СПОСОБ СВАРКИ КОМБИНАЦИЕЙ ДУГ

Изобретение относится к области сварки и может использоваться в машиностроении для наплавки слоев с особыми свойствами и сварки сложно свариваемых сталей и сплавов.

Известен способ сварки дугой прямого действия в инертных газах между неплавящимся электродом и изделием с подачей присадочной проволоки в зону дуги (см. И.А. Гедовиус, В.М. Шмаков. «Сварка новых материалов в среде защитных газов», Куйбышев, 1969. - 111 с. С. 5, рис. 1).

К недостаткам этого способа относятся низкие производительность и стабильность скорости расплавления электродной проволоки. Это обусловлено тем, что проволока нагревается только конвекцией и излучением от столба дуги, поэтому случайные изменения положения проволоки относительно столба дуги приводят к существенному изменению скорости ее расплавления.

Известен способ дуговой механизированной сварки в среде аргона комбинацией дуг прямого и косвенного действия, по которому к неплавящемуся электроду подключают отрицательный полюс сварочного источника питания, а к изделию его положительный полюс, используют плавящийся электрод, подключаемый к положительному полюсу источника питания, зажигают дугу прямого действия прямой полярности между неплавящимся электродом и изделием и дугу косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродом через балластное сопротивление (см. статью И.Е. Тавер, М.Х. Шоршоров. «Сварка стали двойной плазменной струей», Сварочное производство, 1971 г., №10, С. 26-28). Этот способ принят за прототип. Он может быть использован и для свободной сварочной дуги.

Недостатками данного способа сварки является сильное взаимодействие собственных магнитных полей дуг, приводящее к нестабильности пространственного положения дуг и переноса электродного металла в сварочную ванну, что приводит к большому разбрызгиванию электродного металла и нестабильности размеров наплавляемого валика. Использование балластного сопротивления для питания дуги косвенного действия не всегда обеспечивает горение дуги на всех режимах, так как дуга с плавящимся электродом требует питания от источника с жесткой вольтамперной характеристикой, а балластное сопротивление дает падающую ВАХ.

В известном способе механизированной сварки в среде инертного газа комбинацией дуг прямого и косвенного действия, при котором к неплавящемуся электроду подключают отрицательный полюс сварочного источника питания, а к изделию его положительный полюс и зажигают между ними дугу прямого действия, плавящийся электрод подключают к положительному полюсу второго источника питания, отрицательный полюс которого подключают к неплавящемуся электроду, зажигают дугу косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами, последний подают непрерывно в дугу прямого действия.

В отличие от прототипа, обеспечивают периодическую однонаправленную пульсацию токов дуг прямого и косвенного действия, причем во время увеличения тока дуги прямого действия ток дуги косвенного действия уменьшают, а в период уменьшения тока дуги прямого действия ток дуги косвенного действия увеличивают, длительность протекания большого тока дуги косвенного действия на плавящийся электрод устанавливают в пределах 0,2…0,8 по отношению к циклу протекания тока.

Для обеспечения требуемой производительности расплавления электродного металла средний ток дуги косвенного действия определяют по формуле:

I_CK=(πd_Э²V_Эρ)/(4α_P),

где d_Э - диаметр плавящегося электрода, см;

V_Э - требуемая скорость расплавления электрода, см/с;

ρ - плотность плавящегося электрода, г/см³;

α_P - коэффициент расплавления плавящегося электрода при сварке дугой прямого действия на обратной полярности при токе I_C.

При уменьшении тока дуг прямого и косвенного действия их минимальные средние значения выбирают обеспечивающими их стабильное горение.

При назначении частоты пульсаций тока в дугах косвенного и прямого действия минимальную ее величину выбирают больше отношения V_Э/d_Э.

Технический результат предлагаемого способа заключается в том, что снижение токов одной дуги во время увеличения токов другой, обеспечивает значительное снижение воздействия магнитных полей дуг прямого и косвенного действия друг на друга, вследствие чего повышается стабильность процесса, уменьшается разбрызгивание электродного металла. Питание дуг прямого и косвенного действия от различных источников питания позволяет обеспечить их устойчивое горение в пульсирующем режиме. При этом сохраняются технологические преимущества известного способа по независимому регулированию производительностей расплавления основного и электродного металлов и равномерность расплавления и подачи электродной проволоки.

Сила взаимодействия магнитных полей токов дуг, согласно закону Ампера, пропорциональна произведению токов дуг. При работе в пульсирующем режиме произведение средних токов дуг в период пульсации всегда меньше произведения их средних значений, присущих действию дуг в стационарном режиме.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа, на фиг. 2 - циклограмма тока в дуге прямого действия, на фиг. 3 - циклограмма тока в дуге косвенного действия, на фиг. 4 - зависимости коэффициента расплавления электродной проволоки от тока дуги обратной полярности, фиг. 5 - вольтамперные характеристики дуги и источника питания.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа сварки. В сварочную горелку 1 подается защитный газ аргон. В горелке помещен неплавящийся вольфрамовый электрод 2. Между электродом 2 и изделием 3 горит дуга 4 прямого действия от сварочного источника питания постоянного тока 5. Отрицательный полюс источника 5 подключен к неплавящемуся электроду 2. Положительный полюс источника питания 5 имеет два выхода с проводниками, подключенными к изделию 3 через электронные ключи 6 и 7.

Ключ 6 обеспечивает включение малого тока пульсаций дуги прямого действия, а ключ 7 - большого тока пульсаций. Управление электронными ключами 6 и 7 производится с помощью специальной схемы управления. В период включения ключа 6, ключ 7 отключен и наоборот.

В дугу прямого действия 4 подается плавящийся электрод 8 с постоянной скоростью V_Э.

К плавящемуся электроду 8 подключаются два выхода через установленные в проводниках электронные ключи 9 и 10 от положительного полюса второго источника питания постоянного тока 11. Отрицательный полюс источника питания 11 подключен к неплавящемуся электроду 2. Между плавящимся электродом 8 и неплавящимся электродом 2 горит дуга 12 косвенного действия. Два выхода положительного полюса источника питания 11 обеспечивают различные по величине токи дуги 12 косвенного действия между электродом 8 и электродом 2 в периоды увеличения или уменьшения сварочного тока. Переключение выходов положительного полюса источника питания 11 на большой пульсирующий ток или малый пульсирующий ток дуги 12 осуществляется посредством электронных ключей 9 и 10 с помощью той же специальной схемы управления. В период включения ключа 9, ключ 10 отключен и наоборот. Ключ 9 обеспечивает протекание большого тока дуги косвенного действия 12, а ключ 10 - малого тока. Длительности включения и выключения ключей 6 и 9 настроены так, что длительность протекания малого тока в дуге прямого действия 4 между неплавящимся электродом 2 и изделием 3 и большого тока в дуге косвенного действия 12 одинаковы. Соответственно, длительности включения и выключения ключей 7 и 10 настроены так, что длительность протекания большого тока в дуге прямого действия 4 между неплавящимся электродом 2 и изделием 3 и малого тока в дуге косвенного действия 12 одинаковы. Обе дуги горят непрерывно, но в пульсирующем режиме.

На фиг. 2 представлена циклограмма тока дуги прямого действия между неплавящимся электродом и изделием. Циклограмма представляет зависимость изменения тока дуги прямого действия от времени t. Весь период протекания тока обозначен t_Ц. Время протекания малого тока дуги прямого действия I_МП составляет t_МП, а время протекания большого тока дуги прямого действия I_БП составляет t_БП. Большой ток преимущественно обеспечивает проплавление изделия. Малый ток преимущественно обеспечивает стабильное горение дуги. Соотношение времени протекания малого тока дуги прямого действия по отношению к длительности цикла следует выбирать в пределах 0,2…0,8. Это позволяет дополнительно к среднему току дуги прямого действия регулировать площадь проплавления основного металла в зависимости от того, какую долю участия основного металла в металле шва требуется получить.

На фиг. 3 представлена циклограмма тока дуги косвенного действия между плавящимся электродом и неплавящимся. Весь период протекания тока обозначен t_Ц. Время протекания малого тока дуги косвенного действия I_МК составляет t_MK, а время протекания большого тока дуги косвенного действия I_БК составляет t_БК. Время протекания малого тока в дуге прямого действия на фиг. 2 равно времени протекания большого тока в дуге косвенного действия на фиг. 3 t_МП=t_БК. Большой ток преимущественно обеспечивает требуемую скорость расплавления электродной проволоки. Малый ток преимущественно обеспечивает стабильное горение дуги косвенного действия. Время протекания большого тока в дуге прямого действия на фиг. 2 равно времени протекания малого тока в дуге косвенного действия на фиг. 3 t_БП=t_МК. За счет такой системы регулирования токов до минимума снижается взаимодействие магнитных полей дуг.

Соотношение времени протекания малого тока в дуге косвенного действия по отношению к длительности цикла следует выбирать в пределах (0,8…0,2)t_Ц. Это позволит дополнительно к току дуги косвенного действия регулировать площадь поперечного сечения наплавленного металла в зависимости от того, какое значение доли наплавленного металла в металле шва требуется получить. Соответственно длительность времени протекания тока в дуге прямого действия в этот период будет (0,2…0,8)t_Ц.

Действующим значением однонаправленного тока дуги с прямоугольной формой импульсов является ее средний ток, так напряжение дуги практически не зависит от тока.

Средний ток дуги косвенного действия с плавящимся электродом с прямоугольной формой пульсаций тока за цикл можно определить по формуле:

где I_МК - среднее значение малого тока дуги косвенного действия в период его протекания в цикле;

t_МК - время протекания малого тока дуги косвенного действия;

I_БК - среднее значение большого тока дуги косвенного действия в период его протекания в цикле;

t_БК - время протекания большого тока дуги косвенного действия;

Время t_МК+t_БК=t_Ц составляет время цикла.

Скорость расплавления плавящегося электрода можно определить по известной формуле:

где α_P - коэффициент расплавления электродной проволоки в дуге прямого действия, г/(А⋅с),

j - плотность тока дуги в сечении электрода, А/см²,

ρ - плотность плавящегося электрода, г/см³.

Для обеспечения требуемой доли участия наплавленного металла в металле шва при некотором среднем токе дуги прямого действия и, соответственно, площади поперечного сечения проплавления основного металла, необходима определенная производительность расплавления плавящегося электрода, которая задается скоростью его расплавления V_Э.

Отсюда следует, что требуемое значение среднего сварочного тока дуги косвенного действия за период можно определить по формуле:

где d_Э - диаметр плавящегося электрода, см;

V_Э - требуемая скорость расплавления электрода, см/с;

α_P - коэффициент расплавления плавящегося электрода при сварке дугой прямого действия на обратной полярности при токе дуги I_Д=I_СК.

Средний ток дуги косвенного действия, определенный на основе циклограммы тока по формуле (1) и средний ток, определенный из условия производительности расплавления по формуле (3), должны быть равны друг другу.

Таким образом, по зависимостям коэффициента расплавления в дуге прямого действия обратной полярности и требуемой скорости расплавления электрода можно определить необходимый средний ток дуги косвенного действия в пульсирующем режиме по предлагаемому способу.

Средний ток дуги прямого действия с неплавящимся электродом при прямоугольной форме пульсаций тока можно определить по формуле:

где I_МП - среднее значение малого тока дуги прямого действия в период его протекания в цикле;

t_МП - время протекания малого тока дуги прямого действия;

I_БП - среднее значение большого тока дуги прямого действия в период его протекания в цикле;

t_БП - время протекания большого тока дуги прямого действия;

Время t_МП+t_БП=t_Ц составляет время цикла.

Время протекания малого тока пульсаций дуги косвенного действия равно времени протекания большого тока дуги прямого действия

t_МК=t_БП=(0,2…0,8)t_Ц,

Время протекания большого тока дуги косвенного действия равно времени протекания малого тока дуги прямого действия

t_БК=t_МП=(0,8…0,2)t_Ц.

Регулирование времени протекания токов дуг прямого и косвенного действия необходимо для создания дополнительных технологических возможностей связанных с выбором оптимального переноса капель электродного металла и давлением дуг на сварочную ванну. Устанавливать время протекания токов меньше 0,2 времени цикла нецелесообразно из-за возможного нарушения равномерности скорости расплавления плавящегося электрода.

Средний ток дуги прямого действия определяет площадь поперечного сечения проплавления основного металла. Изменяя соотношение средних токов дуг прямого и косвенного действия можно регулировать долю участия основного металла в металле шва.

На фиг. 4 представлены зависимости коэффициента расплавления ар электродной алюминиевой проволоки от тока дуги обратной полярности. Кривая 1 представляет зависимость для проволоки марки СвАМц диаметром d_Э=1,6 мм, кривая 2 для проволоки СвАМг6 диаметром d_Э=2,0 мм. Кривая 1 для электрода меньшего диаметра расположена выше кривой 2 для большего диаметра. Поэтому при одинаковых токах больше коэффициент расплавления и производительность расплавления у электродной проволоки меньшего диаметра. Аналогичные зависимости имеют место и для стальных проволок в дуге обратной полярности в инертных газах.

Производительность наплавки П электродной проволокой в предлагаемом способе определяется по формуле:

где α_Н - коэффициент наплавки, г/(А⋅ч).

Коэффициенты расплавления α_P и коэффициент наплавки α_H связаны между собой зависимостью

где ψ_П - коэффициент потерь, данные о котором имеются в специальной литературе.

Производительность наплавки П по предлагаемому способу можно определить и следующим образом:

На фиг. 5 представлены зависимости вольтамперных характеристик дуги и источника питания. Кривая 1 представляет падающую вольтамперную характеристику источника питания, кривая 2 - вольтамперную характеристику дуги с неплавящимся вольфрамовым электродом, кривая 3 вольтамперную характеристику источника питания, обеспечивающую минимальные сварочные токи. Кривая 2 имеет падающий участок, минимум напряжения и возрастающий участок. Кривая 1 и кривая 2 пересекаются в двух точках Б и Г. В этих точках возможно существование дуги с неплавящимся электродом. В соответствии с теорией сварочной дуги точка Г является неустойчивой рабочей точкой системы, поскольку в ней не выполняется условие устойчивости и при небольших отклонениях тока дуга гаснет. Наоборот, точка Б является рабочей точкой системы, в которой условие устойчивости выполняется и при малых отклонениях тока дуги она переходит в новое устойчивое состояние. Точка пересечения вольтамперной характеристики дуги 2 с вольтамперной характеристикой и 3 в источника питания В дает минимальное значение тока, но при котором не обеспечивается устойчивое горение дуги с неплавящимся электродом. Этот ток нельзя использовать как малый при выборе пульсирующего режима горения дуги прямого действия между неплавящимся электродом и изделием по предлагаемому способу. Наоборот, в рабочей точке А пересечения кривых 3 и 2 обеспечивается устойчивое горение дуги. Поэтому ток I_МП для этой точки может служить малым током пульсаций в дуге прямого действия.

Аналогично существует условие устойчивого горения дуги косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами при минимальном токе. Этот ток может быть выбран в качестве малого тока дуги косвенного действия в пульсирующем режиме по предлагаемому способу.

Для того чтобы осуществлять подачу плавящегося электрода с постоянной скоростью, необходимо, чтобы частота пульсаций тока в дуге косвенного действия была не ниже определенной величины. Чем выше скорость расплавления электродной проволоки, тем выше должна быть частота пульсаций дуги, в противном случае электрод может не успевать расплавиться на нужную величину и образовать каплю, переходящую в сварочную ванну и произойдет нарушение стабильности процесса. Чем меньше диаметр электрода, тем больше должна быть частота пульсаций, так как электрод малого диаметра плавится с высокой скоростью. Данные по скоростям расплавления электродов и их связи с диаметрами электродов позволяет рекомендовать значение частоты пульсаций тока f больше отношения

При получении дробного значения f его следует округлить до ближайшего большего целого числа.

Пример

Производилась наплавка по предлагаемому способу электродной проволокой Св-12Х18Н9Т диаметром d_Э=2 мм на пластину из стали 20 толщиной δ=10 мм. Скорость наплавки составляла V_C=0,5 см/с. Дуга прямого действия между неплавящимся электродом диаметром d_Э=3 мм сварочной горелки и изделием горела в среде аргона. Расход аргона составлял G=10 л/мин. Дуга прямого действия питалась от сварочного источника питания постоянного тока ВСВУ-300. Электрическая схема обеспечивала следующие параметры пульсаций тока дуги прямого действия: Большой ток пульсации прямоугольной формы I_БП=300 А, время его протекания 0,02 с, малый ток пульсаций прямоугольной формы I_МП=50 А, время его протекания 0,03 с. Период пульсаций составил t_Ц=0,05 с, частота пульсаций f=20 Гц. Средний сварочный ток дуги прямого действия

I_СП=300⋅0,02+50⋅0,03/(0,03+0,02)=150 А.

Предварительно при обычной аргонодуговой наплавке дугой прямого действия от того же источника питания был выполнен валик без подачи присадочной проволоки на токе дуги I_Д=I_СП=150 А и той же скорости сварки V_С=0,5 см/с. По макрошлифу определили площадь поперечного сечения проплавления основного металла F_O=0,4 см². После наплавки по предлагаемому способу требовалось получить площадь поперечного сечения наплавленного валика F_H=0,5 см². Тогда, с учетом коэффициента потерь электродного металла на угар и разбрызгивание ψ_П=0,06 требуемая скорость расплавления электродной проволоки при ее сечении F_Э=0,0314 см²

V_Э=0,5⋅0,5/(0,94))/0,0314=7,5 см/с.

Проводили проверку выбранной частоты пульсаций предложенной ранее формуле

f=7,5/0,2=15 Гц.

Получили, что принятая частота пульсаций больше, чем минимальная, рекомендуемая формулой.

Для получения такой скорости плавления электродной проволоки на постоянном токе обратной полярности требуется ток дуги I_Д=250 А. Следовательно, таким должен быть средний ток дуги косвенного действия I_СК с плавящимся электродом по предлагаемому способу. Принимали значение малого тока пульсации прямоугольной формы дуги косвенного действия таким же, как в дуге прямого действия I_МК=50 А. Параметры пульсаций в цикле по времени одинаковы для обеих дуг. Поэтому с помощью формулы (1) получаем значение большого тока пульсации прямоугольной формы дуги косвенного действия I_БК=383 А.

При расположении осей столбов дуг прямого и косвенного действия под углом друг к другу, согласно закону Ампера сила взаимного влияния дуг будет пропорциональна произведению токов этих дуг.

В период протекания большого тока дуги косвенного действия сила взаимодействия столбов дуг пропорциональна произведению токов:

F₁=k⋅383⋅50=19150 A²,

где k - коэффициент пропорциональности, одинаковый для любых токов, поэтому его можно не учитывать.

В период протекания большого тока дуги прямого действия произведение токов:

F₂=k⋅250⋅50=12500 А².

При реализации известного способа тот же эффект по проплавлению изделия и расплавлению плавящегося электрода будет достигнут при произведении средних токов дуг по предлагаемому способу:

F₃=k⋅250⋅150=37500 А².

Последнее произведение почти в 2 раза превышает максимальное из двух произведений по предлагаемому способу. Таким образом, магнитное воздействие дуг друг на друга в среднем снизится более чем в два раза.

Максимальная сила магнитного действия дуг прямого и косвенного действия при работе в пульсирующем режиме в два раза меньше, чем при работе в стационарном режиме. Это имеет место, когда в дуге косвенного действия протекает большой ток пульсации I_БК=383 А. При уменьшении малого тока пульсаций дуг снижение магнитного взаимодействия дуг будет еще выше.

Способ может быть реализован с помощью выпускаемых промышленностью полуавтоматов и автоматов для механизированной и автоматической сварки в инертных газах с подачей присадочной проволоки совместно с используемыми сварочными источниками питания. Такие установки нужно дополнить устройствами для коммутации токов от положительных полюсов источников питания постоянного тока с соответствующей электронной схемой управления. Последнее не представляет проблемы для современного уровня развития электронной и микропроцессорной техники. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.