Управление плавлением и переносом электродного металла при сварке в углекислом газе

12.07.2018
Сварка в углекислом газе — один из наиболее распространенных способов сварки плавящимся электродом. Существенные недостатки этого процесса — повышенное разбрызгивание металла и не вполне удовлетворительный внешний вид швов. Особенно заметно эти недостатки проявляются при сварке проволоками диаметром 1,6...2,0 мм и средних плотностях тока. Одной из причин разбрызгивания металла является действие электромагнитных сил и плазменных потоков, отталкивающих каплю от сварочной ванны. Капля непрерывно увеличивается; беспорядочно двигаясь, она смещается с оси электрода, а затем может быть выброшена за пределы ванны.

Уменьшить разбрызгивание и улучшить формирование сварных швов можно, заменив CO2 смесями аргона (75...80 %) и углекислого газа или аргона, CO2 и кислорода. Применение таких смесей экономически оправдано, однако используются они пока мало из-за относительной дефицитности аргона. Устранить недостатки данного процесса сварки можно также, применив проволоки, активированные легкоионизируемыми редкоземельными металлами и поверхностно-активными веществами. Эти меры приводят к увеличению диаметра столба дуги, катодного и анодного пятен, уменьшению массы капель. При достаточно большом диаметре столба дуги электродинамические силы направлены в сторону ванны и способствуют переносу капель. В случае увеличения поперечных размеров дуги снижается удельная мощность в анодном и катодном пятнах, и в результате давление паров, препятствующее переходу капли в ванну, уменьшается.

Следует сказать, что попытки усовершенствовать процесс сварки чисто электротехническим путем, предпринимавшиеся еще на начальном этапе развития сварки в СО2, дали серьезные практические результаты и по сути дела предопределили ее широкое использование в промышленных условиях. Было показано, что статические характеристики источника питания дуги должны быть пологопадающими. Динамические характеристики, определяемые в основном индуктивностью сварочной цепи, должны обеспечивать перенос металла при коротком замыкании с минимальным импульсом электромагнитной силы. В этом случае степень разбрызгивания металла может быть существенно снижена. Дальнейшие многочисленные попытки уменьшить разбрызгивание путем оптимизации формы внешней характеристики источника питания и уменьшения индуктивности сварочной цепи не дали значительного эффекта.

Ряд авторов для ограничения размеров капли рекомендовали периодически снижать напряжение на дуге, что должно было способствовать уменьшению разбрызгивания. Предложенное резкое уменьшение тока в момент разрушения перемычки между каплей и электродом ослабляет силу газодинамического удара и препятствует выбросам металла из ванны. Однако широкое использование указанных рекомендаций в промышленных условиях требовало создания принципиально новой силовой полупроводниковой техники и техники автоматического управления.

В последнее время в связи с развитием такой техники появилась возможность применения ее средств с целью усовершенствования процесса сварки в CO2, особенно проволоками диаметром 1,6...2,0 мм, широко используемыми в промышленности.

Настоящая работа посвящена исследованию способов управления плавлением и переносом металла при сварке в углекислом газе проволоками относительно большого диаметра.

Перенос электродного металла в сварочную ванну разделим условно на три основные стадии. Во время первой стадии на торце электрода образуется капля заданного размера. Во второй стадии рост ее прекращается, и вместе с концом электрода она приближается к сварочной ванне. Третья стадия завершается переходом металла в ванну с разрушением перемычки между каплей и электродом. Размер капли должен быть малым, во всяком случае не больше диаметра электрода. При этом практически полностью устраняется хаотическое движение капли. О размере капли можно судить по количеству электричества, протекающего через дугу.

Возможны два варианта получения капель заданной массы. По первому варианту управление плавлением и переносом металла осуществляется с помощью импульсов тока постоянной амплитуды Iи и длительности tи. По второму — дуга питается от источника тока с пологопадающей внешней характеристикой. При помощи измерительного устройства определяют количество электричества, прошедшего через дугу, и по достижении заданного значения снижают сварочный ток с целью уменьшения сил, отталкивающих каплю от ванны.

Остановимся более подробно на особенностях первого варианта. После начала короткого замыкания капли с ванной через некоторый интервал времени повышают ток, чтобы сообщить металлу требуемый импульс силы, а к моменту отрыва капли от электрода — снова снижают его. После отрыва капли и возбуждения дуги плавно повышают ток с целью ослабления газодинамического удара.

Описанный цикл изменения сварочного тока и напряжения на дуге показан на рис. 1.

Поскольку механизмы подачи проволоки работают без обратных связей по параметрам сварочного процесса, целесообразно исследовать динамические свойства систем регулирования. Это особенно важно в случае механизированной сварки, при которой существуют значительные отклонения в значениях вылета электрода и скорости движения проволоки в осевом направлении.

Сделаем следующие допущения: нагревом вылета электрода протекающим по нему сварочным током можно пренебречь; скорость сближения капли с поверхностью ванны постоянна и равна скорости подачи проволоки vп.пр; поперечные размеры капли близки к диаметру электрода. В этом случае длина дуги уменьшается по закону
Управление плавлением и переносом электродного металла при сварке в углекислом газе

где Lн = L — vп.прtк.з; L — длина отрезка проволоки, расплавившегося за предыдущую стадию горения дуги; tк.з — продолжительность короткого замыкания капли с ванной; t — текущее время, отсчитываемое от начала каждого цикла.

Скорость плавления электрода при фиксированном диаметре проволоки пропорциональна току:

где а — коэффициент пропорциональности.

При отсутствии возмущающих воздействий по длине дуги и скорости подачи проволоки электрод за время одного цикла tц перемещается по направлению к ванне на расстояние

Согласно рис. 1, длительность tц равна

где tи и tп — длительность импульса тока и паузы.

Среднюю длину межэлектродного промежутка за интервал времени tц можно определить с использованием выражения (1):

В соответствии с формулой (2), при питании дуги импульсами тока, имеющими амплитуду Iи и длительность tи, значение L будет равно

где Iп — ток паузы (рис. 1).

Используя формулы (3), (4), (6), найдем значение L и частоту коротких замыканий fк.з:

Выражения (7), (8) показывают, что частоту переноса металла определяют значения Iи, tи, Iп, vп.пр. Если Iп = 0, то значение L не зависит от скорости подачи проволоки. В этом случае, как следует из формулы (5), длина дуги слабо зависит от vп.пр, а при tк.з << tц остается постоянной. С увеличением Iп влияние vп.пр на lд.ср усиливается. Это приводит к повышению эластичности дуги.

Рассмотрим динамические свойства системы регулирования. Допустим, что длина дуги скачкообразно изменилась. Поскольку скорость подачи проволоки остается прежней, отклонение длины дуги приведет к изменению времени tп. Согласно формуле (6), при Iп = 0 значение L не зависит от tп. Поэтому в следующем цикле образования капли длина дуги будет такой же, как и до действия возмущения по длине дуги. Таким образом, влияние скачкообразного изменения длины дуги на процесс сварки устраняется предельно быстро — за один интервал времени tц. Быстродействие устранения возмущений по длине дуги дает возможность вести сварку на небольших токах.

Увеличение скорости подачи проволоки приводит к уменьшению времени tп. Возрастает частота импульсов и, следовательно, среднее значение сварочного тока. Повышение vп.пр возможно до такого значения, при котором время tп становится равным нулю. Дальнейший рост скорости подачи проволоки приведет к слиянию импульсов тока и нарушению устойчивости системы регулирования. Максимально допустимое значение скорости подачи проволоки vп.прmax можно вычислить по формулам (3), (4), (7), считая, что tп = 0:

Что касается отклонений вылета электрода, то они приводят к небольшим изменениям массы капель, поскольку доля энергии, выделяющейся в вылете электрода в обычных условиях, относительно невелика (менее 15...20 %).

Свойства системы регулирования, основанной на интегрировании сварочного тока, близки к свойствам системы питания дуги импульсами постоянной амплитуды и длительности, так как за время tи расплавляются отрезки проволоки постоянной длины.

Экспериментальные исследования систем управления проводились с помощью транзисторного регулятора, описанного ранее. Транзисторы 1 (рис. 2) работают в режиме переключения с частотой 20 кГц, обеспечивая высокий КПД преобразования энергии. На динамические свойства регулятора большое влияние оказывает индуктивность кабелей, соединяющих его со сварочным аппаратом и изделием 7. Для того чтобы максимально уменьшить индуктивность и вместе с тем обеспечить соответствие реальным производственным условиям, применяли кабели длиной 10 м, причем на половине этого расстояния они находились в непосредственной близости друг от друга. Это позволило достичь скорости изменения тока в сварочной цепи 2*10в6 А/с. Индуктивность сварочной цепи осталась достаточной для сглаживания выходного напряжения регулятора.

Для удобства формирования различных алгоритмов управления была использована одноплатная микроЭВМ 5 типа «Электроника MC 1201.02». Входным сигналом является напряжение на дуге, преобразуемое в цифровую форму АЦП (поз. 6). Вычислительная машина вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемому значению сварочного тока, который преобразуется в аналоговую форму ЦАП (поз. 4) и поступает на один из входов регулятора тока 3. На второй вход с безындуктивного шунта 2 поступает напряжение, пропорциональное действительному значению тока. Регулятор 3 в зависимости от разности между действительным и требуемым значениями тока производит включение или выключение транзистора 1 Такая система регулирования наиболее проста и имеет предельное быстродействие. Время расчета машиной требуемого значения тока зависит от сложности программы и составляет 20...100 мкс.

В экспериментах осуществлялась наплавка валиков проволокой типа Св-08Г2С диаметром 1,6 мм автоматом АД С-502. Потери металла на разбрызгивание оценивались коэффициентом Kн = (m6р/mпр), где m6p — масса брызг; mпр — масса расплавленной проволоки.

Были исследованы три способа управления плавлением и переносом металла. При первом способе питание дуги осуществлялось импульсами постоянной амплитуды и длительности. При втором способе дуга во время образования капли питалась от источника с пологопадающей внешней характеристикой. Для устранения колебаний тока, связанных с блужданием дуги, система управления имитировала включение дополнительной индуктивности 0,45 мГн в сварочной цепи. Энергия, расходуемая на образование капли, не ограничивалась, но при возникновении короткого замыкания ток резко уменьшался до уровня Iп и поддерживался таким в течение 0,6 мс (рис. 1). Это препятствовало отталкиванию капли. Управление переходом металла с торца электрода в ванну осуществлялось так же, как и в первом способе.

Третий способ управления (для сравнения описанных выше результатов с результатами, получаемыми при эксплуатации обычных источников питания) имитировал работу обычного сварочного выпрямителя с внутренним сопротивлением 0,02 Ом и дополнительной индуктивностью 0,45 мГн.


Первый способ управления обеспечивает стабильный перенос металла, что, в частности, видно из осциллограммы (рис. 3). Потери металла на разбрызгивание по сравнению с обычным источником питания в наиболее неблагоприятном диапазоне рабочих токов снижены на порядок (рис. 4). При использовании второго способа разбрызгивание увеличивается, однако оно все же остается заметно меньшим, чем при третьем способе. Это обусловлено устранением отталкивания капель в случае коротких замыканий и ослаблением газодинамического удара при отрыве капель от торца электрода. При применении обычного источника питания дуги частота перехода капель в ванну и их масса нестабильны. Поэтому шов имеет неровную поверхность. Так, при Iсв = 280 A, Uд = 26 В отклонения высоты валика от среднего значения достигают 15 %. Управление плавлением и переносом металла по первому способу сводит эти отклонения к 3 %.

Таким образом, управление плавлением и переносом металла при сварке в углекислом газе путем изменения сварочного тока позволяет существенно снизить потери металла и улучшить внешний вид шва. Для этого необходим регулируемый источник питания дуги, обеспечивающий скорость изменения тока в сварочной цепи не менее 2*10в6А/с. Достигнуть такой скорости изменения тока позволяют транзисторные регуляторы или источники питания инверторного типа, работающие на частоте 20 кГц и выше.