Анализ способов повышения и критериев оценки устойчивости сварочного дугового разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ способов повышения и критериев оценки устойчивости сварочного дугового разряда

Современные исследования процессов сварки [1] показали, что основное количество дефектов зарождается в объеме сварочной ванны и определяется сложными тепловыми, гидродинамическими процессами, проходящими в ее объеме и напрямую зависящими от устойчивости горения дуги.

Устойчивость горения сварочной дуги считается главным требованием к процессу сварки плавлением [2].

Поэтому основной целью настоящей работы является анализ способов повышения и критериев оценки устойчивости сварочного дугового разряда.

Известны следующие способы воздействия на электрическую сварочную дугу с целью повышения устойчивости и ее технологических свойств.

Для повышения устойчивости в состав покрытия электродов вводят элементы с низким потенциалом ионизации (К, Na, Bа, Cа). Повышение устойчивости горения дуги достигается за счет увеличения количества ионов. Однако этот способ имеет и недостаток - падает скорость плавления катода, что снижает эффективность сварочного процесса [3].

Повышения устойчивости горения сварочной дуги можно добиться путем подбора статической вольтамперной характеристики источника питания. Однако при слишком большой крутизне внешней статической характеристики источника питания происходит ухудшение условий проведения сварочного процесса [3].

Устойчивость дугового разряда повышается в случае, когда на дуговой разряд воздействуют продольным магнитным полем напряженностью H с помощью соленоида (рис. 1) [4].

сварочный дуговой разряд

Рис. 1. - Действие продольного магнитного поля на сварочную дугу (а) и схема направляющего соленоида (б)

В работе Пчельникова Ю.Н. и Свиридова В.Т. показано, что для повышения устойчивости, контрагирования (обжатия), температуры, технологических свойств плазменного проводника производится воздействие на него сверхвысокочастотной составляющей электромагнитного поля, что имеет место в плазмотронах волнового типа (рис.2) [5].

Рис. 2. - Схема устройства плазмотрона волноводного типа:

1 - прямоугольный волновод; 2 - экранирующие трубки;

3 - разрядная диэлектрическая трубка; 4 - плазменный шнур;

5 - согласованная нагрузка

Коэффициент вариации, характеризующий устойчивость, составляет 2 - 3%. Реализация указанных выше способов ограничена, особенно для процесса ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Один из способов повышения устойчивости и сварочно-технологических свойств дуги осуществляется в импульсно-дуговой сварке [6]. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом дает возможность работать при низких значениях сварочного тока во всех пространственных положениях при малом разбрызгивании и хорошем формировании шва. Этот способ сварки позволяет получать соединения высокого качества и применяется в основном при сварке в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом, а также при ручной дуговой сварке.

Сварочный процесс в данном случае ведется при воздействии на дуговой разряд мощных импульсов тока с частотами 50-150 Гц.

Основная особенность импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом--управляемый перенос электродного металла.

При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом уменьшается количество аэрозолей, образующихся в зоне дуги, по сравнению с обычной сваркой плавящимся электродом. Это связано с уменьшением времени пребывания капель в дуге. Повышаются устойчивость и динамические свойства системы: «источник питания - дуга - сварочная ванна» [7].

В зависимости от способа генерирования импульсов тока импульсными источниками питания, принципа построения силовой схемы, наличия или отсутствия сварочного источника питания базового тока и его типа можно выделить четыре основные схемы включения источников питания при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом (рис.3).

Однако реализация преимуществ импульсно-дуговой сварки на производстве встречает затруднения из-за отсутствия систематизированных, обоснованных данных для выбора оптимальных режимов сварки и соответствующего оборудования.

Улучшение сварочно-технологических свойств и устойчивости горения дуги наблюдается при воздействии на динамические характеристики источника питания [7].

Исходя из выше изложенного, необходимо разработать такую структурную схему сварочного контура, параметры которой учитывали бы специфику динамических процессов в сварочной ванне и способствовали повышению устойчивости горения сварочной дуги.

К наиболее распространенным источникам питания для дуговой сварки относятся универсальные сварочные выпрямители серии ВДУ. Эта серия содержит четыре типа источников: ВДУ-305, ВДУ-504, ВДУ-1201, ВДУ-1601 соответственно по 300 А, 500 А, 1200 А и 1600 А. Выпрямители этой серии состоят из двух основных устройств: силовой части и устройства управления.

В зависимости от вида внешней характеристики, время переходного процесса источников питания серии ВДУ [8] колеблется от 20 до 70 мс.

Рис. 3. - Схемы включения источников питания при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом (ГИ--генератор импульсов; ИП-- сварочный источник; УИ-- универсальный импульсный источник; К--замыкающий контакт силового контактора; V--диод; Э--плавящийся электрод; И--изделие): а--параллельное включение ГИ и выпрямителя; б--параллельное включение ГИ и преобразователя; в--последовательное включение ГИ и выпрямителя; г--питание сварочного поста от УИ.

Очевидно, что динамические свойства серийных источников питания ограничивают их использование для регулирования быстродействующих тепловых процессов при плавлении электрода и гидродинамических процессов в сварочной ванне.

Повышение быстродействия современных источников питания имеет две отчетливо выраженные тенденции. Первая из них основана на использовании быстродействующей инверторной техники [9], а вторая связана с совершенствованием управления [10]. Использование инверторной техники связано со значительным усложнением схемы управления и удорожания источников в целом.

Следовательно, наиболее перспективным путем повышения устойчивости дугового разряда, системы «источник питания - дуга - сварочная ванна» и динамических свойств источников питания может быть осуществлено за счет импульсного, высокочастотного воздействия на сварочный контур.

Поэтому, особую актуальность приобретает модернизация источников серии ВДУ и аналогичных путем выделения устройства управления как самостоятельной системы и оснащение разработанным устройством как находящихся в эксплуатации, так и новых источников питания без вмешательства в его схему управления, как это предлагается при осуществлении импульсно-дуговой сварки.

Для питания сварочной дуги может применяться переменный и постоянный ток, но возможно их комбинированное применение [11]. Переменный ток может иметь различные частоты до нескольких 10⁶ Гц [11]. В данном случае имеется в виду комбинированное применение постоянного тока основного сварочного источника и переменного высокочастотного от вспомогательного устройства.

Исходя из современных представлений о физике низкотемпературной плазмы, можно сказать, что наложение высокочастотного квазигармонического сигнала по напряжению на дуговой разряд постоянного тока способствует повышению его устойчивости [12].

При выборе объективных критериев оценки устойчивости дугового разряда следует исходить из оценки конечного результата сварки - шва, основные параметры которого при соответствующих металлургических свойствах сварочного материала (обеспечивающих в оптимальных условиях хорошее формирование шва), при качественном проведении подготовительных операций однозначно определяются характером горения дуги и переносом металла.

Следовательно, показатели, характеризующие свойства дуги, могут быть положены в основу объективной оценки стабильности процесса сварки в целом [13].

Важным критерием устойчивости дугового разряда считается его разрывная длина l_р, при которой происходит её естественный обрыв. Чем больше l_р, тем устойчивее дуговой разряд. Способ оценки устойчивости дугового разряда по l_р ввиду своей простоты и наглядности получил довольно широкое применение [11].

Для оценки устойчивости особый интерес представляет коэффициент устойчивости S [14]:

(1)

где - величина рабочего зазора между сварочным электродом и пластиной (3 мм).

Данный коэффициент является более универсальным критерием оценки устойчивости сварочного дугового разряда, так как позволяет учитывать изменение величины рабочего зазора между сварочным электродом и изделием в процессе сварки. Изменение величины рабочего зазора проявляется в сварочных соединениях, выполняемых в монтажных, ремонтных, полевых условиях.

Эксперименты выполняли по методике [3]. Схема установки соответствует приведенной на рис. 4. Сравнивали устойчивость горения дуги с наложением высокочастотного квазигармонического сигнала по напряжению и без него. Исследовали дуговой разряд постоянного тока в режиме I_д=100 А, U_д=22В с наложением и без наложения напряжения частотой f=40кГц, длительность импульса t_и=15 мс, использовался электрод УОНИИ 13/45 d=3мм. Наложение на дуговой разряд электрического импульсного воздействия повышенной частоты производилось от генератора импульсов (ГИ) подключенного параллельно к основному источнику.

В качестве критериев определения устойчивости горения дугового разряда примем разрывную длину дуги l_p, при которой происходит её естественный обрыв и коэффициент устойчивости S.

Для перспективных исследований системы «источник питания - дуга - сварочная ванна» могут быть рекомендованы коэффициенты вариации сварочного тока KVI_св и напряжения на дуге KVU_д [13], вычисления иннорных определителей [15].

Рис. 4. - Структурная схема установки для проведения эксперимента: 1 - источник питания постоянного тока ВДУ-504;

2 - устройство для наложения высокочастотного квазигармонического сигнала по напряжению (20-300 кГц);

3 - металлическая пластина; 4 - покрытый электрод; 5 - сварочная дуга.

Были получены экспериментальные данные по определению принятых критериев устойчивости дугового разряда показанные в таблице №1, для нижнего положения сварочной ванны.

Разрывная длина l_р для режима сварки №4 (с наложением высокочастотной компоненты) и №1 (без наложения) увеличилась на 33,3%, для режима сварки №5 и №2 на 29,4%, а для режима сварки №6 и №3 на 38,9%.

Коэффициент устойчивости S определяемый по (1) для режима сварки №4 и №1 увеличился на 42.5%, для режима сварки №5 и №2 на 34%, для режима сварки №6 и №3 на 46%.

Полученные результаты экспериментальных данных по определению параметров дугового разряда с наложением напряжения частотой f=40кГц, длительность импульса t_и=15 мс свидетельствует об увеличении его устойчивости по сравнению с рекомендуемыми режимами сварки для данной марки электродов в 1,3-1,5 раза.

Таблица №1. Экспериментальные данные по определению устойчивости дугового разряда

Проведенные экспериментальные исследования и положительные результаты опытного опробования разработанной системы питания дугового разряда позволяют рекомендовать ее для применения при монтаже ответственных металлических конструкций.

Литература