Способ импульсной дуговой сварки в среде защитных газов

 

Использование: для сварки металлов в газозащитной среде в различных отраслях промышленности при импульсной дуговой сварке в среде защитных газов, при котором дуга пульсирует с заданным соотношением импульса и паузы тока и напряжения, в процессе сварки производят импульсное изменение газовой среды в дуговом промежутке. Отношение частот основных и дополнительных импульсов выбирают не менее двух. Дополнительно в период между импульсами подачи двух различных чистых газов в качестве защитной среды используют смесь этих газов, а отношение компонентов смеси изменяют от 0 до 100% состава газа последующего импульса, при этом длительность импульса подачи смеси ограничивают длительностью периода изменения тока. Кроме того, при подаче смеси двух газов в импульсе состав смеси за время дополнительного импульса изменяют от 0 до 100% каждого газа и наоборот от 100 до 0% за время последующего дополнительного импульса. 2 . з.п. ф-лы. 3 ил. 2 табл. Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s В 23 К9/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4952295/08 (22) 28.06.91 (46) 23.05.93. Бюл. hh 19 (71) Научно-исследовательский институт технологии машиностроения (72) О.М,Новиков, В.П.Морочко, В.И.Кулик, В.О.Токарев, О.Е.Островский, Н.С,Барабохин и В.M.Ïàâøóê (56) Патент CLUA М 3484575, кл. 219 — 74, 1972, Ав1 с. рское свидетельство СССР

N 1558604, кл. В 23 К 9/16, 1987.

Патент ГДР М 147330, кл. В 23 К 9/16, 1981. (54) СПОСОБ ИМПУЛЬСНОЙ ДУГОВОЙ

СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ (57) Использование: для сварки металлов в газозащитной среде в различных отраслях промышленности при импульсной дуговой сварке в среде защитных газов, при котором

Изобретение относится к области сварки металлов в газозащитной среде и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Цель изобретения — повышение качества сварных швов.

На фиг,1 показана схема процесса саарки импульсной дугой с импульсной подачей газов или их смесей; на фиг.2 — схема процесса сварки импульсной дугой с импульсной поочередной подачей двух газов, при котором в период между импульсами подачи этих газов подают их смесь с изменяющимся составом; на фиг.3 — схема процесса сварки импульсной дугой с импульсной по„„5U„„1816596А1 дуга пульсирует с заданным соотношением импульса и паузы тока и напряжения, в процессе сварки производят импульсное изменение газовой среды в дуговом промежутке.

Отношение частот основных и дополнительных импульсов выбирают не менее двух.

Дополнительно в период между импульсами подачи двух различных чистых газов в качестве защитной среды используют смесь этих газов, а отношение компонентов смеси изменяют от 0 до 100 состава газа последующего импульса, при этом длительность импульса подачи смеси ограничивают длительностью периода изменения тока. Кроме того, при подаче смеси двух газов в импульсе состав смеси за время дополнительного импульса изменяют от 0 до 100 каждого газа и наоборот от 100 до 07ь за время последующего дополнительного импульса. 2 . з.п. ф-лы. 3 ил. 2 табл. дачей смесей газов с изменяющимся за период импульса подачи газа составом.

Сущность способа состоит в следующем.

Сварку выполняют импульсной дугой в (Л среде защитных газов с использованием 0 плавящегося или неплавящегося электрода., Ос, В процессе сварки в зону дуги синхронно с импульсами тока и напряжения поочередно подают различные газы и их смеси или один газ или смесь одного состава .с различной скоростью, что обеспечйвает наложение на дугу дополнительных импульсов тока и напряжения.

1816596

Изменение газовой среды осуществляют с частотой, кратной частоте основных импульсов тока, но не менее, чем в 2 раза меньшей частоты импульсов тока.

При изменении газовой среды поочередной подачей различных газов между импульсами подачи газов подают смесь этих газов, а соотношение компонентов в смеси изменяют от 0 до 100 $ содержания газа, подаваемого в каждом последующем импульсе. При этом длительность подачи смеси ограничивают периодом изменения тока.

При изменении газовой среды поочередной подачей смесей двух газов содержа.ние каждого газа изменяют от 0 до 100 и наоборот за период последующего импульса.

Эффект наложения на дугу дополнительных импульсов тока и напряжения изменением газовой среды основан на том, что столб дуги представляет собой участок дугового разряда, заполненный плазмой.

При этом энергия, выделяемая в столбе дуги при сварке, определяется соотношением плазмы, Основной характеристикой физического состояния плазмы является температура.

Кроме температуры, к параметрам дуги также относятся: напряженность поля столба, средняя плотность тока и эффективный радиус сечения столба. Напряженность поля столба определяется составом материала электрода и теплопроводностью газа в интервале температуры горения плазмы.

Средняя плотность тока определяется током сварки и потенциалом ионизации газа, а эффективный радиус сечения столба зависит от диаметра электрода, энергетических параметров режима и также теплофизических свойств газа.

При дуговой сварке в газозащитной среде конкретного изделия состав паровой фазы и энергетические параметры режима постоянны и мало влияют на состав плазмы и ее температуру. В основном, температура плазмы будет зависеть- от физических свойств газов в дуговом промежутке. Из физических показателей газов наиболее существенными являются потенциал ионизации и теплопроводность, Для приближенных оценок средней температуры Т в центре столба дуги справедливо соотношение: т =A(>), Vi где А — коэффициент пропорциональности, постоянная величина;

Ч вЂ” потенциал ионизации газа в дуговом промежутке,эВ;

А — коэффициент теплопроводности газа в дуговом промежутке, Вт/м С.

В таблице приведены численные значения Vt и А для инертных и активных защитных газов и их смесей, Физические свойства защитных газов и их смесей

10 родолжение

Таким образом, меняя состав газовой

25 среды в дуговом промежутке, изменяют ее потенциал ионизации и коэффициент теплопроводности. При этом меняется температура плазмы и напряжение на дуге, пропорционально изменению напряжения

30 будет изменяться и величина тока (фиг.1).

Поэтому изменение газовой среды в дуговом промежутке вызывает дополнительные импульсы тока и напряжения, благодаря которым повышаются технологические пре35 имущества импульсной дуговой сварки, в том числе повышается качество шва и улучшается его формирование, а при сварке плавящимся электродом улучшаются условия переноса электродного металла, снижается

40 разбрызгивание. Для достижения указанных преимуществ дополнительные импульсы тока и напряжения должны быть синхронизированы с основными импульсами и кратны им по частоте.

45 Экспериментально установлено, что за период подачи одного импульса газа {дополнительного низкочастотного импульса тока) отношение частот основных и дополнительных импульсов должно быть не менее 2. Это

50 наглядно демонстрируется на фиг.1. В одном дополнительном низкочастотном импульсе тока за цикл Т> или Тг должно быть обеспечено не менее 2-х основных импульсов Тц =

=tn+ тц, иначе технологические преимущест55 ва импульсной дуговой сварки снижаются из-за ограничения времени теплового и силового воздействия на основной и электродный металл.

Чем больше потенциал ионизации и меньше теплопроводность газовой среды.в

1816596 дуговом промежутке, тем выше температура плазмы, а, следовательно, выше проплавляющая способность дуги. Расчетным путем установлено, что при изменении численного значения отношения Ч /Я, газовой среды в 5 дуговом промежутке на 20 средняя температура Td в центре столба дуги увеличивается в 1,3 раза или уменьшается в 0,76 раза.

Увеличение отношения повышает температуру, а уменьшение — снижает ее. Такое из- 10 менение Т влияет на размеры столба дуги, формирование и качество сварного шва.

При изменении VI/А меньше 20 существенных влияний на процесс горения дуги и формирования шва не наблюдали. Размеры 15 и конфигурация столба дуги, фиксированные скоростной киносъемкой, в этом случае не изменялись.

Известно также, что чем меньше темпе ратура плазмы, тем меньше эффективный 20 радиус сечения столба дуги и выше коэффициент сосредоточенности дуги, К, 1/см. Повысить значение К можно, интенсивно охлаждая и снижая плазму потоком газов или их смесей, подаваемых с большой ско- 25 ростью и расходом. С другой стороны, с увеличением скорости подачи защитных газов илг;".х смесей увеличивается напряжение на дуге на 0,5 — 3 В, растет эффективная. мощность нг 30 — 40 и повышается пло- 30 щадь проплавления. Градиент падения напряжения в столбе дуги возрастает с 0,9-1,1

В/мм до 1,2-1,3 В/мм. Это объясняется интенсивным охлаждающим действием газа на плазму в связи с затратами тепла на 35 конвекцию. Повышение мощности и сосредоточенности дуги существенно увеличивает глубину проплавления. Форма проплавления имеет местное углубление.

Экспериментально установлено, что макси- 40 мальная проплавляющая способность дуги обеспечивается при отношении длительностей импульсов подачи газов с разными скоростями, равными 0,5 — 1,5. При этом для положительного эффекта не имеет значе- 45 ние, какое соотношение скоростей газа принимается. При соотношении длительностей импульсов подачи газа с различными скоростями менее 0,5 и более 1,5 эффект изменения температуры плазмы незначителен и не 50 отражается не энергетических параметрах дуги. Это связано с определенной инерционностью процессов, происходящих в зоне ° дуги под воздействием изменений газовой среды. 55

Наложение на основные импульсы тока дополнительных низкочастотных импульсов за счет резкого изменения газовой среды в дуговом промежутке может снижать устойчивость горения дуги, блуждание катодного пятна увеличивается. Это, по-видимому, связано с резким изменением напряженности поля в дуге. Повысить устойчивость горения дуги можно примене- нием между импульсами подачи двух раз- личных газов или их смеси с изменением соотношения компонентов от 0 до 100 состава газа последующего импульса. В этом случае изменение тока 12 во времени происходит не скачкообразно, а плавно (фиг.2).

Периоды Т и Tzc тока 1 и выбирают равным циклу Тц, что позволяет компенсировать инерционность газовой системы и гарантирует положительный эффект при небольших длительностях импульса Т1и и Тзи

Повысить устойчивость горения дуги при использовании смеси иэ двух газов можно, непрерывно меняя состав смеси за период Ть от 0 до 100 каждого газа и, наоборот, за период Тгл (фиг.3). При этом, изменение тока 1 л во времени происходит за периоды Т л и Т л плавно по треугольному и синусоидальному закону. Колебания тока напряжения и длины дуги мало сказывается при синусоидальном горении дуги на энергетическую устойчивость процесса и стабильное проплавление основного металла и расплавление электродного металла.

Особенно это эффективно при сварке плавящимся электродом. С плавным повышением тока и изменением состава газа температура и поверхностное натяжение электродного металла, а также электродинамическая сила также изменяются постепенно. Благо- . даря этому по мере увеличения тока уменьшается размер капель электродного металла, изменяется характер переноса металла от крупнокапельного к мелкокапельному, а затем к струйному.

Примеры выполнения способа.

Пример 1. Выполняли сварку импульсной дугой образцов из стали ВНС-25 толщиной 1,0 мм. Сварка осуществлялась неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона, а также в среде аргона, гелия и их смесей, которые подавали поочередно с помощью специально разработанного устройства. В качестве источника питания использовали ВСВУ-315. Ток сварки составлял 110-120 А, скорость — 12 м/ч. Другие режимы сварки и полученные результа-. ты представлены в таблице 1..

Кроме того, при сварке на режимах по п.5 между импульсами подачи Аг и Не подавали их смесь в течение 0,55 с (1» + т»), и содержание в смеси аргона и гелия изменяли от 0 до 100 . А при сварке на режимах по п.11 содержание аргона и гелия также изменяли от О до 100 и наоборот за период последующего импульса. Это позволило по1816596

Табли да 1

1 (Р пп

Период иэмененил тока сварки, с бащитнал с

Ренины подачи газа

Результаты

Период подачи с различи,расходом,с

Период поочередной подачи, с

Расход, л/мин ((и ((и гиз спз

1 0,2 0,2

10 10

Аг

Трещины в шве

12 !

2 4

0,2

2 0,2

3 0,2

4 0,25

5 0,25

0,2

0,2

0,4

0,4

0,2

Аг

Качественное формирование

0,25

0,3, Аг + Не

0,3

10 . 10

Трещины в шве, блуядание дуги

0,6

0,5

0;3.

Ar + Не

10 10

Качественное форнирование

0,4

6 0,15

Ar+(Ar 902+

+He 101) 0,3

0,2

10 10

Трещины

0,4

Аг+(Аг 802+

tHe 20X) 0,2

0,3

10 10

15 3

15 3

7 0,15

8 0,12

9 0,12

Качественное формирование

Ar+(Ar 50X

+ Be 50X) 0,15

0,12

0,15

Трещины

Качественное форми рование

0,15

0,24

0,3

Трещины, блуядаиие дуги (Ar 90X +Не

+(Ar 50X + Не

102)+ 0,12

50X)

0,24

0,15

0,15

10 0,12

10. 10

11 0,12 0,15

10 10

Качественмое формирование высить стабильность горения дуги, что особенно важно при сварке малых толщин.

Пример 2. Выполняли импульсно-дуговую сварку плавящимся электродом образцов из алюминиевого сплава 1201 5 толщиной 50 мм. В качестве электрода использовалась проволока того же состава диаметром 2,0 мм. Сварка осуществлялась в среде гелия, аргона и их смесей от источника ВДУ-504 с импульсным регулятором тока. 10

Ток сварки составлял 80-90 А, скорость сварки 15 м/ч. Остальные режимы сварки приведены в таблице 2.

При сварке на режимах по п.5 между импульсами подачи аргона и гелия подавали .15 их смесь в течение 0,03 с (ти1+ тп1), а содержание аргона и гелия в смеси изменяли от 0 до 100%. А при сварке на режимах по п.13 содержание гелия и аргона также изменяли от 0 до 100%, и наоборот, за период после- 20 ду)ощего импульса.

Это позволило повысить стабильность горения дуги и увеличить проплавляющую способность дуги, 25

Формула изобретения

1. Способ импульсной дуговой сварки в среде защитных газов, при котором задают соотношение импульсов и паузы тока и напряжения, а газовую среду подают импульсами,отл ич а ю щи йся тем,что,с целью повышения качества сварных швов, в процессе сварки импульсное изменение газовой среды в дуговом промежутке производят с частотой, кратной частоте основных импульсов, а отношение частот основных импульсов и импульсов подачи газа выбирают не менее двух.

2, Способ по п,1, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости горения дуги, при импульсной подаче двух различных газов в период между импульсами подачи газов в качестве защитной среды используют смесь этих газов, а соотноше- ние компонентов смеси изменяют от 0 до

100% состава газа последующего импульса, при этом длительность подачи импульса смеси ограничивают длительностью цикла сварки, 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости горения дуги, при подаче смеси газов в импульсе за период импульса подачи газа состав смеси плавно изменяют от 0 до 100% каждого газа или от 100% до 000 за период последующего импульса подачи газа.

1816596

Таблица 2 аты тнам газа

Период лолач ряяличм,расх хол, ин

Б -?-"

1 0,03 0,03 Не

18 18

Разбрызгивание, нераамомерное Формирование, черный намет

° °

20 8 0,03

20 8 0,06

0,03

0,06

0,03

0,03

2 0,03

3 С,С3

Качественное Формирование

18;8

18 18

0,015 0,015

Не+ Ar

Не + Ar

4 0,015 0,015

5 0,015 0,015

Новывенмое разбрызгивание

0,03

0,03

Качественное Формирование

18 18

18 18

Не + (Аг 502 +

+ Не 50X) 0,02

0,02

Неравномерное Формирование

0,01

Be + (Ar 80X +

+ Не 207) 0,02

0,02

Качественное Формирование

0,01

18 6 001

1г 6 0,02

0,01

Разбрызгивание

Be + (Ar 80X +

+ Be 20Z) 0,01 и

0,02

Качественное формирование

0,01

20 8 0,015 0 ° 015

Неравномерное фармированме

Аг 502 + He 502

10 0,015 0,015

Качественное Формирование

0,02

20 8 0,03

18 18

0,015

11 0, 015 (Ar 90X + Be 10X)+ (Ar 50X + Be 50X) 0,015 0,015

Неравномерное Cop" мированне, разбрызгивание

12 0,015 0,015

0,03 0,03 18 18

Качественное Формирование

13 0,015 0,015 е л

Редактор Г.Бельская

Заказ 1698 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Периор изменен тока сварки, с

6 0,01

7 0,01

8 0,01

9 0,01

Составитель О. Новиков

Техред М,Моргентал Корректор А.Козориз