Саморегулирование дуги при сварке плавящимся электродом

12.07.2018
В.И. Дятлов установил, что при сварке плавящимся стальным электродом наблюдается саморегулирование дуги, которое он предложил использовать для создания простых и надежных сварочных головок. В большинстве случаев саморегулирование дуги настолько значительно, что нет необходимости в применении схем автоматического регулирования. Электрод может подаваться в зону дуги с заданной постоянной скоростью. Исследования показали, что саморегулирование, кроме того, способствует значительному повышению устойчивости схем автоматического регулирования сварочной дуги.

Установлено, что наибольшее влияние на саморегулирование (само-выравнивание) дуги оказывают форма внешней характеристики источника питания, плотность тока в электроде и стабилизирующие свойства флюса. Установлено также, что в определенном диапазоне режимов сварки для каждого диаметра электрода интенсивность саморегулирования дуги вполне достаточна для ее устойчивого горения.

Процесс регулирования дугового промежутка описывается уравнением
Саморегулирование дуги при сварке плавящимся электродом

где l — расстояние по оси электрода между его плавящимся концом и дном полости, в которой горит дуга в основном металле; vэ — скорость плавления электрода; vо.м — составляющая скорости плавления основного металла в направлении оси электрода; vп — скорость подачи электрода.

Уравнение (1) мало пригодно для практического использования. Металл на дне полости (рис. 1) непрерывно кипит и отбрасывается давлением дуги. При этом расстояние l замерять трудно.

Между режимом горения дуги, размерами полости и расстоянием l, зависящим от длины дуги, существует очень сложная зависимость. При современном состоянии теории дугового разряда и распространения тепла при сварке представить эту зависимость аналитическим выражением очень трудно и вряд ли целесообразно.

Для анализа процесса саморегулирования дугового промежутка значительно удобнее воспользоваться понятием внешней составляющей длины дуги, т. е. расстоянием между концом плавящегося электрода и поверхностью свариваемого изделия (рис. 1). В этом случае процесс регулирования дугового промежутка описывается уравнением

Для решения уравнения (2) нужно прежде всего знать аналитическую связь между внешней составляющей длины дуги lвн и скоростью плавления электрода.

В работе установлено, что при неизменной внешней характеристике источника питания внешняя составляющая длины дуги lвн и скорость плавления электрода vэ линейно связаны с напряжением дуги

Зависимости (4) справедливы для установившегося режима сварки. Необходимо выяснить, можно ли их использовать при изучении переходного процесса.

В нашей работе и в работе Д.М. Рабкина показано, что на плавление электрода при сварке под флюсом в основном расходуется тепло, выделяющееся в приэлектродной области. В работе расчетным и опытным путями было установлено, что вследствие большой скорости подачи электрода в зону дуги высокая температура на его торце распространяется на очень малое расстояние в глубь электрода.

При реальных режимах сварки под флюсом электродной проволокой диаметром 5 мм в приэлектродной области объемом около 2*10-3 мм3 выделяется от 1000 до 3000 кал/с. При сварке электродной проволокой диаметром 2 мм в приэлектродной области объемом около 3*10в-4 мм3 выделяется от 400 до 1500 кал/с.

При таких высоких концентрациях тепловой энергии в ничтожно малом объеме приэлектродной области и сравнительно небольшой доле тепловой энергии, расходуемой на предварительный нагрев электрода, можно считать, что изменения скорости плавления электрода практически безынерционно следуют за изменениями режима горения дуги. Иными словами, практически одновременно с изменениями тепловой энергии, выделяющейся в приэлектродной области, изменяется и скорость плавления электрода.

Для проверки этого предположения мы провели опыт, в котором дуга горела под флюсом между плавящимся стальным электродом диаметром 5 мм и графитовой пластиной. Таким образом исключалось плавление основного металла, и все изменения длины дугового промежутка обусловливались изменениями скоростей подачи и плавления электрода.

Схема включения двигателя головки приведена на рис. 2. Горение дуги начиналось при повышенной скорости подачи электрода, затем подавался импульс на реле РП, переключавшее напряжение на якоре двигателя головки. Электромеханическая постоянная времени двигателя не превышала 0,03 с. Переходный процесс установления скорости подачи электрода практически заканчивался через 0,08...0,09 с.

В ходе опытов осциллографировались э. д. с. тахогенератора, установленного на валу двигателя головки, напряжение и ток дуги. Из приведенной на рис. 3 осциллограммы видим, что напряжение дуги начинает возрастать сразу же после скачкообразного уменьшения скорости подачи электрода. Между кривыми w и Uд практически нет сдвига во времени. Наблюдаемое изменение напряжения дуги вызвано изменением длины дуги, которое в свою очередь вызывается изменением скорости плавления электрода. Аналогичные данные были получены нами при изучении большого количества осциллограмм, снятых при различных режимах горения дуги на графитовой пластине.

Полученные результаты с достаточной точностью могут быть распространены и на случаи сварки с плавлением основного металла. Это обусловлено тем, что, вследствие относительно большой тепловой инерционности сварочной ванны, кратковременные изменения режима горения дуги мало отражаются на скорости плавления основного металла. Кроме того, скорость плавления электрода vэ в большинстве случаев значительно превосходит составляющую скорости плавления основного металла vо.м.

Поэтому возникающие в переходных режимах горения дуги изменения дугового промежутка в основном обусловлены изменениями скорости плавления электрода. Характер протекания переходного процесса остается примерно тем же, что и при горении дуги на графитовой пластине. Об этом свидетельствует, например, осциллограмма, приведенная на рис. 4.

Таким образом, можно считать установленным то, что изменения скороста плавления электрода практически безынерционно следуют за изменениями тока и напряжения дуги. Последние обычно совпадают по фазе.

Следовательно, уравнение (4) может быть использовано при изучении процессов регулирования дугового промежутка. Решая (2) (3) и (4), получим

Здесь Tс = y/m — электросварочная постоянная времени, зависящая от режима сварки, марки электрода, флюса и др.

Следовательно, нашу систему можно рассматривать как одно инерционное звено, на вход которого подана постоянная величина v0-vп/m, а выходной величиной является напряжение дуги. Система всегда устойчива, процесс установления протекает по апериодическому закону. Это — большое достоинство сварочных головок с постоянной скоростью подачи электрода, использующих саморегулирование дуги.

Длительность процессов установления дугового промежутка, обусловленных саморегулированием сварочной дуги, определяется величиной электросварочной постоянной времени Tс, в наибольшей мере зависящей от значения m и стабилизирующих свойств флюса у.

На рис. 5 приведена найденная нами зависимость коэффициента m от тока короткого замыкания сварочной цепи при сварке под флюсом АН-348 на переменном токе. Наиболее резкая зависимость т от тока наблюдается при сварке электродами малого диаметра.

Значительно труднее найти значение у. Его можно наиболее точно определить путем рентгенкиносъемки зоны дуги. Однако такой путь определения у сложен и практически мало пригоден.

Величину электросварочной постоянной времени Tc можно легко определить опытным путем при периодических колебаниях скорости подачи электрода. С этой целью на якорь двигателя головки необходимо, помимо постоянного напряжения, подавать синусоидальное напряжение с частотой порядка 1 пер/с. При этом vп = vпо + v ~sin Qt. Подставив это выражение в уравнение (5), найдем

Следовательно, зная угол ф и частоту Q, можно достаточно точно определить величину электросварочной постоянной времени Tс, избавившись от определения значений т и у.

Уравнение (6) хорошо подтверждается опытным путем. В качестве примера на рис. 6 приведена осциллограмма скорости подачи электрода, напряжения и тока дуги. С повышением частоты Q угол сдвига фаз между кривой скорости подачи электрода и напряжением дуги возрастает, приближаясь к п/2. Синусоидальный характер кривых напряжения и тока дуги на осциллограмме рис. 6 свидетельствует о правильности выведенного нами уравнения (5).


На рис. 7 приведены полученные нами опытным путем зависимости времени регулирования tp = 3Tc от тока короткого замыкания при Uх.х = 81 в (для электродов диаметрами 3, 4 и 5 мм) и Uх.х = 60 В (для электрода диаметром 2 мм). Как видим, при сварке электродами малого диаметра это время незначительно и составляет десятые доли секунды.

Допустимое время установления tp следует определять с учетом требований технологии сварки. С увеличением диаметра электродной проволоки и повышением токов дуги возрастает объем жидкого металла в сварочной ванне и значительно увеличивается инерционность протекания переходных тепловых процессов. Поэтому чем больше режим сварки, т. е. чем выше ток и напряжение дуги, а также чем больше диаметр электрода, тем более длительные отклонения режима сварки от заданного значения могут быть допущены.

Наши опытные данные и длительный опыт эксплуатации сварочных головок с постоянной скоростью подачи электрода позволяют установить следующие значения переменного тока дуги, ниже которых процессы установления излишне затягиваются:

При питании дуги постоянным током эти значения могут быть снижены.

Соответствующее приведенным токам дуги время установления может быть найдено при помощи кривых (рис. 7). Токи короткого замыкания сварочной цепи определяются приближенно по формуле

В сварочной технике известно, что для каждого диаметра электродной проволоки существует свой предел токов, ниже которого процесс горения дуги неустойчив. Эти пределы можно приближенно определить, обратившись к изучению процессов, протекающих в катодной области дуги.

Катодное падение напряжения в мощной сварочной дуге, горящей под флюсом, зависит от химического состава газов в дуговой полости, тока дуги и диаметра электрода. В работе показано, что катодное падение пропорционально отношению тока дуги к диаметру электродной проволоки. С другой стороны, приняв катодное падение напряжения равным потенциалу ионизации газа положительного столба дуги, получим

Воспользовавшись равенством (8), справедливым для флюсов АН-348, ОСЦ-45, находим минимальные токи для каждого диаметра электрода. По этим значениям тока строим на рис. 8 кривую Iд = f(d). Там же строим по данным табл. 1 кривую Iд - ф(d). Заштрихованное между кривыми Iд = фfid) и Iд = f(d) пространство соответствует тем токам, при которых нельзя получить удовлетворительных результатов в случае сварки головками с постоянной скоростью подачи электрода и следует применять схемы автоматического регулирования сварочной дуги.

Как видим, при сварке под флюсом на переменном токе электродами диаметрами 2 и 3 мм нижние пределы токов, соответствующих устойчивому горению дуги и удовлетворительному времени установления, практически совпадают. Поэтому при сварке электродами диаметрами 3 мм и меньше практически нет ограничений для применения головок с постоянной скоростью подачи электрода, использующих только явление саморегулирования дуги.

Следует, однако, учесть, что головки с постоянной скоростью подачи электрода обладают максимальной статической погрешностью. Они не могут восстановить заданный режим сварки при изменениях вылета электрода, отклонениях его диаметра от заданного значения, изменениях химического состава и грануляции флюса и др.

Из (5) находим установившееся значение напряжения дуги

Выражение (9) показывает, что точность работы головки определяется постоянством скорости подачи электрода (vп, и технологических факторов (vo,m). Постоянства скорости подачи электрода легко добиться, применяя в сварочных головках двигатели с жесткой нагрузочной характеристикой. Поэтому погрешность в основном определяется возможными изменениями технологических данных (vo и m).

Наибольшие изменения V0 и т наблюдаются при сварке электродами малого диаметра. Это является отрицательной стороной применения электродов малого диаметра при сварке головками с постоянной скоростью подачи. Ясно, что при сварке тонкой электродной проволокой нужно возможно точнее сохранять неизменным вылет электрода и другие технологические данные.

Возможные установившиеся режимы сварки под флюсом могут быть охарактеризованы при помощи предложенных нами кривых устойчивой работы головок с постоянной скоростью подачи электрода. Эти кривые, построенные в координатах Uд, Iд, определяют связь между напряжением и током дуги, соответствующими заданным скоростям подачи электрода, величине его вылета и др.

Кривыми устойчивой работы удобно пользоваться для анализа работы сварочных головок при изменениях внешней характеристики источников питания, дуги. Эти же кривые используются для расчета схем автоматического регулирования уровня ванны при сварке вертикальных швов с принудительным формированием и др.

В качестве примера на рис. 9 приведены полученные опытным путем кривые устойчивой работы для малоуглеродистой проволоки диаметром 2 мм. Сварка производилась на переменном токе под флюсом АН-348-Ш; кривые построены для двух значений вылета электрода 20 и 40 мм. Как видим, изменение вылета приводит к значительной погрешности схемы, далеко выходящей за допустимые пределы.

Выводы

1. Интенсивность саморегулирования дуги резко возрастает с уменьшением диаметра электрода и повышением плотности тока в нем. При неизменной скорости подачи электрода диаметрами 1...2 мм время установления, обусловленное саморегулированием дуги, может достигать 0,1 с и меньше. Об этом времени можно судить по величине электросварочной постоянной времени Tс.

2. Сварочные головки, использующие только саморегулирование дуги, целесообразно применять во всех тех случаях, когда время установления удовлетворительное. Для электродной проволоки диаметрами 4; 5; 6 мм и больше существуют токи, ниже которых процесс установления недопустимо длителен. При сварке электродами диаметрами 1...3 мм, даже при минимально допустимых по устойчивости горения дуги токах, получается вполне удовлетворительное время установления. Поэтому для сварки электродами диаметром 3 мм и меньше целесообразно применение только сварочных головок, использующих саморегулирование дуги. При наиболее распространенных режимах сварки электродами 4; 5 и 6 мм также наиболее целесообразно применение головок с постоянной скоростью подачи.

3. Статическая погрешность сварочных головок, использующих только саморегулирование дуги, резко возрастает с понижением диаметра электрода и увеличением плотности тока в нем. Особо больших значений достигает статическая погрешность по режиму сварки при изменениях вылета электрода. Поэтому при сварке электродами диаметрами 1...3 мм следует предъявлять жесткие требования к точности ведения электрода по разделке шва и сохранению постоянного вылета.