлического проката. Он нашёл широчайшее во многих...


19.11.2018
Участие профессионального адвоката в уголовном производстве в настоящий момент считается важнейшим условием для того, чтобы моно...


19.11.2018
Наличие надежных дверных замков в рабочем состоянии — залог того, что квартира и все ее имущество останутся целыми. Это защита от...


17.11.2018
Сантехнические ревизионные люки являются технологичными углублениями или же, иными словами, колодцами, где располагаются счётчики...


Способы сварки плавлением и системы автоматического управления

12.07.2018
Научные основы и практическая разработка современного способа электродуговой сварки под флюсом были заложены академиком Е.О. Патоном и его школой в годы становления Института электросварки. Уже тогда были созданы новые технология, аппаратура и оборудование для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом и впервые осуществлено их широкое внедрение в промышленность. Во второй половине 40-х и в начале 50-х гг. XX столетия им опубликован ряд работ, содержащих результаты выполненных исследований в области сварки под флюсом. В частности, был определен нижний предел тока при сварке, установлено минимально допустимое напряжение на дуге для флюса АШ и электродов разного диаметра. Разработана сварочная головка, поддерживающая неизменными напряжение на дуге и силу тока за счет изменения индуктивности сварочной цепи благодаря подмагничиванию постоянным током. Предложены различные схемы автоматического регулирования, обеспечивающие постоянство режима сварки при колебаниях напряжения сети.

В послевоенные годы сварка под флюсом на переменном токе приобретает большое народнохозяйственное значение. Во многих отраслях промышленности она становится ведущим технологическим процессом. Расширяются области применения автоматической сварки под флюсом. Разрабатываются механизированные способы сварки швов на вертикальной и наклонной плоскостях. Предложен новый способ шланговой полуавтоматической сварки, который в сочетании с автоматической сваркой значительно потеснил ручную электродуговую сварку. Появились новые типы аппаратуры, оборудования, флюсов для электродуговой автоматической и полуавтоматической сварки. Созданы новые сварочные трансформаторы. Непрерывно растет их промышленный выпуск. Этому способствуют теоретические и экспериментальные исследования электрических процессов и схем питания сварочных дуг при сварке под флюсом. Особое внимание уделяется вопросам автоматического регулирования мощности сварочной дуги и разработке схем, обеспечивающих постоянство режима сварки при колебаниях напряжения сети. В этих схемах были использованы сварочные головки с постоянной и автоматически регулируемой скоростью подачи электродной проволоки. На основе исследования процесса нагрева и плавления электрода при автоматической сварке под флюсом выведены и используются уравнения температурного поля электрода. Получена зависимость между режимом сварки и количеством тепла, выделяющегося при протекании по электроду сварочного тока.

Широкое применение электродуговой сварки потребовало, кроме исследований сварочной дуги, изучения также вопросов металлургии и технологии сварки, анализа тепловых процессов, сварочных напряжений и деформаций. Значительное внимание уделяется исследованию электротехнических вопросов работы электрооборудования. Были изучены особенности работы сварочных трансформаторов и реактивных катушек, проведен качественный и количественный анализ явлений, обусловленных наличием постоянной составляющей в кривых напряжения на дуге и тока сварки.

Исследование сварочной цепи, содержащей дугу с шунтирующим активным сопротивлением, показало, что непрерывное горение дуги в этом случае невозможно. Для обеспечения устойчивого горения дуги с шунтирующей цепью из последовательно соединенных индуктивного и активного сопротивлений необходимо повышать напряжение холостого хода сварочного трансформатора.

Анализ схем регулирования сварочной дуги показал, что при постоянной скорости подачи электрода время стабилизации дуги резко сокращается с уменьшением диаметра электрода и повышением плотности тока. Каждому диаметру электрода соответствуют токи, меньше которых процесс стабилизации недопустимо длителен. При сварке электродом диаметром 1...3 мм эти предельные токи практически совпадают с минимальными токами, отвечающими устойчивому горению дуги переменного тока. Были установлены обстоятельства, при которых необходимо применять автоматическое регулирование сварочной дуги. Определены условия устойчивости при автоматическом регулировании, разработана классификация систем регулирования сварочной дуги для вероятных возмущений. Проведена оценка качества отработки возмущений различными системами регулирования. Сформулирован критерий оценки устойчивости горения сварочной дуги. Изучение явления саморегулирования дуги при сварке плавящимся электродом позволило сделать вывод о целесообразности применения простых и надежных сварочных головок, при работе которых используется это свойство дуги.

В 1953 г. Б.Е. Патон и В.К. Лебедев опубликовали монографию «Элементы расчетов цепей и аппаратов переменного тока для дуговой сварки». В книге обобщены результаты расчетов аппаратов для дуговой электросварки; изложены методы расчета сварочных цепей, содержащих дугу переменного тока плавящимся и неплавящимся электродом. Дано обоснование новым критериям устойчивого горения дуги, учитывающим надежность повторного возбуждения; определены правила расчета сварочных цепей, содержащих дугу с неплавящимся электродом и имеющих значительную постоянную составляющую напряжения дуги. Составлена и рассчитана схема однофазной сварочной нагрузки, обеспечивающая равномерную загрузку трехфазной сети, что имело большое значение для электродуговой и особенно для контактной сварки. Нестандартным и рациональным по тем временам решением стал трансформатор с подвижной обмоткой, выполненный в виде автоматического регулятора сварочного тока. Трансформатор позволял исключить влияние колебаний напряжения сети на качество швов, что очень важно для автоматической сварки под флюсом всех видов изделий. Большое внимание уделено расчету магнитного рассеяния и диапазона регулирования сварочного тока.

В 1954 г. была выдвинута идея импульсного зажигания и повторного возбуждения дуги переменного тока. Доказана целесообразность снижения, благодаря этому, напряжения холостого хода сварочного трансформатора. Разработанная оригинальная схема импульсного зажигания дуги получила развитие в дальнейшем и нашла. реальное воплощение в виде устройств стабилизации горения дуги (УСГД) на современной элементной базе. Эти решения используются в настоящее время в сварочных трансформаторах типа СТШ, выпускаемым ОЗСО ИЭС им. Е.О. Патона. Итогом многолетних исследований явилась монография «Сварочные источники питания с импульсной стабилизацией горения дуги». В рамках исследований, проводимых в данном направлении, разработан способ дуговой сварки, в котором на дугу переменного тока промышленной частоты каждого полупериода налагают кратковременные импульсы тока определенной формы, амплитуды и полярности. Таким образом облегчается улучшение повторного зажигание дуги, что повышает стабильность ее горения и улучшает качество сварки. Максимальный ток импульсов зажигания 250...350 А при длительности 100...300 мкс. Способ может быть применен при сварке без защиты дуги, в защитных газах и их смесях, под флюсом и ручной дуговой сварке.

Прочное место в машиностроении и в некоторых других областях промышленности и строительства заняла электрошлаковая сварка (ЭШС). Это эффективный технологический процесс, нашедший широкое применение при изготовлении различных конструкций из металла большой толщины. Значительный вклад в создание этого способа и в разработку автоматического регулирования процесса внес Б.Е. Патон. В 1955-1959 гг. в работах, а позднее в 1980 г. подробно изложены особенности сварки толстого металла и дается описание сварочной и электрической аппаратуры, схем автоматического регулирования электрошлакового процесса. Трансформаторы ТШС-1000-3, ТШС-3000-3, разработанные в ИЭС им. Е.О. Патона, позволяют эффективно использовать трехфазное питание аппаратов сварочным током. Достигнуты значительно более высокие экономические показатели трансформаторов с жесткими внешними характеристиками для электрошлаковой сварки по сравнению с трансформаторами для дуговой сварки. Уменьшился их вес при более высоком КПД и коэффициенте мощности, близком к единице. Система автоматического регулирования электрошлаковой сварки отличается высокими статическими и динамическими характеристиками при отработке всех возмущений. Оптимизация достигается за счет регулирования уровня металлической ванны путем изменения скорости перемещения аппарата и регулирования напряжения холостого хода источника питания.

Работы по сварке в CO2 проводились в ИЭС с 1949 г. На первом этапе были разработаны технология и оборудование для сварки изделий из тонкого металла угольной дугой. Следует отметить, что поначалу сварка в CO2 плавящимся электродом не обеспечивала получение плотных швов. После решения металлургических проблем сварки в CO2 К.В. Любавским и Н.М. Новожиловым в ИЭС был разработан способ импульсной сварки тонкой проволокой (диаметр 0,5...1,2 мм) с принудительными короткими замыканиями, что позволило механизировать сварку во всех пространственных положениях.

Изучение магнитогидродинамических явлений при сварке открыло новые возможности увеличения скоростей сварки и повышения качества соединений. Большой эффект был получен при использовании специально создаваемых объемных сил электромагнитного и электродинамического происхождения. Один из способов создания и регулирования объемных сил заключается в периодическом их усилении посредством импульсного увеличения сварочного тока. Работы в этом направлении получили всестороннее развитие. Были созданы способы импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом (ИДСПЭ) в защитных газах. Основой новой технологии стал способ, отличающийся от известных наложением на дугу постоянного тока кратковременных импульсов. Для ИДСПЭ разрабатывается специализированный источник питания. Программное регулирование импульсов тока и частоты их следования позволило управлять плавлением электрода, переносом расплавленного металла, размерами и формой шва во всех пространственных положениях. По сравнению с другими способами, при ИДСПЭ благодаря повышению устойчивости горения дуги значительно расширен диапазон рабочих токов, выросла производительность и упростилась техника выполнения вертикальных, горизонтальных и потолочных швов. Применение программного управления с автокоррекцией позволило полностью автоматизировать процесс выполнения импульсно-дуговой сваркой во всех пространственных положениях сложных по геометрии швов. На основе проведенного анализа сил, действующих на каплю расплавленного металла электрода, доказана возможность обеспечения управляемого мелкокапельного переноса металла путем наложения на дугу импульсов необходимой амплитуды и длительности. Решена задача автоматического управления процессом импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. Сформулированы основные принципы построения систем автоматического управления (САУ) процессом ИДСПЭ. Установлено, что в зависимости от характера и степени возмущающих воздействий, а также от характера переноса металла электрода САУ ИДСПЭ могут быть построены с обратными связями по интегралам от сварочного тока, от напряжения на дуге либо от их произведения. Определены условия автоматического поддержания постоянства диаметра переносимых капель при постоянной частоте следования импульсов тока путем регулирования среднего значения напряжения на дуге и практически полной компенсации его колебаний посредством изменения длительности импульсов. Впоследствии были созданы системы автоматической стабилизации процесса ИДСПЭ, позволяющие при действии возмущений стабилизировать средние значения сварочного тока и напряжения на дуге. Применение таких систем позволяет также стабилизировать параметры швов при линейных изменениях вылета электрода и уменьшить пористость тттва при сварке алюминиевых сплавов.

При участии Б.Е. Патона разработан способ управления сварочным процессом путем программирования скорости подачи электродной проволоки. Диапазон рабочих токов при дуговой сварке плавящимся электродом значительно расширен благодаря изменению скорости подачи электродной проволоки в сварочную ванну. Для различных режимов сварки сталей, алюминиевых сплавов и других металлов определены параметры подачн проволоки, частота следования импульсов и интегральная скорость.

Эти процессы обеспечивали управление переносом электродного металла для всех пространственных положений при защите дуги аргоном, гелием, их смесями для сварки легированных сталей и цветных металлов. Были созданы ряд источников тока и технологии импульсно-дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродом сплавов и легированных сталей, организовано изготовление генераторов импульсов.

Управляемый перенос металла, о котором шла речь выше, в начале был достигнут только при сварке в инертных газах или в смесях на их основе. В активных газах обеспечить такой управляемый процесс не удавалось.

Параллельно изучается возможность сварки проволоками диаметром 1,6 мм и больше в активных газах. Были исследованы и разработаны способ и технология сварки в CO2 вертикальных швов с принудительным их формированием на металле средних толщин. Подтверждена возможность сварки легированных сталей повышенной прочности. Показана эффективность сварки толстого металла в узкую щель полупогруженной и погруженной дугой.

Исследования и разработки в области сварки в CO2, выполненные Б.Е. Патоном, подтвердили перспективность применения этого способа в промышленности. Была показана возможность управления плавлением и переносом металла в процессе сварки в углекислом газе, путем варьирования величины сварочного тока. Это позволяет существенно уменьшить потери металла на разбрызгивание и улучшить внешний вид шва.

Выполненные работы позволили создать экономичный, простой, высокопроизводительный способ механизированной сварки. Для его широкого применения необходимо было решить на государственном уровне большое количество организационных и технических мероприятий. В институте создается Научно-техническое бюро (НТБ ИЭС), которое разрабатывает общегосударственные программы по массовому изготовлению сварных проволок, сварочной аппаратуры, систем производства и централизованного обеспечения углекислым газом промышленных предприятий и подготовке кадров.

Совместно с ЦНИИТМАШ была проведена гигиеническая оценка сварки в CO2 и скорректирован ГОСТ на электродные проволоки. Выполнение Государственной программы позволило обеспечить массовое производство сварных конструкций с применением сварки в CO2.

Развитие сварки в среде защитных и активных газов предопределило создание целого ряда полуавтоматов для сварки проволокой сплошного сечения в углекислом газе — среди них полуавтоматы А537 и А547. Следует особо отметить, что конструкция А547 оказалась столь удачной, что он серийно выпускается с различными модификациями с 1957 г. до нынешнего времени.

Комплекс этих работ, выполненных в Институте электросварки, ЦНИИТМАШ, НИАТ и МВТУ, в 1963 г. был отмечен Ленинской премией.

Продолжались исследования, направленные на совершенствование управления характеристиками процессов дуговой сварки в защитных газах. Оригинален метод, основанный на введении в дугу через электродную проволоку многокомпонентных легкоионизируемых и поверхностноактивных добавок. Благодаря этому удалось повысить стабильность процесса сварки в углекислом газе с мелкокапельным переносом электродного металла на постоянном токе при прямой и обратной полярности, на переменном токе и импульсной дугой. Была отработана технология и началось изготовление активированной сварочной проволоки.

В начале 70-х гг. прошлого столетия в ИЭС были разработаны способ сварки углеродистых сталей в смеси аргона с 20 % CO2 и 5 % O2 и технологии сварки этим способом целого ряда сталей. Указанная смесь обеспечивала лучшие свойства и формирование шва, меньшее разбрызгивание и простую технику сварки. Благодаря ИЭС она также получила широкое применение в России и за рубежом.

Итогом этого этапа работ стала вышедшая в 1966 г. книга Б.Е. Патона и В.К. Лебедева «Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки».

Широкое распространение во многих отраслях народного хозяйства получили полуавтоматы для механизированных дуговых процессов сварки и наплавки плавящимся электродом. Они занимают в промышленно развитых странах ведущее место среди аппаратуры всех видов сварки. В ИЭС всегда уделялось большое внимание механизации процессов дуговой сварки, созданию и совершенствованию полуавтоматов. Это направление оказалось очень перспективным. В.Е. Патон с коллегами (он осуществлял конструкторские работы) в короткое время создали целое поколение такого оборудования.

Одними из первых, серийно выпускаемых, были полуавтоматы для сварки под флюсом типа ПШ5 (1949-1951 гг.), ПШ54 (1954 г.). Их основу составили изыскания, изложенные в работах о сварке под флюсом, а также принятые принципы построения оборудования для дуговой сварки. Полуавтоматы сразу стали широко применяться в машиностроении и особенно судостроении.

Появившийся новый вид электродной проволоки — порошковой различного технологического назначения, а также возникающие потребности в механизированной сварке и наплавке, в частности вне цеховых условий, привели к созданию новых полуавтоматов — типа А765. Технические решения и широкие технологические возможности, заложенные в конструкцию данного полуавтомата, — это надежная подача порошковой проволоки; возможность наплавки при восстановлении и упрочнении деталей и узлов машин непосредственно на рабочем месте.

Базовая модель современного полуавтомата ПШ107В используется для применения порошковых проволок. На ее основе разработана широкая гамма модификаций полуавтоматов, которые с максимальной эффективностью позволяют решать практически все задачи, связанные со сваркой, наплавкой и резкой сталей, чугуна и сплавов алюминия.

Механизация сварочных работ за счет применения полуавтоматов и порошковых проволок была расширена и на сварку под водой. ИЭС им. Е.О. Патона — единственная в мире организация, которая успешно освоила технологию и оборудование, используемые для таких целей. Решение этой задачи ознаменовалось созданием нескольких конструкций полуавтоматов; наиболее успешными были А1450, А1660.

Дуговая сварка металлов плавлением — непрерывно прогрессирующий технологический процесс. С каждым годом увеличивается объем производства сварных конструкций, появляются все новые и новые методы, способствующие повышению производительности труда и расширяющие технологические возможности сварочного производства.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: