Импульсно дуговой способ сварки наплавки плавящимся электродом

Общие сведения об импульсно-дуговой наплавке

Наплавка – одна из разновидностей сварки – служит для нанесения металла заданного состава на поверхность изделия. Нанесенный металл прочно связывается с основным, образуя надежное соединение. При наплавочных работах требуется минимальная доля основного металла, переводимого в металл наплавки, в большинстве случаев, доля участия основного металла может в первых швах составлять от 10 до 50%. Уменьшение глубины расплавления основного металла, кроме постоянства состава наплавки, обеспечивает возможность значительного уменьшения внутренних напряжений, деформации и получения наплавки без трещин. К сожалению, это весьма важное технологическое требование очень часто на производстве не контролируется, и наплавка выполняется на максимальных режимах без соблюдения правильных технологических приемов. Это резко увеличивает глубину расплавления основного металла и долю участия его в наплавке, что ухудшает качество наплавки.

Глубину расплавления основного металла можно регулировать следующими технологическими приемами:

1. Изменением тока или мощности пламени горелки , так как с уменьшением удельной тепловой мощности источника нагрева глубина проплавления уменьшается. Рекомендовать этот прием для массового применения не следует, так как при нем резко снижается производительность наплавки. Наплавочные работы желательно выполнять на максимально возможных режимах, но применяя другие технологические приемы, обеспечивающие уменьшение глубины расплавления основного металла.

2. Изменением ширины наплавляемого валика . С увеличением ширины валика уменьшается глубина расплавления основного металла, и создаются условия для более равномерного расплавления по поперечному сечению наплавки. Увеличить ширину валика при ручной дуговой наплавке можно большим размахом поперечного движения электрода – до 8-10 диаметров электрода; применением гребенки, состоящей из 2-5 электродов, включенных параллельно; применением пластинчатых электродов и наплавки лежащим электродом, применением поперечных колебательных движений электрода; использованием способа наплавки «расщепленным» электродом; применением ленточных порошковых электродов.

3. Изменением угла атаки газового пламени и дуги по отношению к основному металлу . С уменьшением угла атаки уменьшается глубина расплавления основного металла без уменьшения скорости расплавления присадочного металла. При наплавке на плоскость уменьшается угол наклона этой плоскости к горизонтальной. Наплавка на цилиндрические поверхности ведется «на спуск».

4. Применением «холостых», т.е. не включенных в сварочную цепь присадочных стержней . Эти стержни плавятся за счет тепла дуги и несколько уменьшают температуру ванны, позволяя повысить производительность наплавки с одновременным уменьшением глубины расплавления основного металла. Такие стержни при ручной дуговой наплавке могут подаваться в дугу левой рукой сварщика или включаются в гребенку электродов без присоединения их к источнику тока. При автоматической и электрошлаковой наплавке «холостая» проволока (одна или несколько) подается специальным механизмом без подключения ее к источнику тока.

Новые возможности открывают импульсные технологические процессы наплавки. Импульсно-дуговая наплавка плавящимся электродом расширяет технологические возможности наплавки в защитных газах. При этом процессе на основной сварочный ток непрерывно горящей дуги налагают кратковременные импульсы тока , которые ускоряют перенос капель металла и позволяют контролировать размер переносимых капель. При наложении на дугу импульсов определенной энергии и частоты достигается управляемый перенос электродного металла с минимальным разбрызгиванием. Это позволяет осуществлять наплавку в различных пространственных положениях.

Важным достоинством импульсных процессов является возможность стабилизации мгновенных значений основных технологических параметров: интервала плавления и переноса каждой капли электродного металла.

В зависимости от решаемой технологической задачи выбирают следующие частотные диапазоны алгоритмов импульсного управления:

— 5000 – 100 Гц – для повышения устойчивости горения дуги и уменьшения размеров переносимых капель;

— 100 – 25 Гц – для управления переносом электродного металла во всех пространственных положениях;

— 25 – 0,25 Гц – для улучшения формирования шва во всех пространственных положениях за счет уменьшения размеров сварочной ванны и увеличения скорости кристаллизации;

— от 0,25 Гц и ниже – для управления кристаллизационными процессами в металле шва и зоне термического влияния.

Также интересна классификация по мощности импульсов:

1-й диапазон. Сварка с наложением импульсов малой энергии. Плавление проволоки и перенос капель протекают так же, как и при сварке без наложения импульсов.

2-й диапазон. Энергия импульсов больше, чем в первом, и уже оказывает влияние на поведение капли на электроде.

3-й диапазон. Энергия импульсов еще больше, чем во втором, и достаточна для отрыва каждым импульсом одной капли электродного металла.

4-й диапазон. Энергия импульсов настолько велика, что один импульс отрывает с электрода две капли и более.

5-й диапазон. Энергия импульсов велика, плавление электродной проволоки происходит, главным образом во время импульсов.

Импульсно-дуговая наплавка плавящимся электродом расширяет технологические возможности наплавки в защитных газах. При этом процессе на основной сварочный ток непрерывно горящей дуги налагают кратковременные импульсы тока, которые ускоряют перенос капель металла и позволяют контролировать размер переносимых капель. При наложении на дугу импульсов определенной энергии и частоты можно достичь мелкокапельного переноса металла с минимальным разбрызгиванием. Это позволяет осуществлять наплавку в различных пространственных положениях.

Важно отметить, что по сравнению со стационарными процессами импульсные процессы обеспечивают следующие преимущества.

1. Повышение устойчивости горения дуги во всех пространственных положениях. За счет управления подачей импульсов, процессами плавления, переноса и кристаллизации металла независимо от пространственного положения сварочной ванны при значительно меньших средних значениях основных технологических параметров (Yсв, Uсв). Повышение качественных характеристик сварных соединений и наносимого слоя при наплавке (улучшение формирование шва не зависимо от пространственного положения, повышение однородности химического состава по всему объему покрытия, измельчение структуры в сварном шве в зоне термического влияния).

2. Получения заданной геометрии сварного шва. Возможность получения заданной геометрии, за счет изменения подачи импульсов сварочного тока (до 30%).

3. Получение необходимого химического состава наплавленного металла, для обеспечения заданных механических свойств. Повышение механических свойств получаемых сварных конструкций, связанных со значительным уменьшением зоны термического влияния и измельчением ее структуры. Увеличение в 2-3 раза скорости кристаллизации сварочной ванны вследствие нестационарного энергетического воздействия источника нагрева на сварочную ванну, уменьшающего температуру расплавленного металла. Отмеченные достоинства достигаются направленной кристаллизацией сварочной ванны и усиление гидродинамических процессов в расплавленном металле, способствующих интенсивной дегазации сварочной ванны и более равномерному объему расплава.

4. Уменьшение тепловложения в изделие. За счет уменьшения тепловложения в изделие получаем меньшие зоны термического влияния, что обеспечивает сохранению химических и механических свойств металла.

5. Увеличение коэффициента плавления электрода. При ИДС коэффициент расплавления повышается до 29-31 г•А/ч в сравнении при форсированных режимах в углекислом газе (25 г•А/ч), рекомендованных при расчетах 15 г•А/ч. Увеличение плавления объясняется тем, что сварочная проволока (электрод) плавится от мгновенных значений сварочного тока и более эффективно использовано тепло со стороны дуги.

Вывод: разработка импульсных процессов наплавки в настоящее время очень актуальна, т.к. позволяет значительно расширить возможности традиционных технологических процессов наплавки, что непосредственно приведет к повышению эффективности сварочного производства.

Источник

Импульсно-дуговая сварка: суть, виды, сфера применения, алгоритм, достоинства и недостатки метода

Импульсно-дуговая сварка – это вид дуговой сварки, при котором на дежурную дугу накладываются импульсы большего тока. Метод применим при сварке как в среде защитных газов, так и плавящимися и неплавящимися электродами.

Технология импульсно-дуговой сварки

Импульсно-дуговая сварка осуществляется посредством сварочного оборудования, предполагающего возможность наложения на постоянную дугу импульса, превосходящего в разы по силе тока показатели дежурной дуги.

Импульсно-дуговая сварка происходит, согласно следующему алгоритму:

• на фоне базового тока импульсом высокой мощности происходит расплавление конца электрода и формирование на его конце капли нужного размера;
• далее сформированная капля отделяется и переносится на металлическую заготовку;
• сила тока падает до базового значения, позволяющего поддерживать дежурную дугу;
• происходит осаждение металла в сварочной ванне;
• далее следует повторение данного процесса.

Преимущества и недостатки

Импульсно-дуговой способ сварки разрабатывался как более универсальная и производительная альтернатива дуговому способу. Среди его достоинств можно назвать:

• исключение возможного брака в виде прожогов и несплавлений;
• отсутствие разбрызгивания металла во время сварочного процесса;
• экономичный расход сварочной проволоки и электродов;
• возможность сварки разных по составу металлов;
• благодаря малому числу возникающих дефектов, значительно упрощена обработка сварных швов.

Недостаток импульсно-дугового способа сварки: данный способ неприменим для больших сварочных объемов.

Сфера использования

Изначально данный способ был придуман для сварки нержавеющий стали. Его первое применение – строительство в 1932 году американского поезда Pioneer Zephyr, где применение сваренной этим способом нержавеющей стали позволило сократить вес состава, а, значит, увеличить его скоростные параметры.

Позже выяснилось, что импульсно-дуговая сварка может успешно применяться при соединении друг с другом как разных марок сталей, так и цветных металлов: алюминиевых, медных, никелевых сплавов и титана.

Диапазон заготовок, который можно сваривать с помощью импульсного способа сварки – от 1 до 50 мм.

Сейчас импульсно-дуговой способ широко применяется при монтаже трубопроводов разного назначения. Он обеспечивает качественный сварной шов практически без дефектов, хорошо сформированный обратный валик, не требующий зачистки, и достаточную прочность сварного соединения, что является приоритетным для данных видов конструкций.

Виды импульсной сварки и их краткая характеристика

Классификация видов импульсно-дуговой сварки основана на разнице способов преобразования тока для создания импульса. Всего их выделяют четыре: магнитно-импульсный, аккумуляторный, инерционный и конденсаторный.

Магнитно-импульсный вид

Суть данного вида сварки – соединение металлических деталей путем их соударения с использованием в процессе импульсного электромагнитного поля.

В процессе сварки одна деталь остается неподвижной, а вторая приводится в движение электромагнитным полем, генерируемым сварочной установкой. В момент их сближения образуется дуга, которая сваривает заготовки. Магнитно-импульсная сварка актуальна в машиностроении для соединения трубчатых деталей между собой и с другими деталями. Также ее применяют для сварки плоских деталей по их наружному и внутреннему контуру. Магнитно-импульсная сварка может применяться для соединения деталей с диапазоном толщин заготовок 0,5-2,5 мм.

Этот вид сварки не получил широкого распространения из-за сложности технологически-настроечного процесса и быстрого износа сварочного оборудования.

Аккумуляторный вид

В сварочных аппаратах, предназначенных для этого вида сварки, необходимая сила тока для импульса генерируется с помощью щелочных аккумуляторов. Их отличительная конструкционная особенность – низкое значение внутреннего сопротивления, что позволяет выдать ток короткого замыкания, который по силе во много раз превосходит ток стандартной разрядки. Подобный вид сварки на данный момент находится в стадии разработки и широко не применяется.

Инерционный вид

В инерционном виде сварки применяется накопленная энергия вращающегося маховика, который приводится в движение общим валом роторного силового генератора.

Схема сварки трением

В момент сварки скорость движения маховика замедляется, и он трансформирует запасенную кинетическую энергию в форме импульса сварочного тока.

Конденсаторный вид

При конденсаторной сварке импульс, необходимый для сварного процесса, обеспечивается энергией короткого импульса тока при разряде конденсатора. Этот вид сварки имеет ограничения по максимальному сечению свариваемых заготовок. Область его применения – соединение листового металла с крепежными элементами различной конструкции (шпильками, втулками, гвоздями и т. д.). Также он успешно используется в производстве электронных компонентов и приборостроении, где необходимо сваривать между собой мелкие детали и металлы малых толщин.

Источник

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом с программным регулированием процесса

Электродуговая сварка плавящимся электродом получила наибольшее распространение в промышленности. Непрерывное совершенствование различных способов ее осуществлялось путем улучшения конструкции и характеристик аппаратуры, расширения ассортимента электродной проволоки, выбора типа защиты дуги и характеристик источника питания и т. п. С целью повышения качества швов все усилия до сих пор были направлены на разработку источников питания и систем автоматического регулирования, обеспечивающих неизменность выбранных параметров режима в процессе сварки.

Известно, что основные параметры режима: ток Iсв, напряжение Uд длина дуги и др. — претерпевают в процессе сварки изменения. Эти изменения происходят как при воздействии на дугу внешних возмущений (напряжения сети, разделки шва), так и закономерно возникающих в процессе плавления электродной проволоки в зоне дуги.

Периодические изменения параметров режима дуговой сварки вызываются капельным переносом металла, блужданием активных пятен и столба дуги вследствие электромагнитных, тепловых и других воздействий. С уменьшением устойчивости горения дуги они увеличиваются. В результате изменяются геометрические размеры шва.

Разработка сварочных источников питания и систем автоматического регулирования сварочной дуги позволила повысить устойчивость ее горения и в определенной мере стабилизировать размеры сварных швов. Однако в этих источниках питания и системах автоматического регулирования не предусматривалось управление процессами образования и отрыва капель электродного металла. He удавалось внести коренные изменения в процессы формирования шва, ход металлургических реакций в дуге и увеличение производительности сварки.

Совершенно очевидно, что дальнейшее повышение качества и производительности дуговой сварки возможно лишь при более глубоком изучении явлений, протекающих в дуге, и разработке новых приемов, позволяющих активно управлять образованием и переносом капель электродного металла. Наиболее перспективным в данном случае является исследование дугового разряда и плавления электрода при кратковременных периодических изменениях тока, напряжения и длины дуги, задаваемых источником питания. Работы, выполненные в Институте электросварки им. Е.О. Патона, позволили определить условия, обеспечивающие возможность активного воздействия на характер изменения физических процессов в разрядном промежутке. В результате разработан новый способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах, под флюсом и без защиты дуги с возможностью программного управления образованием каждой капли плавящегося электрода и, как следствие, размерами и формой сварного шва во всех пространственных положениях.

Наиболее важным при дуговой сварке плавящимся электродом можно считать процесс формирования капли электродного металла и ее перенос в сварочную ванну на изделии. При обычных способах сварки мы лишены возможности управлять формированием капли на конце электрода, так как характер переноса металла зависит от режима сварки, который задается обычно неизменным во времени в основном из технологических соображений (размеров шва, его пространственного положения и др.). Известно также, что при обычном способе сварки наиболее благоприятен мелкокапельный (или струйный) перенос металла, происходящий при больших токах и характеризующийся повышением давления дуги и концентрацией теплового потока по оси ее столба.

Следовательно, чтобы управлять процессом образования капли при мелкокапельном переносе металла независимо от технологических характеристик шва необходимо периодически изменять мгновенную мощность дугового разряда. Импульс мощности должен быть достаточным для образования на конце электрода капли металла необходимых размеров и переноса ее на изделие. Такой процесс, названный нами импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом, может быть осуществлен по схеме, приведенной на рис. 1.

Анализируя полученные данные, можно приближенно дать следующее описание явлений, протекающих в течение одного цикла. Тепло, выделяемое основной дугой в промежутке между импульсами, сравнительно невелико и недостаточно для плавления электродной проволоки с заданной скоростью. Вследствие этого длина дугового промежутка непрерывно уменьшается. Под действием импульса тока происходит ускоренное оплавление электродной проволоки, и образовавшаяся на конце электрода капля металла сбрасывается в сварочную ванну. Скорость плавления проволоки при этом превышает скорость ее подачи и длина дуги резко возрастает.

Тепловая инерция дуги и расплавленного металла оказывают большое влияние на характер переходных процессов при плавлении электродной проволоки и переносе металла. Вследствие наложения кратковременных импульсов тока физические явления в дуговом разряде претерпевают существенные изменения. Так, во время наложения импульса тока резко увеличивается яркость свечения дуги, особенно в приэлектродных областях, и уменьшается ее эквивалентное сопротивление от 0,1 до 0,03 Ом. В конце действия импульса появляется большое количество паров электродного металла. Это свидетельствует о том, что импульсное повышение тока дуги существенно влияет на характер протекания дугового разряда. В результате повышается его стабильность, что позволяет значительно уменьшить нижний предел сварочного тока, соответствующий устойчивому горению дуги. Например, при сварке алюминия в аргоне проволокой 01,6 мм устойчивый процесс импульсно-дуговой сварки можно получить при токах -30 А вместо 110. 120 А, а 02,0 мм — 50 А. Нижний предел тока при сварке нержавеющей стали в аргоне проволокой 02,0 мм составляет 130 А вместо 250. 280 А при обычной аргоно-дуговой сварке. Во всех случаях при этом наблюдается мелкокапельный перенос электродного металла, что позволяет производить сварку во всех пространственных положениях.

Таким образом, наложение импульсов тока на основную дугу значительно расширяет диапазон рабочих токов. Появляется возможность также использовать проволоки 01,6 и 2,0 мм для сварки тонкого металла во всех пространственных положениях вместо применяемых проволок 01,0. 1,2 мм. Благодаря этому представляется возможным упростить и облегчить сварочную аппаратуру для полуавтоматической сварки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.

Исследования показали, что импульсное изменение мгновенной мощности дугового разряда позволяет управлять скоростью плавления электрода. Соответствующим подбором тока основной дуги и импульсов можно повысить скорость плавления электродной проволоки до 30 %.

От соотношения тока основной дуги и импульсов зависит различный характер образования и отрыва капель с электрода. Так, перенос капли с электрода может происходить при каждом импульсе тока и не при каждом, например, через один импульс. При мощных импульсах тока большой длительности возможно образование и отрыв от электрода нескольких капель на протяжении одного импульса.

Изучение переноса металла при помощи скоростной киносъемки показало, что при наложении импульса тока происходит резкое увеличение электродинамических сил, которые формируют жидкий металл на электроде в виде капли с быстро сужающейся шейкой (рис. 2) и сбрасывают ее строго в направлении сварочной ванны при любом пространственном расположении шва.

Это явление наблюдалось как при мелкокапельном переносе типа струйного, так и при крупнокапельном переносе металла во всем диапазоне рабочих токов. Принудительный направленный перенос значительно уменьшает разбрызгивание и упрощает технику выполнения полуавтоматической сварки в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях.

Из различных видов возможного переноса электродного металла при импульсно-дуговой сварке наиболее поддается управлению процесс, при котором каждый импульс тока приводит к отрыву только одной капли. В этом случае, регулируя параметры импульсов тока и частоту их следования, можно задавать определенный размер капель электродного металла и время пребывания их в дуге. Последнее обстоятельство позволяет достаточно точно задавать ход металлургических реакций при сварке и получать требуемый состав и свойства шва. В качестве примера в таблице приведен химический состав двух швов, выполненных импульсно-дуговой сваркой на одном и том же токе, но с различной частотой следования импульсов. Сварка производилась постоянным током обратной полярности без защиты дуги.

Доля основного металла в обоих швах и их размеры были практически одинаковы. Размеры капель и время пребывания их в дуговом промежутке определены путем обработки кадров скоростной киносъемки.

Импульсное изменение тока оказывает большое воздействие на ванну жидкого металла и формирование шва. Подбором параметров импульсов тока и частоты их следования представляется возможным изменять форму и размеры шва. На рис. 3 приведена форма поперечного сечения наплавок на сталь Ст.З, выполненных импульсно-дуговой сваркой при различных соотношениях тока импульсов и основной дуги и неизменной средней погонной энергии процесса.

Наложение импульсов тока вызывает пульсацию давления дуги, которая улучшает формирование шва. Валик шва становится мелкочешуйчатым с плавным переходом к основному металлу. При сварке угловых соединений легко удается получить нормальное и ослабленное сечение шва без подрезов. Пульсация давления дуги способствует также поддержанию жидкой металлической ванночки и предотвращает ее отекание при сварке вертикальных, горизонтальных и потолочных швов. Благодаря этому можно увеличить сечение шва, выполняемого за один проход во всех пространственных положениях.

Повышение стабильности процесса, увеличение глубины провара и пульсирующее давление дуги значительно облегчают технику полуавтоматической сварки вертикальных, горизонтальных и потолочных швов и обеспечивают возможность ведения процесса с более высокими скоростями чем обычно. На рис. 4 приведены макрошлифы поперечного сечения угловых швов, выполненных обычной дуговой и импульсно-дуговой сваркой в вертикальном положении сверху вниз. Как видно из рисунка, несмотря на увеличение скорости сварки, глубина провара при импульсно-дуговой сварке намного больше чем при обычной.

Разработанный способ импульсно-дуговой сварки открывает широкие возможности для автоматического регулирования переноса электродного металла при выполнении шва. Регулирование момента образования капли, ее размеров и переноса может осуществляться по наперед заданной жесткой программе и по программе с автокоррекцией. В качестве параметра обратной связи в последнем случае могут быть использованы изменения электрических величин (напряжения, тока либо мощности дуги), характеризующие определенные закономерности при плавлении электрода (короткие замыкания дуги, момент отрыва капли и др.), а также изменения толщины деталей, размеров разделки и др. Применение автокоррекции позволяет полностью автоматизировать дуговую сварку различных изделий во всех пространственных положениях с высокой производительностью и заданными наперед геометрическими размерами и свойствами шва.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что способ импульсно-дуговой сварки обладает значительными преимуществами перед известными и в ближайшем будущем найдет широкое применение в промышленности. Наиболее перспективными областями внедрения импульсно-дуговой сварки являются полуавтоматическая сварка изделий из алюминиевых сплавов и сталей средних толщин, имеющих швы, расположенные во всех пространственных положениях, сварка металлов средних толщин на повышенных скоростях и материалов с большой теплопроводностью, а также сварка в защитных газах и средах с высокими потенциалами ионизации.

1. Разработан новый способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом, отличающийся наложением на дугу постоянного тока кратковременных мощных импульсов тока.

2. Программное регулирование импульсов тока позволяет управлять плавлением проволоки, переносом электродного металла, химическим составом, формой и размерами сварных швов во всех пространственных положениях.

3. По сравнению с другими способами при импульсно-дуговой сварке благодаря повышению устойчивости горения дуги значительно расширяется диапазон рабочих токов, повышается производительность и упрощается техника выполнения вертикальных, горизонтальных и потолочных швов.

4. Применение программного управления с автокоррекцией позволяет полностью автоматизировать процесс выполнения сложных швов импульсно-дуговой сваркой во всех пространственных положениях.

Источник