Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом с программным регулированием процесса

12.07.2018
Электродуговая сварка плавящимся электродом получила наибольшее распространение в промышленности. Непрерывное совершенствование различных способов ее осуществлялось путем улучшения конструкции и характеристик аппаратуры, расширения ассортимента электродной проволоки, выбора типа защиты дуги и характеристик источника питания и т. п. С целью повышения качества швов все усилия до сих пор были направлены на разработку источников питания и систем автоматического регулирования, обеспечивающих неизменность выбранных параметров режима в процессе сварки.

Известно, что основные параметры режима: ток Iсв, напряжение Uд длина дуги и др. — претерпевают в процессе сварки изменения. Эти изменения происходят как при воздействии на дугу внешних возмущений (напряжения сети, разделки шва), так и закономерно возникающих в процессе плавления электродной проволоки в зоне дуги.

Периодические изменения параметров режима дуговой сварки вызываются капельным переносом металла, блужданием активных пятен и столба дуги вследствие электромагнитных, тепловых и других воздействий. С уменьшением устойчивости горения дуги они увеличиваются. В результате изменяются геометрические размеры шва.

Разработка сварочных источников питания и систем автоматического регулирования сварочной дуги позволила повысить устойчивость ее горения и в определенной мере стабилизировать размеры сварных швов. Однако в этих источниках питания и системах автоматического регулирования не предусматривалось управление процессами образования и отрыва капель электродного металла. He удавалось внести коренные изменения в процессы формирования шва, ход металлургических реакций в дуге и увеличение производительности сварки.

Совершенно очевидно, что дальнейшее повышение качества и производительности дуговой сварки возможно лишь при более глубоком изучении явлений, протекающих в дуге, и разработке новых приемов, позволяющих активно управлять образованием и переносом капель электродного металла. Наиболее перспективным в данном случае является исследование дугового разряда и плавления электрода при кратковременных периодических изменениях тока, напряжения и длины дуги, задаваемых источником питания. Работы, выполненные в Институте электросварки им. Е.О. Патона, позволили определить условия, обеспечивающие возможность активного воздействия на характер изменения физических процессов в разрядном промежутке. В результате разработан новый способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах, под флюсом и без защиты дуги с возможностью программного управления образованием каждой капли плавящегося электрода и, как следствие, размерами и формой сварного шва во всех пространственных положениях.

Наиболее важным при дуговой сварке плавящимся электродом можно считать процесс формирования капли электродного металла и ее перенос в сварочную ванну на изделии. При обычных способах сварки мы лишены возможности управлять формированием капли на конце электрода, так как характер переноса металла зависит от режима сварки, который задается обычно неизменным во времени в основном из технологических соображений (размеров шва, его пространственного положения и др.). Известно также, что при обычном способе сварки наиболее благоприятен мелкокапельный (или струйный) перенос металла, происходящий при больших токах и характеризующийся повышением давления дуги и концентрацией теплового потока по оси ее столба.

Следовательно, чтобы управлять процессом образования капли при мелкокапельном переносе металла независимо от технологических характеристик шва необходимо периодически изменять мгновенную мощность дугового разряда. Импульс мощности должен быть достаточным для образования на конце электрода капли металла необходимых размеров и переноса ее на изделие. Такой процесс, названный нами импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом, может быть осуществлен по схеме, приведенной на рис. 1.

На дугу постоянного тока накладываются мощные кратковременные импульсы тока, обеспечивающие формирование капли на конце плавящегося электрода и перенос ее на изделие. Для обеспечения устойчивого процесса весьма важен выбор параметров импульсов тока (амплитуды, длительности и частоты следования), а также отношения амплитуды импульса тока к току основной дуги. Исследования импульсно-дуговой сварки при помощи скоростной киносъемки, синхронизированной с осциллографированием тока и напряжения на дуге, показали, что весь процесс может быть разделен на ряд аналогичных характерных циклов (рис. 2).

Анализируя полученные данные, можно приближенно дать следующее описание явлений, протекающих в течение одного цикла. Тепло, выделяемое основной дугой в промежутке между импульсами, сравнительно невелико и недостаточно для плавления электродной проволоки с заданной скоростью. Вследствие этого длина дугового промежутка непрерывно уменьшается. Под действием импульса тока происходит ускоренное оплавление электродной проволоки, и образовавшаяся на конце электрода капля металла сбрасывается в сварочную ванну. Скорость плавления проволоки при этом превышает скорость ее подачи и длина дуги резко возрастает.

Тепловая инерция дуги и расплавленного металла оказывают большое влияние на характер переходных процессов при плавлении электродной проволоки и переносе металла. Вследствие наложения кратковременных импульсов тока физические явления в дуговом разряде претерпевают существенные изменения. Так, во время наложения импульса тока резко увеличивается яркость свечения дуги, особенно в приэлектродных областях, и уменьшается ее эквивалентное сопротивление от 0,1 до 0,03 Ом. В конце действия импульса появляется большое количество паров электродного металла. Это свидетельствует о том, что импульсное повышение тока дуги существенно влияет на характер протекания дугового разряда. В результате повышается его стабильность, что позволяет значительно уменьшить нижний предел сварочного тока, соответствующий устойчивому горению дуги. Например, при сварке алюминия в аргоне проволокой 01,6 мм устойчивый процесс импульсно-дуговой сварки можно получить при токах -30 А вместо 110...120 А, а 02,0 мм — 50 А. Нижний предел тока при сварке нержавеющей стали в аргоне проволокой 02,0 мм составляет 130 А вместо 250...280 А при обычной аргоно-дуговой сварке. Во всех случаях при этом наблюдается мелкокапельный перенос электродного металла, что позволяет производить сварку во всех пространственных положениях.

Таким образом, наложение импульсов тока на основную дугу значительно расширяет диапазон рабочих токов. Появляется возможность также использовать проволоки 01,6 и 2,0 мм для сварки тонкого металла во всех пространственных положениях вместо применяемых проволок 01,0...1,2 мм. Благодаря этому представляется возможным упростить и облегчить сварочную аппаратуру для полуавтоматической сварки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.

Исследования показали, что импульсное изменение мгновенной мощности дугового разряда позволяет управлять скоростью плавления электрода. Соответствующим подбором тока основной дуги и импульсов можно повысить скорость плавления электродной проволоки до 30 %.

От соотношения тока основной дуги и импульсов зависит различный характер образования и отрыва капель с электрода. Так, перенос капли с электрода может происходить при каждом импульсе тока и не при каждом, например, через один импульс. При мощных импульсах тока большой длительности возможно образование и отрыв от электрода нескольких капель на протяжении одного импульса.

Изучение переноса металла при помощи скоростной киносъемки показало, что при наложении импульса тока происходит резкое увеличение электродинамических сил, которые формируют жидкий металл на электроде в виде капли с быстро сужающейся шейкой (рис. 2) и сбрасывают ее строго в направлении сварочной ванны при любом пространственном расположении шва.

Это явление наблюдалось как при мелкокапельном переносе типа струйного, так и при крупнокапельном переносе металла во всем диапазоне рабочих токов. Принудительный направленный перенос значительно уменьшает разбрызгивание и упрощает технику выполнения полуавтоматической сварки в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях.

Из различных видов возможного переноса электродного металла при импульсно-дуговой сварке наиболее поддается управлению процесс, при котором каждый импульс тока приводит к отрыву только одной капли. В этом случае, регулируя параметры импульсов тока и частоту их следования, можно задавать определенный размер капель электродного металла и время пребывания их в дуге. Последнее обстоятельство позволяет достаточно точно задавать ход металлургических реакций при сварке и получать требуемый состав и свойства шва. В качестве примера в таблице приведен химический состав двух швов, выполненных импульсно-дуговой сваркой на одном и том же токе, но с различной частотой следования импульсов. Сварка производилась постоянным током обратной полярности без защиты дуги.

Доля основного металла в обоих швах и их размеры были практически одинаковы. Размеры капель и время пребывания их в дуговом промежутке определены путем обработки кадров скоростной киносъемки.

Импульсное изменение тока оказывает большое воздействие на ванну жидкого металла и формирование шва. Подбором параметров импульсов тока и частоты их следования представляется возможным изменять форму и размеры шва. На рис. 3 приведена форма поперечного сечения наплавок на сталь Ст.З, выполненных импульсно-дуговой сваркой при различных соотношениях тока импульсов и основной дуги и неизменной средней погонной энергии процесса.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом с программным регулированием процесса

Наложение импульсов тока вызывает пульсацию давления дуги, которая улучшает формирование шва. Валик шва становится мелкочешуйчатым с плавным переходом к основному металлу. При сварке угловых соединений легко удается получить нормальное и ослабленное сечение шва без подрезов. Пульсация давления дуги способствует также поддержанию жидкой металлической ванночки и предотвращает ее отекание при сварке вертикальных, горизонтальных и потолочных швов. Благодаря этому можно увеличить сечение шва, выполняемого за один проход во всех пространственных положениях.

Повышение стабильности процесса, увеличение глубины провара и пульсирующее давление дуги значительно облегчают технику полуавтоматической сварки вертикальных, горизонтальных и потолочных швов и обеспечивают возможность ведения процесса с более высокими скоростями чем обычно. На рис. 4 приведены макрошлифы поперечного сечения угловых швов, выполненных обычной дуговой и импульсно-дуговой сваркой в вертикальном положении сверху вниз. Как видно из рисунка, несмотря на увеличение скорости сварки, глубина провара при импульсно-дуговой сварке намного больше чем при обычной.

Разработанный способ импульсно-дуговой сварки открывает широкие возможности для автоматического регулирования переноса электродного металла при выполнении шва. Регулирование момента образования капли, ее размеров и переноса может осуществляться по наперед заданной жесткой программе и по программе с автокоррекцией. В качестве параметра обратной связи в последнем случае могут быть использованы изменения электрических величин (напряжения, тока либо мощности дуги), характеризующие определенные закономерности при плавлении электрода (короткие замыкания дуги, момент отрыва капли и др.), а также изменения толщины деталей, размеров разделки и др. Применение автокоррекции позволяет полностью автоматизировать дуговую сварку различных изделий во всех пространственных положениях с высокой производительностью и заданными наперед геометрическими размерами и свойствами шва.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что способ импульсно-дуговой сварки обладает значительными преимуществами перед известными и в ближайшем будущем найдет широкое применение в промышленности. Наиболее перспективными областями внедрения импульсно-дуговой сварки являются полуавтоматическая сварка изделий из алюминиевых сплавов и сталей средних толщин, имеющих швы, расположенные во всех пространственных положениях, сварка металлов средних толщин на повышенных скоростях и материалов с большой теплопроводностью, а также сварка в защитных газах и средах с высокими потенциалами ионизации.

Выводы

1. Разработан новый способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом, отличающийся наложением на дугу постоянного тока кратковременных мощных импульсов тока.

2. Программное регулирование импульсов тока позволяет управлять плавлением проволоки, переносом электродного металла, химическим составом, формой и размерами сварных швов во всех пространственных положениях.

3. По сравнению с другими способами при импульсно-дуговой сварке благодаря повышению устойчивости горения дуги значительно расширяется диапазон рабочих токов, повышается производительность и упрощается техника выполнения вертикальных, горизонтальных и потолочных швов.

4. Применение программного управления с автокоррекцией позволяет полностью автоматизировать процесс выполнения сложных швов импульсно-дуговой сваркой во всех пространственных положениях.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: