Способ электрической сварки плавлением

 

Использование: во всех отраслях народного хозяйства, где применяется механизированная дуговая сварка под флюсом или в защитных газах. Сущность изобретения: при выполнении процесса сварки с чередованием периодов контактного и дугового плавления электрода используют источники питания с крутопадающей, комбинированной (сочетание крутопадающей и пологопадающей) вольтамперной характеристикой, либо дополнительный источник с пологопадающей характеристикой. Причем при осуществлении дугового плавления только на режиме крутопадающей характеристики контактное плавление электрода происходит по одному из вариантов: только на крутопадающей или вначале на крутопадающей, затем на пологопадающей характеристике. В период контактного плавления напряжение холостого хода источника питания уменьшают до значения составляющего от 0,25 до 0,5 напряжения холостого хода источника при дуговом плавлении. Ток короткого замыкания уменьшают до 0,25-0,9 величины тока короткого замыкания при дуговом плавлении. В случае использования дополнительного источника питания либо источника с комбинированной вольтамперной характеристикой напряжение контактного плавления устанавливают в 1,1-1,5 раза выше напряжения, соответствующего точке пересечения круто- и пологопадающего участка. 4 ил.

Изобретение относится к дуговой механизированной сварке модулированным током с применением плавящегося электрода и может быть использовано во всех областях народного хозяйства, где применяется механизированная дуговая сварка под флюсом или в защитных газах.

Известен способ сварки или наплавки, при котором используют три источника питания [1]: первый источник подает ток высокого напряжения и малой силы для зажигания дуги между электродом и изделием, второй источник подает ток средних напряжений и силы для поддержания дуги, третий источник подает ток низкого напряжения и высокой силы на выполнение сварки, при этом осуществляют селективное включение указанных источников, т.е. вначале включают только первый источник, затем, когда включают второй источник, отключают первый и после включения третьего источника отключают второй. Изобретение решает проблему устойчивого возбуждения дуги и поддержания стабильного процесса дугового плавления металла, но не обеспечивает управления переносом электродного металла и периодическое уменьшение мощности дуги в паузе для снижения тепловложения в основной металл и измельчение зерен металла шва и околошовной зоны.

Известен способ дуговой сварки плавящимся электродом, в котором используется источник питания с комбинированной внешней вольт-амперной характеристикой, содержащей круто- и пологопадающие участки [2]. Дуга горит на режиме, параметры которого определяются точкой, находящейся на крутопадающем участке вольт-амперной характеристики. После образования капли на конце электрода, когда длина дугового промежутка существенно уменьшается, режим сварки переходит на пологопадающий участок вольт-амперной характеристики дуги, что вызывает импульсное увеличение тока и последующее сбрасывание капли с конца электрода. Режим сварки переходит в исходное положение. Затем цикл изменения параметров режима сварки повторяется.

Изобретение [2] , как наиболее близкое по технической сущности, выбрано за прототип заявляемого технического решения. Оно решает проблему переноса капель электродного металла через дуговой промежуток, но не обеспечивает периодического уменьшения мощности дуги в паузе.

Задачей изобретения является получение циклических уменьшений тепловой мощности процесса сварки для снижения тепловложения в основной металл и повышение качества сварного соединения. Задача решается путем осуществления сварочного процесса с чередованием периодов дугового и контактного плавлений электрода, осуществляемых на режиме, обеспечиваемом управляемым источником питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой либо с одновременным задействованием в процессе сварки источника с крутопадающей и дополнительного с жесткой (пологопадающей) характеристикой, причем в то время, как дуговое плавление электрода осуществляется только на режиме крутопадающего участка характеристики, контактное плавление происходит по одному из вариантов: только на крутопадающем участке или вначале на крутопадающем, затем - на жестком (пологопадающем) участке.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе сварки, осуществляемом с чередованием контактного и дугового плавлений электрода с использованием источника питания, содержащего крутопадающий участок вольт-амперной характеристики, на режиме которого осуществляется дуговое плавление, и при котором скорость подачи электрода в период контактного плавления уменьшают или оставляют неизменной, в период контактного плавления напряжения холостого хода источника питания уменьшают до значения, составляющего (0,25-0,5) напряжения холостого хода источника в период дугового плавления электрода, а ток короткого замыкания источника питания уменьшают до значения, составляющего (0,25-0,9) величины тока короткого замыкания в период дугового плавления электрода. В случае использования дополнительного источника питания с жесткой (пологопадающей) вольт-амперной характеристикой либо источника с комбинированной, содержащей круто- и пологопадающую (жесткую) ветви, характеристикой напряжение контактного плавления устанавливают в (1,1-1,5) раза выше напряжения, соответствующего точке пересечения круто- и пологопадающего (жесткого) участков.

Отличием заявляемого способа сварки от известного является возможность осуществления контактного плавления электрода как на крутопадающем, так и последовательно на крутопадающем и на жестком (пологопадающем) участках вольт-амперной характеристики источника питания при осуществлении дугового плавления электрода во всех случаях на режиме крутопадающего участка, для чего используют регулируемый источник питания с крутопадающей или комбинированной характеристикой, либо дополнительный источник с жесткой (пологопадающей) вольт-амперной характеристикой и изменяют параметры сварочного режима в заявляемых пределах.

Это позволяет достичь цели - улучшить качество сварки и повысить стабильность процесса, так как источник питания, содержащий крутопадающий участок вольт-амперной характеристики, характеризуется ограниченным значением тока короткого замыкания, что предотвращает образование импульса тока большой амплитуды в момент короткого замыкания. Как было отмечено выше, переход от режима дугового плавления к режиму контактного плавления с использованием источника питания с жесткой или пологопадающей характеристикой может привести к нарушению устойчивости процесса, поскольку жесткая характеристика источника питания способствует появлению импульса тока большой амплитуды, намного превышающей ток дуги. Кроме того дуга, питаемая источником с падающей характеристикой, менее чувствительна к изменению межэлектродного промежутка, неизбежно возникающему при изменении скорости подачи плавящегося электрода.

На фиг. 1 даны вольт-амперные характеристики источника питания (кривая 1) и сварочной головки (кривая V_e) при сварке по изображению, взятому за прототип; на фиг. 2 - вольт-амперные характеристики источника питания в период дугового плавления электрода (кривая 1) и период контактного плавления (кривая 2). Кривая V_екп = V_едп - вольт-амперная характеристика сварочной головки для случая, когда при переходе от дугового плавления к контактному скорость подачи плавящегося электрода сохраняют неизменной; на фиг. 3 - те же характеристики для случая, когда скорость подачи электрода при контактном плавлении уменьшают, т.е. V_екп < V_едп; на фиг. 4 - вариант сварки по предлагаемому решению, когда в период контактного плавления электрод подключают к источнику питания с комбинированной характеристикой или к дополнительному источнику питания с жесткой (пологопадающей) вольт-амперной характеристикой (кривая 1). Здесь же обозначены: крутопадающий участок вольт-амперной характеристики источника питания в период дугового плавления (кривая 2) и контактного плавления (кривая 3), а также вольт-амперные характеристики сварочной головки в период дугового плавления (кривая V_едп) и контактного (кривая V_екп).

Как следует из фиг, 1, при сварке по известному решению контактное плавление электрода в металлической ванне не предусмотрено. Плавящийся электрод (проволока) подается с постоянной скоростью V_е, при которой происходит дуговое плавление на режиме, отмеченном точкой Д пересечения кривой V_е вольт-амперной характеристики головки с кривой 1 характеристики источника питания. Параметры режима дугового плавления: напряжение U_дп и ток I_дп. Поскольку упомянутый способ сварки осуществляется на низком напряжении U_дп при малой длине дуги, образующаяся на конце плавящегося электрода капля существенно сокращает длину дуги, вплоть до касания каплей поверхности металлической ванны. В этот момент режим переходит в точку К на пологопадающем участке вольт-амперной характеристики источника питания. Точке К соответствует пониженное напряжение дуги U_имп и повышенный ток I_имп, который превышает ток дуги I_дп в несколько раз. Возрастание тока I_имп происходит в импульсном режиме, и благодаря пинч-эффекту капля отрывается от электрода и переходит в металлическую ванну. После отрыва капли длина дуги восстанавливается, и режим сварки возвращается в точку Д. Уменьшение длины дуги при сварке по изобретению, взятому за прототип, сопровождается импульсным увеличением тока и контактного плавления электрода в металлической ванне не происходит.

При сварке по предлагаемому решению переход от процесса дугового плавления (режим которого отражает точка Д) к контактному (точка К) осуществляют на крутопадающей вольт-амперной характеристике источника питания с уменьшением напряжений на клеммах источника от U_ххдп до U_ххкп и изменением тока короткого замыкания от I_кздп до I_кзкп. При этом U_ххкп устанавливают равным (0,25-0,5) U_ххдп, а U_ххкп = =(0,25-0,9) I_кздп. Причем величину U_ххкп целесообразно выставлять несколько выше значения напряжения дугового плавления электрода (в 1,1-1,5 раз) из тех соображений, чтобы в период перехода от дугового к контактному плавлению не произошло обрыва дуги (фиг. 2 и 3).

В момент переключения источника питания с режима дугового плавления на контактное (т. е. в момент перехода с вольт-амперной характеристики 1 на характеристику 2) ток на дуге изменяется от значения I_дп, соответствующего току дугового плавления, до значения I, соответствующего величине тока в точке д₁ на кривой 2 (фиг. 2, 3). Режим в точке д₁ соответствует начальной длине дуги в момент переключения с дугового на контактное плавление, т.е., когда напряжение на дуге еще не успело заметно снизиться и равно напряжению дугового плавления U_дп. Но поскольку в этот момент источник питания уже переключен на другой режим (на кривую 2) и точка д₁ лежит на вольт-амперной характеристике, соответствующей контактному плавлению, первоначальному моменту (в точке д₁) соответствует новое значение тока I, которое меньше I_дп. Вследствие возникшего дефицита мощности скорость плавления электрода уменьшается, становится меньше скорости его подачи, дуга укорачивается и режим сварки, проходя последовательно через промежуточные точки д₂, д₃, ... и т. д. на кривой 2 приближается к точке К, в которой происходит касание электродом металлической ванны и начинается процесс устойчивого контактного плавления. Как видно на фиг. 2, 3, величина тока I_кп немногим отличается от I_кзкп, поэтому в момент касания амплитуды тока I_кп не может достичь большой величины ввиду того, что она ограничена током короткого замыкания источника I_кзкп, значение которого, как было сказано выше, при крутопадающей вольт-амперной характеристике не может быть большим.

Вследствие этого переход от процесса дугового плавления электрода к контактному происходит плавно, без резких изменений тока и не сопровождается выплесками металла, которые могут происходить при использовании источника питания с жесткой вольт-амперной характеристикой.

Подобный переход наблюдается и в случае, когда скорость подачи электрода при контактном плавлении уменьшают, что отражено на фиг. 3. Контактное плавление осуществляется на скорости V_екп, значительно меньшей V_едп, и на режиме вольт-амперной характеристики 2. Процесс перехода от дугового плавления электрода к контактному происходит как и в предыдущем случае, но здесь характерная значительная разница между значением тока I_кп и I_дп, а значит, и тепловыми мощностями в периоды контактного и дугового плавлений. Другими словами, уменьшение скорости подачи электрода в период контактного плавления по отношению к скорости подачи при дуговом плавлении приводит к снижению тепловой мощности процесса, что способствует более стремительному охлаждению сварочной ванны, чем в предыдущем случае.

Пределы уменьшения напряжения холостого хода U_ххкп и источника питания при переходе к контактному плавлению до (0,25-0,5) U_ххдп установлены экспериментально и означают, что при U_ххкп < 0,25 U_ххдп тепловая мощность, выделяемая в месте контакта электродной проволоки с металлической ванной, настолько мала, что электродная проволока не успевает плавиться в металлической ванне и "примораживается" (приваривается контактным способом) к дну металлической ванны. Обычно U_ххдп находится в пределах 60-80 В (для крутопадающей вольт-амперной характеристики). Тогда минимальное значение U_ххкп находится в пределах 15-20 В. Дальнейшее снижение U_ххкп не имеет смысла. Если U_ххкп > 0,5 U_ххдп, напряжение сварки в период контактного плавления принимает значение, превышающее U_дп, и тогда дуга не гаснет, т.е. период контактного плавления электрода не наступает, процесс "вырождается" в сварку модулированным током с периодическим уменьшением мощности дуги.

Пределы изменения величины тока короткого замыкания при контактном плавлении электрода (переход от кривой 1 к кривой 2) соответствуют пределам изменения напряжения холостого хода упомянутых кривых. В интервале значений U_кзкп = (0,25-0,9) I_кздп обеспечивается устойчивое контактное плавление проволоки. Экспериментально установлено, что при значениях I_кзкп < 0,25 I_кздп выделяемой тепловой мощности недостаточно для обеспечения устойчивого контактного плавления электрода - скорость его подачи превышает скорость плавления и возможно приваривание конца электродной проволоки ко дну металлической ванны. В случае, если I_кзкп > 0,9 I_кздп, наблюдается обратное явление - количество тепловой мощности, выделяемой в месте контакта электрода с металлической ванной, превышает допустимую для обеспечения устойчивого контактного плавления, дуга не гаснет, контактное плавление как таковое отсутствует и сварочный процесс уподобляется обычному дуговому процессу модулированным током.

Если по условиям сварки необходимо продлить этап контактного плавления электрода, избегая при этом упирания электрода в дно металлической ванны (например, в случае легирования металла шва через проволоку легкоокисляющимися элементами - Ca, Zr и др.), то электрод подключают к источнику питания с комбинированной вольт-амперной характеристикой либо к дополнительному источнику с жесткой (пологопадающей) характеристикой (фиг. 4). Напряжение холостого хода жесткого участка этих источников U_ххпп существенно ниже номинального напряжения дуги U_дн. Контактное плавление электродной проволоки в этом случае происходит как бы в два этапа: на режиме крутопадающей характеристики 3 и жесткой (пологопадающей 1). При переходе от дугового (точка Д) к контактному плавлению в момент касания электродом металлической ванны (точка К) ток на электроде становится равным I_кп, величина которого не может превысить значение тока I_кзкп, который, как известно, жестко ограничен. При дальнейшем плавлении электродной проволоки и увеличении глубины погружения ее в металлическую ванну, напряжение контактного плавления U_кп постепенно уменьшается и из точки К переходит в точку М, соответствующую напряжению U_ххпп. В этот момент режим переходит на пологопадающую ветвь вольт-амперной характеристики 1, или что то же самое, происходит подключение дополнительного источника питания с жесткой (пологопадающей) характеристикой, которое позволяет мгновенно увеличить ток за счет сложения токов двух участков вольт-амперной характеристики: круто- и пологопадающего, причем ток на пологопадающем участке практически не ограничен. Это позволяет увеличить скорость плавления электрода при сравнительно небольшом значении напряжения U_ххпп и предотвратить закорачивание проволоки на металлическую ванну.

Таким образом, второй этап контактного плавления происходит в новом режиме, на характеристике 1, процесс протекает устойчиво, и в сравнении с вышеописанным, осуществляемым только на крутопадающей вольт-амперной характеристике, существенно продлевается во времени. Можно сказать, что устойчивое продленное во времени контактное плавление электрода происходит на режиме кривой 1, а на кривой 3 осуществляется только переход от дугового к контактному плавлению и приближение режима контактного плавления к устойчивому. Переход от дугового (точка Д) к контактному (точка К) плавлению осуществляется на крутопадающем участке с целью "смягчения" процесса, т.е. во избежание амплитудного возрастания тока в момент касания электродом поверхности металлической ванны. Последовательность изменения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания на этапе переходного периода сохраняется такой же, как и в вышеописанном случае с использованием источника питания с крутопадающей характеристикой (т.е. как отображено на фиг. 2, 3).

Значение напряжения в точке пересечения характеристик 1 и 3 является отправной точкой для определения величины контактного напряжения в точке К. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты имеют место при установлении U_к в 1,1-1,5 раз выше напряжения U_ххпп, соответствующего упомянутой точке пересечения (точка М). При значении U_к < 1,1 U_ххпп процесс контактного плавления электрода происходит в импульсном режиме, без плавного перехода от дугового к контактному плавлению. Превышение U_к более, чем в полтора раза величины U_ххпп нецелесообразно, так как напряжение в точке М будет слишком мало и это не вызовет интенсификации контактного плавления при переходе режима в точку М.

Предлагаемый способ сварки осуществляют следующим образом. В блоке управления подающим механизмом сварочного аппарата (в блоке модуляции) устанавливают заданное значение скоростей подачи V_едп и V_екп или эквивалентные им значения I_дп и I_кп, длительности периодов дугового плавления и контактного плавления, а также заданные значения U_ххдп и U_ххкп. Если применяется дополнительный источник или сварочный источник имеет дополнительную жесткую или пологопадающую вольт-амперную характеристику, на нем устанавливают, кроме указанных выше параметров, значение напряжения холостого хода U_ххпп, которое должно подчиняться соотношению U_кп = (1,1-1,5) U_ххпп.

В период дугового плавления (режим в точке Д) выделяется максимальное количество тепловой энергии, объем металлической ванны увеличивается. По истечении времени дугового плавления скорость подачи электрода уменьшается до V_екп, а напряжение на источнике питания - до U_ххкп. Скорость плавления электрода становится меньше скорости его подачи, длина дуги сокращается, напряжение на дуге постепенно уменьшается и дуга гаснет, конец электрода погружается в металлическую ванну, начинается период контактного плавления при токе I_кп и напряжении U_кп. Если электрод подключен к дополнительному источнику питания с жесткой или пологопадающей вольт-амперной характеристикой с напряжением холостого хода U_ххпп (фиг. 4), после увеличения глубины погружения или уменьшения глубины ванны, когда падение напряжения между электродом и основным металлом станет равным или меньшим U_ххпп, ток контактного плавления увеличится до значения, превышающего I_кзкп (его значение зависит от скорости подачи электрода и увеличится с возрастанием U_екп).

Возможен вариант, когда при переходе к контактному плавлению скорость подачи электродной проволоки не изменяют. Тогда в блоке управления значение Vекп устанавливают равным V_едп (фиг. 2).

Период дугового плавления с точки зрения устойчивости процесса может быть неопределенно большим, однако по технологическим соображениям его ограничивают длительностью увеличения объема металлической ванны до заданной величины, достигаемой в соответствии с параметрами I_дп и U_дп (до 1 с). Период контактного плавления ограничен условием предотвращения закорачивания конца электрода на основной металл (упирания в дно металлической ванны), что неизбежно из-за дефицита электрической мощности в период контактного плавления электрода. Обычно длительность периода контактного плавления меньше чем длительность дугового плавления (0,1-0,5 с).

В момент окончания периода контактного плавления в блоке управления аппаратом вырабатывается сигнал на увеличение напряжения на источнике питания. Режим сварки перемещается из точки К в точку Д.

Напряжение сварки увеличивается, возрастает количество теплоты, выделяемой в месте контакта конца электрода с металлической ванной, скорость плавления увеличивается и становится больше скорости его подачи. Конец электрода выходит из металлической ванны и начинается дуговое плавление электрода. Затем цикл модуляции параметром режима сварки повторяется.

П р и м е р ы. Производили автоматическую сварку под флюсом АН-67 с применением проволоки Св-08А диаметром 3 мм. Сваривали пластины из стали Ст. 3 СП толщиной 12 мм встык без скоса кромок с зазором между кромками 2 мм. В качестве источника сварочного тока использовали выпрямитель ВДУ-1201, переключенный на крутопадающую вольт-амперную характеристику, а также выпрямители с комбинированной и жесткой характеристиками. Использовали сварочный трактор ТС-17МУ с постоянной скоростью подачи плавящегося электрода.

Выполнили ряд экспериментов, в которых изменяли напряжение холостого хода на крутопадающем участке вольт-амперной характеристики источника питания: увеличивали в период дугового плавления и уменьшали в период контактного плавления. Результаты примеров экспериментов приведены в таблице.

Как следует из таблицы, в примере 1 устойчивость контактного плавления электрода нарушается редкими, единичными короткими замыканиями, поэтому величины U_ххкп = 0,25 U_ххдп и I_кзкп = 0,25 I_кздп приняты минимально допустимыми для данных условий сварки.

В примере 2 в период контактного плавления собственно контактное плавление в редкие промежутки времени переходит в дуговое, поэтому значение U_ххкп = 0,5 U_ххдп и соответствующее ему значение I_кзкп = 0,9 I_кздп являются максимально допустимыми.

Устойчивое контактное плавление электрода наблюдается в интервале значений параметров сварки, находящихся между допустимыми минимальными и максимальными их величинами. Такой режим отражают параметры примера 3, где U_ххкп = 0,35 U_ххдп, а I_кзкп = 0,55 I_кздп. В этом случае в период контактного плавления дуга полностью гаснет, короткие замыкания отсутствуют.

Примеры 4-6 были выполнены для определения возможности интенсифицировать контактное плавление путем подключения к сварочному трактору дополнительного источника постоянного тока с жесткой вольт-амперной характеристикой и регулируемым в широких пределах напряжением холостого хода (тиристорный выпрямитель ВДУ-506 с встроенным фазовращательным устройством).

Как следует из таблицы, в примере 4 процесс контактного плавления изредка нарушался взрывами жидкой перемычки между электродом и металлической ванной в момент касания и выплесками незначительного количества металла. Это объясняется возникновением единичных импульсов тока повышенной амплитуды из-за повышенного значения напряжения холостого хода дополнительного источника. Поэтому значение U_кп = 1,1 U_ххпп принято минимально допустимым.

Снижение U_ххкп до 6 В, что соответствует соотношению U_ххкп = 1,5 U_ххпп (пример 5), не дало существенного приращения интенсивности контактного плавления электродной проволоки в металлической ванне по сравнению с примером 3, но режим плавления можно считать вполне приемлемым, как минимально допустимый. Поэтому дальнейшее снижение U_ххпп не имеет физического смысла.

Устойчивым и интенсивным было контактное плавление электродной проволоки в примере 6, где принято оптимальное значение U_ххкп, отвечающее соотношению U_кп = 1,3 U_ххпп и являющееся промежуточным в установленном допустимом интервале значений U_ххпп.

Сварка по предлагаемому способу (по сравнению со способом, взятым за прототип) позволяет повысить качество сварного соединения благодаря реализации контактного плавления, улучшению устойчивости перехода от дугового плавления к контактному и увеличению длительности контактного плавления.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ, осуществляемый с чередованием периодов плавления электрода под действием теплоты, выделяемой в месте контакта его с металлической ванной при прохождении электрического тока между ними, и периода дугового плавления электрода с использованием в этот период источника с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, при котором скорость подачи электрода в период контактного плавления уменьшают или оставляют неизменной, отличающийся тем, что в период контактного плавления используют источник питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, при этом напряжение холостого хода источника питания уменьшают до значения, составляющего 0,25 - 0,5 значения напряжения холостого хода источника питания в период дугового плавления, а ток короткого замыкания источника питания уменьшают до значения, составляющего 0,25 - 0,9 значения тока короткого замыкания в период дугового плавления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрод дополнительно подключают к источнику питания с жесткой или пологопадающей вольт-амперной характеристикой, а напряжение контактного плавления устанавливают в 1,1 - 1,5 раз выше напряжения, соответствующего точке пересечения упомянутых крутопадающей и жесткой или пологопадающей вольт-амперных характеристик.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5