Тенденции развития управления процессами переноса металла в защитных газах (Обзор)

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

Сварочной дугой называют длительный мощный электрический разряд в ионизированной среде между электродами, находящимися под напряжением.

Электрическая дуговая сварка. При электрической дуговой сварке, или коротко-дуговой сварке, нагрев и плавление металла осуществляется дуговым разрядом, возникающим между электродами. Энергию, необходимую для образования и поддержания дугового разряда, получают от источников питания постоянного или переменного тока

Дуга состоит из трех основных частей - анодной, катодной областей и столба дуги (рис. 1). В процессе горения дуги на поверхности электрода и основного металла образуются активные пятна, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, находящееся на аноде - анодным.

Рис. 1. Электрическая дуга прямого действия: 1 - электрод; 2-3 катодное и анодное пятна; 3 - сварочная ванна; 4 - основной металл; 6, 8 - анодная и катодная области; 7 - столб дуги; Ua - анодное напряжение; UK - катодное напряжение; Uд - напряжение дуги; Uc - напряжение столба; Lд - длина дуги.

Для создания и поддержания дуги необходимо ионизировать воздух или газ в дуговом промежутке. Непрерывная ионизация воздуха или газа обеспечивается электронами, вылетающими с поверхности отрицательно заряженного электрода. Эти электроны сталкиваются с атомами или молекулами газообразных веществ, находящихся в пространстве между электродами, возбуждают или ионизируют их. В процессе горения дуги отрицательно заряженные частицы бомбардируют анод, а положительно заряженные - катод; при этом кинетическая энергия частиц превращается в тепловую и световую, электроны превращаются в электроны проводимости, а ионы нейтрализуются.

Столб дуги представляет собой плазму, нагретую до 6000-8000 °С и состоящую из смеси электронов, нейтральных атомов, положительных и отрицательных ионов. Количество энергии, теряемой в столбе дуги на направленное перемещение электронов и ионизацию газов, примерно 21%.

Выделение тепловой и световой энергии в сварочной дуге происходит неравномерно. Электроны, достигшие анода, отдают ему свою энергию. Здесь образуется сильно нагретое <анодное пятно>. Положительные ионы плазмы движутся к катоду и, отдавая ему энергию, формируют так называемое <катодное пятно>. Обычно в дуге преобладает электронная компонента тока, вследствие чего на аноде выделяется больше тепла, чем на катоде. Считается, что на анод приходится 43, а на катод - 36% энергии, остальная рассеивается в столбе дуги. Необходимое условие существования дуги - поддерживаемая ионной бомбардировкой высокая температура катода, благодаря которой происходит эмиссия электронов, ионизирующих газ в столбе дуги.

. Широкое практическое применение находит дуга прямого действия (рис. 1-3, а), горящая между свариваемым металлом и специальным стержнем-электродом. Для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах.

Значительно меньшее применение находит дуга косвенного действия, горящая между двумя стержнями-электродами. В этом случае для расплавления основного металла, который не включен в электрическую цепь, используется теплота, выделяемая при соприкосновении свариваемой поверхности со столбом (плазмой) дуги, и теплота, получаемая за счет излучения и конвекции. Сварку дугой косвенного действия можно выполнять как с присадочным металлом, так и без него. Ограниченное применение

дуги косвенного действия обусловлено ее меньшей эффективностью. Возможно использование комбинированной дуги, включенной в сварочную цепь по схеме, приведенной на рис. 1-3, б, или по трехфазной схеме (рис. 1-3, в). В этих случаях дуговой разряд возникает между электродами и между электродами и основным металлом

Рис. 9.2. Статические вольтамперные характеристики сварочной дуги

Рассмотрим подробнее условия горения дуги прямого действия между металлическим электродом и свариваемым металлом, являющейся наиболее распространенной в практике дуговой сварки.

Возникновение дуги (рис. 28). При касании концом электрода свариваемого металла происходит короткое замыкание сварочной цепи (рис. 28,а). Проходя через отдельные выступы, ток, имеющий в точках соприкосновения электрода с металлом очень высокую плотность, мгновенно расплавляет их, вследствие чего между электродом и металлом образуется тонкая прослойка из жидкого металла (рис. 28,6). В следующий момент сварщик несколько отводит электрод, отчего в жидком металле образуется шейка (рис. 28, б), в которой плотность тока и температура металла возрастают. Затем, благодаря испарению расплавленного металла, шейкаразрывается, газы и пары, заполняющие образовавшийся промежуток, мгновенно ионизируются и между электродом и металлом
возникает сварочная дуга (рис. 28,г).

Напряжение дуги. Определяется разностью потенциалов между катодом (электродом) и анодом (свариваемым металлом).

Общее падение напряжения в дуге U_Д складывается из падения напряжения в катодной области U_K, столбе дуги U_ст и анодной области U_а, т. е.

Линия а—б—в—г показывает изменение напряжения в трех основных областях дуги. Величины падения напряжения в катодной и анодной областях можно считать постоянными, так как они зависят только от материала электродов, давления и свойств газовой среды. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги (L), за которую принимается расстояние между поверхностями катодного и анодного пятна (при глубоком проваре часть дуги погружена в металл). Для средних значений тока, при которых производится ручная и автоматическая сварка, можно считать, что напряжение дуги не зависит от величины тока, а определяется только длиной дуги. Чем короче дуга, тем ниже напряжение в ней и, наоборот, с удлинением дуги ее напряжение возрастает. Это обусловлено повышением сопротивления столба дуги с увеличением его длины.

Поэтому для подсчета общего напряжения дуги можно пользоваться следующей приближенной формулой

U_Д = a + b_*L, где U_Д — напряжение дуги, В;

а - постоянный коэффициент, выражающий сумму падений напряжения на катоде и аноде дуги, не зависящий от длины дуги, В;

b - среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм; L — длина дуги, мм.

Для стальных электродов можно в среднем принять а=10 В и b = 2 В/мм. Тогда напряжение дуги длиной L = 4 мм составит:

U_Д= 10 + 2_*4 = 18 В.

На величину напряжения дуги могут влиять также состав электрода и свариваемого металла, состав и давление окружающей дугу газовой среды (воздуха, аргона, гелия, углекислого газа) и другие факторы.

Дуга при сварке металлическим электродом горит устойчиво при напряжении 18—28 В, а при сварке угольным или графитовым — при 30—35 В. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для ее нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для ионизации атомов газового промежутка, что можно достичь только при более высоком напряжении зажигания дуги.

Вольтамперная характеристика дуги. Кривая, показывающая зависимость между напряжением и током в дуге, называется вольтамперной характеристикой дуги и соответствует установившемуся (стационарному) горению дуги. На рис. 29, а изображена в общем виде такая характеристика дуги. Точка А соответствует моменту возникновения дуги. Как видно из графика, при малых токах (участок I) характеристика дуги падающая, т. е. при возрастании тока напряжение дуги падает. Это вызвано тем, что при токах до 80 а увеличение тока приводит к увеличению площади сечения столба дуги и его электропроводности. Такая дуга малоустойчива и поэтому находит ограниченное применение при сварке. При токах от 80 до 800 а (участок II) дуга имеет жесткую характеристику (линия горизонтальна), т. е. напряжение дуги не изменяется при увеличении или уменьшении тока. Это обусловлено тем, что при этих условиях площадь сечения столба дуги и площади катодного и анодного пятен увеличиваются (или уменьшаются) пропорционально величине тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех областях дуги остаются постоянными, независимо от изменения тока. Такая дуга находит наиболее широкое применение при сварке. При токах свыше 800 а плотность тока в дуге повышается настолько, что при увеличении тока начинает возрастать и напряжение дуги. Это обусловлено тем, что

в этих условиях площадь катодного пятна уже не может увеличиваться, так как площадь сечения электрода оказывается недостаточной и возрастает сопротивление столба дуги, т. е. его электропроводность понижается. Дуги с возрастающей характеристикой широко используются при сварке под флюсом и в защитных газах. На рис. 29, б показаны характеристики дуг при сварке низкоуглеродистой стали покрытым электродом, относящиеся к области I и II. Кривая 1 относится к дуге длиной 2 мм, кривая 2— к дуге длиной 5 мм. Штриховые кривые 3 и 4 относятся к области III и являются характеристиками дуг при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом при высокой плотности тока. На рис. 29, в даны характеристики дуг III области при сварке нержавеющей стали проволокой марки 0Х18Н9, а именно: 1—3 - сварка в углекислом газе; 4—6 - сварка в аргоне; характеристики 1 и 4 соответствуют проволоке диаметром 1 мм; 2 и 5 - диаметром 1,6 мм; 3 и 6 - диаметром 2 мм.

Устойчивость горения дуги. Дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания, называется устойчивой. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род и полярность тока, состав покрытия электродов, длина дуги.

Для электродов диаметром 4—5 мм с покрытием нормальная длина дуги равна 5—6 мм. Такая дуга называется короткой; она горит устойчиво и обеспечивает нормальное протекание процесса сварки.

Дуга, у которой длина более 6 мм, называется длинной. Процесс плавления металла электрода при длинной дуге протекает неравномерно. Стекающие с конца электрода капли металла в большей степени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге понижается производительность, увеличивается разбрызгивание металла, чаще образуются места с непроваром и недостаточным сплавлением наплавленного металла с основным.

Дуга постоянного тока. При сварке на постоянном токе дуга может питаться током прямой или обратной полярности. При прямой полярности минус источника тока подключают к электроду, а при обратной полярности — к свариваемому изделию. При сварке угольным электродом дуга легче возбуждается и устойчивее горит, если ток имеет прямую полярность. Ток обратной полярности применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение тепла на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей и т. д., а также при пользовании некоторыми видами электродов (например, с фтористокальциевым покрытием типа УОНИ-13 и др.).

Чтобы определить полярность цепи постоянного тока, в стакане воды растворяют половину чайной ложки поваренной соли, опускают в раствор оба провода цепи и включают сварочный ток. Тот провод, около которого происходит интенсивное выделение пузырьков газа (водорода), будет отрицательным, а второй — положительным. Концы проводов на длине 1—2 см должны быть очищены от изоляции. Для определения полярности тока применяют также специальные полюсоуказателл (индикаторы полярности).

Дуга переменного тока. В дуге переменного тока напряжение и ток будут изменяться в соответствии с частотой тока. На рис.30 показаны кривые изменения напряжения и тока в дуге переменного тока за один период. Так как в каждом полупериоде ток I_д и напряжение дуги U_Д изменяются от нуля до максимальных значений, то за этот же промежуток времени уменьшается температура столба дуги и степень ионизации дугового промежутка. Вследствие этого для возбуждения дуги после прохождения тока через нулевое значение (точка А на рис. 30) необходимо повышенное напряжение, равное U_заж, которое больше нормального напряжения дуги U_д.

Для повышения устойчивости горения дуги переменного тока в покрытия электродов и сварочные флюсы вводят элементы с низким потенциалом ионизации: калий, натрий и кальций, которые облегчают возбуждение дуги после того, как ток уменьшается до нуля, и одновременно изменяет свое направление на противоположное.

Магнитное дутье. Вокруг дуги и в свариваемом металле возникают магнитные поля. Если эти поля расположены относительно оси дуги несимметрично, то они могут отклонять дугу, являющуюся гибким проводником тока, что затрудняет сварку. Отклоняющее действие магнитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья.

Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, поэтому магнитное дутье особенно заметно при сварке постоянным током значительной величины (свыше300—400 А). При сварке переменным током покрытыми электродами и сварке под флюсом явление магнитного дутья сказывается значительно слабее, чем при постоянном токе и применении голых или тонкопокрытых электродов.

На величину магнитного дутья оказывает также влияние расположение стальных (ферромагнитных) масс вблизи места сварки, место подвода тока к изделию, форма изделия, тип сварного соединения, наличие зазоров и другие причины. Для уменьшения отклоняющего действия магнитных полей на дугу следует вести сварку возможно более короткой дугой, подводить сварочный ток к изделию в точке, расположенной как можно ближе к месту сварки, а также изменять угол наклона электрода так, чтобы нижний конец электрода был обращен в сторону отдувания дуги. При больших помехах, создаваемых магнитным дутьем, следует переходить, если это возможно, на сварку переменным током.

На рис. 31, а, б и в показано влияние на отклонение дуги места подвода тока к изделию, а на рис. 31, г — влияние больших ферромагнитных масс. Для уменьшения влияния этих масс, отклоняющих дугу в нежелательную сторону, на свариваемое изделие укладывают дополнительную массивную стальную плиту со стороны противоположной отклонению дуги, и к ней присоединяют один провод от источника питания. Плиту размещают на расстоянии 200—250 мм от места сварки и постепенно передвигают вдоль шва по мере движения дуги.

Тенденции развития управления процессами переноса металла в защитных газах (Обзор)

Проанализированы тенденции развития современных источников питания дуги и технологий сварки плавящимся электродом в защитных газах. Рассмотрены различные типы переноса металла электрода и возможность управления ими путем варьирования параметров сварочного тока. Обоснована перспективность управляемого импульсно-ду-гового процесса сварки в защитных газах.

Ключевые слова: управление переносом металла, дуговая сварка плавящимся электродом, защитные газы, короткие замыкания, вращающаяся дуга

Среди дуговых процессов сварка плавящимся электродом в защитных газах занимает ведущее место в промышленности Западной Европы, США, Японии [1,2]. Однако новые функциональные возможности сварочного оборудования, в том числе источников питания дуги, которые открываются благодаря развитию силовой электроники, не всегда способствуют появлению качественно новых технологических процессов сварки. Разработчики зачастую рекламируют сварочное оборудование, реализующее различные алгоритмы управления, но обеспечивающее лишь один тип переноса металла электрода, как совершенно новые технологии.

В данной работе автором проанализированы тенденции развития управления переносом металла в защитных газах и технологий сварки плавящимся электродом, а также показана роль импульсно-дугового процесса с управляемым переносом металла электрода.

Многие характеристики процесса сварки в защитных газах зависят от типа переноса металла электрода, который оказывает существенное влияние на различные технологические характеристики сварочной дуги, например, тепловой баланс, ее пространственную устойчивость, интенсивность протекания металлургических реакций в зоне сварки, потери на угар и разбрызгивание, а также глубину проплавления, параметры и форму сварных швов [3].


Рис. 1. Диапазон сварочных токов и напряжений на дуге при различных типах переноса металла	Рис. 2. Схема основных параметров сварочного процесса, воздействующих на перенос металла электрода

Существует несколько типов переноса металла электрода в защитных газах [4], основными из которых являются мелко- или крупнокапельный с короткими замыканиями (КЗ) дугового промежутка; мелко- или крупнокапельный без КЗ дугового промежутка и струйный процесс, различают также вращательно-струйный. Перенос парами металла присутствует в меньшей или большей мере при всех способах сварки плавящимся электродом в защитных газах. Однако зачастую имеются смешанные типы переноса металла, обусловленные изменением параметров сварочных процессов. Отдельно следует выделить управление переносом металла по принципу «один импульс - одна капля».

Тип переноса металла, а также силы, действующие на металл электрода в дуге, достаточно полно описаны в работах [4, 5]. Каждый тип переноса металла характеризуется как преимуществами, так и недостатками. Поэтому от типа переноса зависят многие технологические характеристики процесса сварки плавящимся электродом в защитных газах, например диапазон свариваемых толщин.

Для каждого типа переноса металла электрода имеется свой диапазон значений сварочных токов и напряжений на дуге (рис. 1). Для импульснодуговой сварки плавящимся электродом (ИДСПЭ) наиболее эффективный диапазон средних токов сварки составляет 60...300 А, напряжения на дуге — 16...32 В.

Тип переноса металла зависит от многих параметров процесса сварки. Основными с точки зрения управления процессом являются следующие: состав электродной проволоки и защитной среды; значение, полярность, плотность и форма сварочного тока; возможность применения различных механизмов подачи сварочной проволоки. Существуют различные возмущающие воздействия, которые необходимо учитывать при проектировании сварочного оборудования, так как они могут изменить тип переноса металла. Например, при ИДСПЭ уменьшение напряжения питающей сети или вылета электрода может привести к изменению переноса от мелкокапельного без КЗ до переноса с ними [6]. Состояние поверхности проволоки также может сказаться на изменении типа переноса металла электрода. Сварку в защитных газах, как правило, выполняют на постоянном токе. Наличие в процессе сварки магнитного дутья изменяет длину и форму дуги, что в свою очередь оказывает влияние на формирование и отделение капель. На рис. 2 представлена схема основных составляющих сварочного процесса, влияющих на перенос металла электрода.

Путем варьирования составов защитной газовой смеси и сварочных проволок улучшают качество металла швов, воздействуя прежде всего на силы поверхностного натяжения металла и степень сжатия сварочной дуги [7-9]. При этом мелкокапельный перенос металла достигается при меньших значениях сварочного тока.

Механизмы подачи сварочной проволоки также позволяют эффективно управлять процессом сброса капель, особенно при сварке с КЗ [10, 11]. Особая роль при получении необходимого типа переноса металла электрода принадлежит источникам питания сварочной дуги. Изменяя форму сварочного тока, можно эффективно влиять на процессы формирования капли, время ее нахождения в дуге и многое другое.


Рис. 3. Фирмы-производители оборудования для процесса сварки в защитных газах с КЗ	Рис. 4. Схема развития процесса ИДСПЭ

Оптимизация приведенных на рис. 2 параметров, воздействующих на перенос металла при сварке плавящимся электродом, зависит от конкретных технологических задач. Как правило, сначала оптимизируется какой-либо один параметр, а затем с учетом эффективности управления — следующий. Например, при ИДСПЭ сталей в смеси газов сначала оптимизировался состав газовой смеси.

Для современного трубопроводного транспорта требуются высокие значения рабочего давления перекачки энергоносителей и применение высокопрочных трубных сталей Х80 и X100. Сварка плавящимся электродом таких сталей привела к необходимости создания новых защитных смесей, например Аг + 12 % CO₂ + 5 % Не, позволяющих получать хорошее сплавление с боковыми стенками при многопроходной автоматической сварке [9]. Далее оптимизации подвергается форма импульсов сварочного тока, разрабатываются системы автоматической стабилизации параметров процесса.

Для управления процессом сварки плавящимся электродом с КЗ дугового промежутка используется много способов [12]. На рис. 3 представлены основные фирмы, выпускающие оборудование, на котором реализуются процессы сварки с КЗ.

Преимущества, связанные с использованием переноса металла с КЗ, производители сварочного оборудования описывают по-разному. Процесс STT (SurfaceTensionTransfer — перенос за счет сил поверхностного натяжения) фирмы «LincolnElectric» использует для работы быстродействующий инверторный источник питания, который позволяет управлять формой сварочного тока [13, 14]. В источнике питания дуги применена улучшенная технология управления формой сварочного тока (WaveformControlTechnology), обеспечивающая значительные преимущества по сравнению с традиционной сваркой MIG КЗ. Этот способ преимущественно предназначен для сварки корневых швов, а также снижения разбрызгивания, особенно в чистом CO₂.

Процесс ColdMetalTransfer (СМТ — перенос «холодного» металла) фирмы «Fronius» реализуется посредством реверсирования подачи проволоки [15, 16]. Среди преимуществ необходимо отметить незначительное разбрызгивание, в том числе и при использовании чистого CO₂, возможности сварки по увеличенному зазору за счет снижения тепловложения и пайки, а также сварки металла с различными теплофизическими свойствами, например стали с алюминием [16].

Фирма EWM реализует процесс ColdArc, предназначенный для сварки с КЗ, который позволяет соединять стальные листы толщиной от 0,3 до 1.5...2.0 мм, а также оцинкованные листы, хорошо управлять сваркой корневых швов в труднодоступных местах, выполнять сварку магниевых сплавов, сварку соединений сталь-алюминий, сталь-магний, алюминий-магний.

Технология FastRoot фирмы «Kemppi» осуществляет процесс с КЗ посредством цифрового управления сварочным током и напряжением дуги. FastRoot в основном разработана для сварки корневых швов, но может использоваться и для сварки тонкого металла [10].

НПО «СЭЛМА-ИТС», НПП «Технотрон» разработан процесс сварки с вынужденными КЗ (ВКЗ) дугового промежутка [10, 13], позволяющий уменьшать разбрызгивание в чистом CO₂.

Рис. 5. Формы сварочного тока и характер переноса металла электрода при ИДСПЭ алюминиево-магниевых сплавов (а), углеродистых (б) и нержавеющих сталей (в) [23]

Рис. 6. СМТ Pulse-Advanced процесс [26]

Японские специалисты также работают над процессом сварки дугой с КЗ. Представляют интерес работы по управлению формой импульса сварочного тока SP-MAG (superimposition — наложение) токов [17]. К преимуществам способа относят незначительное разбрызгивание металла, стабильность горения дуги, а также возможность управления тепловложением. Разработанная система управления MTS (MetalTransferStabilization) предотвращает образование больших капель и уменьшает разбрызгивание.

Таким образом, производители под различными торговыми марками выпускают электросварочное оборудование, реализующее процесс сварки с КЗ с упомянутыми преимуществами. Оно находит применение в различных отраслях промышленности – автомобильной, транспортном машиностроении, пищевой и химической промышленности, обработке тонколистового металла.

Совершенствуются технологии, осуществляющие процессы сварки со струйным и вращательно-струйным переносом металла электрода. Немецкая фирма EWM выпустила на рынок оборудование Integral-inverter MIG 500 HIGH-SPEED, реализующее высокоскоростную сварку вращающейся дугой [18].

Как правило, процессы сварки с повышенной длиной вылета электрода и переходом к вращательно-струйной дуге технологически использовали мало. Немецкие исследователи применяли сплошные проволоки диаметром 1,2 мм, защитный газ Аг + 4 % O₂, длина вылета составляла 25...35 мм, скорость сварки достигала 30 м/ч. На основании полученных результатов исследования процесса сварки вращающейся дугой можно сделать вывод о возможной альтернативе сварке под флюсом [18].

Особое место среди различных типов переноса электродного металла занимает управляемый импульсно-дуговой перенос [19], который применяют не только для сварки различных материалов, но и для реализации переходных типов переноса металла, а также осуществления новых комбинированных гибридных технологий сварки. На рис. 4 представлена схема развития областей применения процесса ИДСПЭ.

Интенсивно развивается направление, связанное с регулированием формы импульса сварочного тока для процесса ИДСПЭ. В ИЭС им. Е. О. Патона это направление появилось еще в 1980-х годах [20, 21]. Очень важны также теплофизические свойства свариваемых материалов, что отражается, например, на построении систем автоматической стабилизации процесса ИДСПЭ [22].

Представляют научный интерес работы японских специалистов в области регулирования формы сварочного тока для ИДСПЭ [23]. В случае алюминиево-магниевых сплавов при прямоугольной форме импульсов сварочного тока отрыв капли приводит к образованию мелких брызг, поэтому предлагается форма импульса, позволяющая устранить налипание брызг на изделие и улучшить внешний вид сварных швов (рис. 5, а).

Для углеродистой стали используют защитный газ с 20...25 % С02. Но в заводских условиях на крупных машиностроительных предприятиях, где проведена централизованная подача газовой смеси, колебания состава смеси могут достигать нескольких процентов. Это дестабилизирует капельный перенос металла, действующий по принципу «один импульс — одна капля». Поэтому японские специалисты формируют двухступенчатые импульсы (рис. 5, б). Таким образом достигается капельный перенос металла даже при содержании в смеси до 30 % CO₂, а также подавляется образование очень мелких брызг, появляющихся после отрыва основной капли. Помимо уменьшения брызгообразования, происходит и экономия защитного газа (аргона).

Рис. 7. Способ AC Pulsed MIG [27]: а-д — кинограммы переноса металла электрода; 1,2 — текущие значения соответственно напряжения на дуге и сварочного тока (проволока А5356 диаметром 1,2 мм; действующие значения сварочного тока 100 А, действующее значение напряжения на дуге 16,8 В, обратная полярность 20 %)

При ИДСПЭ нержавеющей стали, которая имеет большее поверхностное натяжение, применяется смесь Ar+CO₂ с большим содержанием аргона и добавлением O₂. Но часто происходит нарушение синхронного переноса металла через дугу. Поэтому разработана форма импульса, которая по мере образования капли замедляет процесс ее отделения (рис. 5, в).

Представляет интерес способ с наложением импульсов низкой частоты для измельчения зерна и снижения чувствительности к кристаллизационным трещинам. В ИЭС им. Е. О. Патона также занимались подобным модулированием сварочного тока. Так, при ИДСПЭ стыковых соединений из сплава АМгб благодаря низкочастотной модуляции в паузе стало возможным исключить прожоги и нарушение формирования швов из-за неточностей сборки [24].

Импульсно-дуговая сварка получила развитие в новых технологиях. Появились источники питания импульсной дуги, реализующие модернизированный способ сварки «SpeedPulse» [25]. Предлагаемый подход позволяет сбрасывать за один импульс несколько капель электродного металла и задействовать часть струйного процесса в области малых токов. Таким образом, импульсная дуга становится более эффективной — увеличивается глубина проплавления и повышается скорость сварки. Новый процесс хорошо зарекомендовал себя при сварке углеродистых сталей [25].

Фирма «Fronius» предложила процессы сварки СМТ Advanced и CMT-Pulse-Advanced [26]. По сравнению с уже известной технологией «холодного» переноса металла, СМТ Advanced обеспечивает низкое тепловложение. Новая технология дает возможность заполнять более широкие зазоры в результате варьирования циклов тепловложения. На рис. 6 представленакинограмма процесса СМТ Pulse-Advanced. Отделение капли происходит в моменты КЗ и действия импульсов обратной полярности (как при «классической» импульсно-дуговой сварке). Таким образом, совмещаются два типа переноса металла электрода — с КЗ и мелкокапельный импульсно-дуговой без КЗ.

Рис. 8. Области реализации процесса ИДСПЭ

«Классическую» ИДСПЭ выполняют на постоянном однополярном токе. Поэтому вопросы магнитного дутья остаются актуальными. Развивается направление, связанное с ИДСПЭ, при котором базовый ток дуги изменяет полярность (рис. 7) [27, 28]. Таким образом, уменьшается тепловложение. Преимуществами импульсного процесса на переменном токе (AC Pulsed MIG) являются низкая температура сварочной ванны (сварка изделий с тонкой стенкой), лучшее отделение капли, предотвращение магнитного дутья.

ИДСПЭ получила развитие в технологических процессах TimeTwine, Pulse MIG/MAG-Laser и TimeTwin-Pulse MIG/MAG-Laser, где применяются две импульсные дуги, импульсная дуга и лазер, три импульсные дуги и лазер [29-32].

Таким образом, процесс ИДСПЭ имеет преимущества как при соединении различного класса материалов, так и при различных типах переноса электродного металла. На рис. 8 представлены области реализации процесса ИДСПЭ с различными типами переноса электродного металла.

Выводы

I. Электросварочное оборудование для дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах реализует основные типы переноса металла электрода, получают развитие переходные типы переноса металла электрода.
2. Показано, что управляемый импульсно-дуговой процесс эффективно применяется при сварке большого спектра металлов, а также во многих комбинированных технологиях.
3. Установлено, что разработка современного электросварочного оборудования, реализующего различные типы переноса металла электрода, должна происходить с учетом управляемого импуль-сно-дугового процесса сварки.

Литература

1. Миддельдорф К., фон Хофе Д. Тенденции развития технологий соединения материалов // Автомат, сварка. — 2008. — № 11, —С. 39-47.
2. Сато К. Современные источники питания для дуговой сварки с низким разбрызгиванием // Технология сварки. — 2008. — № 2. — С, 60-65. — Яп.
3. Сварка в машиностроении: Справ, в 4 т. / Под ред. Н. А. Ольшанского. — М.: Машиностроение, 1978. — T.1 — 504 с.
4. Потапъевский А. Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. — М.: Машиностроение, 1974. — 240 с.
5. Ленивкин В. А., Дюргеров Н. Г., Сагиров X. Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. — М.: Машиностроение, 1989. — 264 с.
6. Шейко П. П., Жерносеков А. М., Шимановский Ю. О. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом с автоматической стабилизацией параметров режимов Автомат.сварка. — 2004. — № 1. — С. 8-11.
7. Criteri di sceltadel gas di protezione per la saldatura a filo continuo con filipieni // Riv. italianadellasoldatura. — 2010. — № 5. — P. 629-637.
8. Kusch M. Metall-Inertgasschweißen von AluminiummitgepulsterSchutzgaszufuehr // Schweißen und Schneiden. — 2006. — 58, № 1. — S. 19-22.
9. Автоматизированная сварка трубопроводов: Сварка за ру-бежом // Автомат, сварка. — 2005. — № 1. — С. 52-56.
10. Лебедев В. А. Тенденции развития механизированной сварки с управляемым переносом электродного металла (Обзор) // Там же. — 2010. — № 10. — С. 45-53.
II. Воропай H. М. Параметры режимов и технологические возможности дуговой сварки с импульсной подачей электродной и присадочной проволоки // Там же. — 1996, —№ 10, —С. 3-9.
12. Ланкин Ю. Н. Автоматическое управление процессом сварки плавящимся электродом в CÔ2 с периодическими короткими замыканиями дугового промежутка (Обзор! Там же. — 2007. — № 1. — С. 3-10.
13. Особенности современных установок для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах / М. В. Карасев, E. М. Вышемирский, В. И. Беспалов и др. // Там же. —2004. —№ 12. — С. 38-41.
14. Влияние параметров импульсной сварки методом STT на тепловыделение и структуру соединения / О. В. Зябкин. В. Н. Кусков, Д. А. Потапов, А. П. Крылов // Загот. пр-ва в машиностр. — 2009. — №4. — С. 13-15.
15. Бондаренко В. Л. Дуговая сварка с импульсной подачей электродной проволоки — процесс СМТ, предложенный фирмой «Фрониус» // Автомат, сварка. — 2004. — № 12. — С. 55-58.
16. Химмельбауер К. Процесс СМТ— революция в сварочных технологиях // Сварщик в России. — 2010. -№ 3. — С. 28-32. — Яп.

Подробнее:http://www.kzeso.com/ru/biblioteque/detail.php?ID=7572

А. М. Жерносеков, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ незаменим для управления процессом тепловложения и кристаллизации сварочной ванны. Применение импульсного режима:

облегчает работу сварщика при сварке деталей малых толщин;
ведение сварки в различных пространственных положениях;
снижает требования к квалификации сварщика, например при сварке вертикальных и потолочных швов.

Совершенствование процесса сварки неплавящимся электродом

Наличие импульсного режима работы, при котором возможна регулировка времени и тока импульса, а также времени и тока паузы позволяет в широких пределах регулировать глубину проплавления и скорость кристаллизации металла шва при сварке труб и металлоконструкций в любом пространственном положении. Продолжительность и величина тока импульса подбирается таким образом, чтобы обеспечить проплавление, но не допустить прожога материала. Во время тока паузы сварочная ванна при минимально возможном токе горения дуги должна охладиться и частично закристаллизоваться. При помощи импульсного режима можно обеспечить требуемую проплавляющую способность дуги без опасности прожогов и получить большее количество наплавленного металла в единицу времени. При этом упрощается технология однопроходной сварки и выполнение корневых проходов при многослойной сварке труб и металлоконструкций без подкладок даже при больших, чем при обычной сварки, допусках на сборку, повышается эффективность процесса сварки и улучшается формирование швов. Швы получаются с плавными очертаниями и мелкой чешуйчатостью, соответствующей выбранному режиму пульсации дуги.

Режим модуляции (фокусировки дуги) позволяет максимально сфокусировать дугу, что дает возможность точнее управлять направлением перемещения и размером сварочного пятна.
Импульсная модуляция тока дуги, по-другому - наложение колебаний определенной частоты на стандартную форму тока, позволяет изменить глубину и форму проплавления металла, изменить форму сварочной дуги от традиционного «колокола» до более концентрированного вида – сфокусировать ее. Помимо изменения формы, дуга приобретает большую стабильность и «давление».
Основное отличие импульсной модуляции тока от традиционной сварки в импульсном режиме в частоте переменной составляющей тока. Ели для импульсного режима это, как правило, единицы или десятки Гц, то в случае импульсной модуляции – это сотни Гц. В последнем случае, скорость изменения тока сравнима со скоростью протекания динамических процессов в дуге.

Рис.1 а) «обычная» сварочная дуга; б) «фокусированная» сварочная дуга.

Таким образом, функция фокусировки дуги позволяет получить точно сфокусированную стабильную сварочную дугу с высоким давлением плазмы и надежный равномерный провар шва.
При сварке корневого прохода труб по открытому зазору фокусировка и увеличение давления плазмы дуги позволяет получать уверенное проплавление и формирование обратного валика даже при уменьшении зазора до 1,5 мм. При сварке заполняющих проходов стабилизация дуги и увеличение температуры анодного пятна ведет к лучшему проплавлению металла и уменьшению риска получения несплавлений.
Режим фокусировки стабилизирует конус дуги и уменьшает блуждание, позволяя упростить сварку угловых стыков.

Рис. 2. а, б) отклонение «обычной» сварочной дуги при сварке угловых швов; в) «фокусированная» сварочная дуга.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 532; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!