Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона без стабилизации переноса

На рис. 17 приведены кинокадры процесса сварки порошковой проволокой, Æ 1,2 мм, в среде аргона без стабилизации переноса.

Рис.17. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона без стабилизации.

Анализ кинокадров сварочного микроцикла показывает, что перенос электродного металла в этом случае протекает без коротких замыканий дугового промежутка. Вследствие хорошей ионизации дугового промежутка столб дуги имеет конусообразную расширяющуюся форму, что обеспечивает низкое значение давления дуги на расплавленный металл сварочной ванны. При этом сварочная ванна осуществляет незначительные колебательные движения, что благоприятно сказывается на формировании шва. Сварка в аргоне характеризуется низкими значениями реактивных сил (по сравнению со сваркой в активных газах). Это приводит к равномерному плавлению электрода, и вследствие действия силы поверхностного натяжения капля расплавленного металла имеет форму шарового сегмента. При этом по мере роста капли на торце электрода, под действием веса капли, она занимает соосное с электродом положение, рис. 17.

По мере дальнейшего увеличения размера капли возрастает ее вес, который совместно с силой поверхностного натяжения и электродинамической силой обеспечивает отрыв капли и ее перемещение в направлении сварочной ванны (фаза 9, рис. 17).

Анализируя характер плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона, следует заметить, что процесс протекает спокойно, хотя периодичность массопереноса не постоянна. Отмеченное обстоятельство может обеспечить приемлемые результаты только при сварке в нижнем положении и не обеспечить требуемого качества в положениях, отличных от нижнего.

Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона с импульсной стабилизацией переноса в режиме коротких замыканий дугового промежутка

На рис. 18 кинокадры сварочного микроцикла процесса сварки порошковой проволокой, Æ 1,2 мм, в среде аргона в режиме импульсной стабилизации переноса во время принудительных коротких замыканий дугового промежутка. Анализ кинокадров микроцикла сварочного процесса показывает, что плавление и перенос протекают нестабильно. Имеют место случайные и неполные короткие замыкания, что не обеспечивает стабильности сварочного процесса и приводит к неудовлетворительному формированию.

Рис.18. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона с импульсной стабилизацией процесса.

Возможной причиной данного обстоятельства, может быть эффект неравномерной скорости плавления оболочки порошковой проволоки и ее сердечника, что приводит к затягиванию длительности коротких замыканий и преждевременным прекращениям дозирования энергии, идущей на плавление капли электродного металла.

Кинетика плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона с управляемым переносом электродного металла без коротких замыканий дугового промежутка

На рис. 19 и 20 приведены осциллограммы напряжения на дуге и сварочного тока, а также кинокадры сварочного микроцикла с управляемым переносом электродного металла при сварке порошковой проволокой, Æ 1,2 мм в среде аргона.

Рис. 19. Осциллограммы напряжения и тока дуги адаптивного импульсного процесса сварки порошковой проволокой в смеси газов Ar + CO₂ с управляемым переносом металла без коротких замыканий дугового промежутка.

Рис. 20. Кинокадры сварочного микроцикла плавления и переноса капли электродного металла при сварке порошковой проволокой в среде аргона длинной дугой с управляемым переносом электродного металла без коротких замыканий дугового промежутка.

Такой характер переноса электродного металла имеет место на протяжении всего процесса сварки и свидетельствует о высокой стабильности. Изменение частоты следования импульсов тока и его амплитуды приводит к изменению размеров переносимых капель, что создает хорошие условия для ограничения времени пребывания легирующих элементов материала электрода под действием высокой температуры дуги. Следует заметить, что в данном случае имеет место значительное отставание скорости плавления сердечника проволоки от скорости плавления ее оболочки, но это обстоятельство не оказывает влияния на характер переноса и формирования сварочного шва, поскольку не сопровождается короткими замыканиями дугового промежутка.

Разработка алгоритмов импульсного управления плавлением и переносом электродного металла проволокой сплошного сечения в среде защитных газов «короткой» и «длинной» дугой, а также порошковой проволокой и покрытыми электродами.

Выполненные исследования по изучению кинетики плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну позволили установить, что наиболее эффективным, с точки зрения устранения основных недостатков, является процесс сварки, протекающий в зависимости от мгновенных значений параметров процесса. Такой процесс более устойчив как к постоянно действующим возмущениям на протяжении всего цикла сварки, так и к мгновенным возмущениям, действующим в пределах микроцикла.

Примером процесса сварки, управляемого по мгновенным значениям параметров процесса, который может быть рекомендован для импульсно-дуговой сварки в среде СО2, и удовлетворяющего вышеперечисленным требованиям, является процесс, эпюры тока и напряжения которого представлены на рис.21, а, б, в. Представленный процесс сварки, кроме общепринятых показателей, характеризуется дополнительными параметрами, а именно: Тц – периодом повторения микроциклов; τ1 – паузой в протекании сварочного тока к моменту разрыва перемычки; τ2 – длительностью дозирования энергии плавления электрода; τ3 – паузой в протекании сварочного тока перед коротким замыканием; Iк.з. – пиковым значением тока короткого замыкания; In – значением тока паузы.

Представленный на рис. 21, а) процесс сварки осуществляется следующим образом. По началу короткого замыкания происходит образование устойчивой перемычки между непрерывно подаваемым электродом и сварочной ванной. Перемычка интенсивно разогревается джоулевым теплом и разрушается. При этом по началу разрушения перемычки происходит уменьшение величины тока от пикового значения Iк.з. до величины тока паузы In. Длительность вводимой паузы τ1 задаётся параметрически и определяется временем, необходимым для разрушения перемычки и повторного возбуждения дуги. Повторное возбуждение дуги происходит при величине тока паузы In. После окончания паузы τ2 происходит увеличение сварочного тока до величины горения дуги, причем длительность горения τ2 задается также параметрически и определяется диаметром электродной проволоки, скоростями процесса сварки, вылетом, напряжением холостого хода источника питания и другими параметрами. После окончания времени τ2, задаваемого для расплавления определенного количества электродного металла, происходит уменьшение величины сварочного тока до величины тока паузы In.

а

б

в

Рис. 21. Эпюры токов и напряжений методов сварки со стабилизацией параметров.

При этом происходит резкое ограничение скорости плавления электродного металла и ослабление сил, препятствующих переносу электродного металла в сварочную ванну. Капля электродного металла, находящаяся перед этим на боковой поверхности электрода, стремится в этот момент занять соосное с ним положение, а сварочная ванна, не удерживаемая больше давлением дуги, устремляется в направлении непрерывно подаваемого электрода. Вследствие этих взаимонаправленных движений происходит принудительное короткое замыкание. Поначалу короткого замыкания происходит увеличение сварочного тока.

При этом, поскольку ток увеличивается к своему пиковому значению от небольшой величины тока паузы, то происходит благоприятное развитие контакта капли электродного металла и сварочной ванны в первой фазе короткого замыкания, что способствует изменению направления действия электродинамической силы, которая ускоряет образование жидкой перемычки и ее разрушение. В рассмотренном методе сварки начальные условия дозирования энергии плавления электрода могут изменяться от цикла к циклу. Это зависит от пространственного положения капли электродного металла перед коротким замыканием, от подвижности и высоты гребня сварочной ванны, длительности короткого замыкания, скорости подачи и др. Все эти факторы определяют длину дуги в момент повторного возбуждения. Параметрическое дозирование энергии плавления электрода при различной начальной длине дуги приводит к расплавлению различного количества электродного металла к моменту его окончания. При этом, в процессе сварки наблюдается некоторый разброс его мгновенных показателей (Iк.з., tк.з., фк. и др.). Поэтому в процессе сварки дозирование энергии плавления необходимо производить с учетом начальных условий. Это требование было учтено при разработке метода сварки, рис.21, б). При достижении перемычкой критических размеров вводится пауза, на интервале которой происходит ее разрушение. Вследствие отсутствия плавления электродной проволоки на интервале паузы, начальная длина дуги, установившаяся в момент ее повторного возбуждения, быстро сокращается. Сокращение длины дуги вызывает уменьшение дугового напряжения, которое уменьшается до некоторой опорной величины, задаваемой до начала процесса сварки. В момент достижения равенства задаваемой опорной величины напряжения и действительной величины дугового напряжения, происходит увеличение тока и осуществляется дозирование энергии плавления электродного металла, таким образом, дозирование энергии плавления электродного металла осуществляется в рассмотренном методе сварки при постоянных начальных условиях, что способствует стабилизации мгновенных показателей процесса.

Другим примером отработки различных начальных условий при дозировании энергии плавления электродного металла может быть отработка, осуществляемая в методе сварки, рис.21,а. В данном методе сварки пауза к моменту разрушения перемычки задается параметрически и равна τ1. На интервале паузы τ1 происходит интегрирование величины дугового напряжения и в зависимости от нее устанавливается длительность дозирования энергии плавления τ2, т.е., отработка различных начальных условий в данном методе происходит на интервале дозирования энергии плавления.

Представленные методы сварки могут обеспечить хорошие результаты при ведении процесса в нижнем положении, где сварочная ванна обладает меньшей подвижностью. При сварке в вертикальном и потолочном положениях сварочная ванна характеризуется большей подвижностью, что обеспечивается либо её отеканием (вертикальное положение), либо её отвисанием (потолочное и полупотолочное положения). Поэтому для стабилизации её движения необходимо управление динамическим воздействием, как в момент повторного возбуждения, так и на интервале дозирования энергии плавления электрода.

Такие возможности могут быть реализованы в методе сварки, алгоритм импульсного управления которого представлен на рис.21, в). В данном методе, регулируя величину опорного напряжения, при котором оканчивается длительность дозирования энергии плавления, можно удерживать расплавленный металл либо в хвостовой части сварочной ванны (вертикальное положение), либо непосредственно под торцом электрода, не отбрасывая его в хвостовую часть сварочной ванны (что необходимо в потолочном и полупотолочном положениях). С учетом того, что в полупотолочном и потолочном положениях встречное движение сварочной ванны в механизме коротких замыканий отсутствует, по началу короткого замыкания следует вводить кратковременную паузу, порядка (25÷100) микросекунд. Эта временная задержка позволяет обеспечить благоприятное развитие контакта капли расплавленного электродного металла и сварочной ванны.

Рассмотренные выше алгоритмы импульсного управления энергетическими параметрами могут быть эффективно применены для процесса сварки в среде СО2 и газовых смесей на его основе с переносом электродного металла во время принудительных коротких замыканий. Для сварки с переносом без коротких замыканий или так называемой «длинной дугой», вполне эффективно может быть применен алгоритм импульсного управления, представленный на рис. 3,а. Однако для реализации алгоритмов управления, реализуемых по законам адаптивного управления, необходимо введение контролируемых в процессе сварки параметров. Такими параметрами могут быть: мгновенное значение напряжения на дуге перед включением тока импульса, либо интегрированная величина энергии, которая затрачивается на плавление отдельной капли электродного металла и т.п.

Однако управление плавлением и переносом электродного металла позволяет решить задачу стабилизации характеристик массопереноса при механизированных способах сварки во всех пространственных положениях, но не обеспечивает управления формированием металла шва из расплава, для чего требуется применение низкой частоты изменения энергетических параметров режима, из-за значительной теплоинерционности сварочной ванны. Обычно, для этого необходима низкочастотная модуляция сварочного тока в частотном диапазоне 0,25 – 5 Гц. Такой процесс, как правило, предполагает периодическое изменение выходной мощности в системе питания, чередуя высокий (импульс) и низкий (пауза) уровни. В периоды импульсов тока расплавляется основная часть электродного и свариваемого металлов, в последующие периоды паузы происходит кристаллизация большей части сварочной ванны. Указанный диапазон соизмерим с теплоинерционностью сварочной ванны, что позволяет периодически изменять тепловой поток, вводимый в металл, и тем самым регулировать во время сварки процесс проплавления основного металла и формирования шва. В современных системах питания инверторного типа низкочастотная модуляция его выходной мощности может быть реализована путем изменения тактовой частоты полупроводникового преобразователя методами частотно-импульсной модуляции, либо применением алгоритмов управления, реализуемых методами широтно-импульсной модуляции.

При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом реализация пульсирующего режима работы системы питания представляет собой наиболее сложную техническую задачу, поскольку это сопряжено с необходимостью учета капельного переноса электродного металла в сварочную ванну (частотный диапазон 300 – 25 Гц) и одновременного управления формированием металла шва из расплава (частотный диапазон 0,25 – 5 Гц). Для обеспечения возможности совмещения двух частотных диапазонов при реализации технологического процесса, требуется синхронная работа источника питания и подающего механизма.

Выбор того или иного алгоритма управления энергетическими параметрами режима должен выбираться в каждом конкретном случае и зависеть от решаемой технологической задачи.

Изучение влияния импульсных изменений энергетических параметров режимов сварки и регулируемого тепломассопереноса на структуру металлов шва и ЗТВ неразъемных соединений углеродистых и легированных сталей типа 09Г2С, 10Г2С, 17Г1СУ, 30ХГСА, 15НСНД и 12Х18Н10Т.

Поиск по сайту: