Регулирование энергетической характеристики сварочной дуги

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2009 р. Вип. № 19

УДК 621.791.753.042

Щетинин C.B.*

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Установлены закономерности и механизм регулирования энергетической характеристики сварочной дуги за счет формы электрода и флюсов. Разработан способ односторонней высокоскоростной сварки, обеспечивающий качественное формирование швов за счет регулирования энергетической характеристики дуги.

Наиболее эффективным энерго- и материалосберегающим процессом является односторонняя высокоскоростная сварка, применение которой ограничено трудностью обеспечения заданной высоты сварного шва и нарушением стабильности процесса. Для увеличения глубины проплавления повышают сварочный ток за счет роста скорости подачи электрода. При минимальном зазоре это приводит к формированию высокого сварного шва, что ограничено ГОСТом, повышению материалоемкости и энергоемкости процесса.

Одним из способов увеличения глубины проплавления при односторонней высокоскоростной сварке на обратной полярности является повышение катодного падения напряжения и регулирование энергетической характеристики дуги, которая наиболее полно представлена в работах [1 - 5]. Энергетическая характеристика дуги определяет расплавление электрода и основного металла, стабильность процесса и формирование швов. Однако энергетическая характеристика дуги, которую целесообразно регулировать за счет формы электрода, исследована недостаточно.

Разработка энерго- и материалосберегающих процессов односторонней высокоскоростной сварки является важной научно-технической проблемой.

Задачей данных исследований является изучение механизма регулирования энергетической характеристики дуги и разработка способа односторонней высокоскоростной сварки составным электродом, обеспечивающим качественное формирование швов.

Количество энергии в каждой области, определяющее расплавление электродов, зависит от условий существования дуги, величины сварочного тока I, катодного JJк и анодного иА

падений напряжения, градиента потенциала столба Е и длины дуги

Ч = IU к + IU А + IEL Д .

Для изучения влияния формы электрода на распределение потенциала в дуге построены статические характеристики зависимости напряжения от длины дуги 11д = Щд) при постоянном токе прямой полярности I = 280 - 300 А для ленты сечением (45 х 0,5)-10~3 м и проволоки диаметром 5-10"3 м по методике, близкой к методике Г.И. Лескова [2]. Переходные процессы в дуге протекают быстро < 10~4 с [6], поэтому ее атмосфера становится равновесной до расплавления и изменения расстояния между электродами. Для стабильности маломощных дуг использовали последовательно соединенные выпрямители, обеспечивающие Uxx= 150 В.

Построение статических характеристик производили путем измерения напряжения при заданном расстоянии между электродами (рис. 1), которое регулировали винтом 2, изменяя расстояние 5 до бурта 3. Перед измерением электрод 6 крепили в нижней части подвижного стержня 1 и закорачивали на пластину 7, расположенную на основании 8. При нажатии кнопки "пуск" включалась протяжка ленты осциллографа и с помощью реле времени РВ через время, достаточное для разгона двигателя протяжки ленты 3-10"3с, замыкалась сварочная цепь. При протекании сварочного тока срабатывал электромагнит 4, якорь которого освобождал от упора стержень 1 с электродом 6 на конце. Под действием пружины 5 электрод поднимался на заданную высоту 5. При этом возбуждалась дуга длиной 1д = 5, напряжение и ток которой осциллографировался шлейфами Шл1 и Шл2 со скоростью протяжки ленты 1 м/с.

ПГТУ. канд. техн. наук

Рис. 1 - Установка для измерения

энергетической характеристики сварочной дуги

а б

Рис. 2 - Кинограмма движения (а) и отклонения дуги (б) под действием магнитного поля сварочного тока: величина тока 280 - 300 А; лента (0,5 х 45>10"3м; интервал между кадрами 6- 10"4с

Через определенный промежуток времени срабатывало реле, размыкая сварочную цепь и останавливая протяжку осциллографичес-кой ленты. Время горения дуги 0,12 - 0,2 с. Для получения на ленте длины дуги в пределах для проволоки (1,5 -6)-10 м. ее поднимали на расстояние (0,25; 0,5; 1,0 и 1,25)-10° м от пластины.

Соответствие реальной длины дуги заданной установлено скоростной киносъемкой процесса возбуждения дуги и подъема ленты на расстояние 4-10" м (рис. 2) кинокамерой СКС-1М со скоростью 1500 кадров в секунду на негативную кинопленку типа А-2 чувствительностью 350 ед. Источником контрсчета служила лампа накаливания мощностью 500 Вт, контрсчет которой проектировался через конденсор. Центры источника контрсвета, конденсора, межэлектродного зазора и объектива кинокамеры устанавливали на одной линии. Для съемки применяли комбинированный набор нейтрального серого, красного и желтого светофильтров и объектив с фокусным расстоянием 0,135 м. Диафрагма составляла 22. Подъем электрода осуществлялся за (4 - 8)-10° с со скоростью Уп = 1 м/с. Высокая скорость подъема электрода, которая обеспечивалась мощной пружиной, приводила к резкому изменению магнитного поля сварочного тока и повышению индукции. Под действием электромагнитной силы /С^ = 1В1д, дуга

двигалась по торцу электрода в сторону меньшей напряженности, не оплавляя ленту 0,01 - 0,012 с, со скоростью Уд = 3,3 м/с, определенной по кинограммам процесса возбуждения дуги и подъема ленты.

При построении статических характеристик дуги в открытой атмосфере напряжение определяли по осциллограмме в момент установления заданной длины дуги. Как установлено (рис. 3), в открытой атмосфере градиент потенциала столба дуги, горящей на ленте выше, чем на проволоке, вследствие сжатия столба в результате охлаждения при движении дуги по торцу ленты. В то же время сумма приэлектродных падений напряжения 11к+а, определенная путем экстраполяции зависимости Уд = Д1д) до 1д = 0, для ленты и проволоки одинакова. Это свидетельствует, что условия охлаждения активных пятен не влияют на Цк+а из-за незначите-льной роли термоэмиссии.

Для определения энергетической характеристики закрытой дуги ее возбуждали под флюсами АН-348АМ, ОСЦ-45М и АН-65 (рис.3). При возбуждении дуги под флюсами на проволоке после подъема электрода на заданное расстояние напряжение вначале возрастает при неизменном расстоянии между электродами [2], а затем при образовании капли снижается. Поэтому максимальные значения напряжения на осциллограмме соответствуют заданной длине дуги. При возбуждении дуги на ленте, напряжение, равное падению в вылете ив при коротком замыкании, мгновенно возрастает в момент размыкания контакта до катодного 11к. При подъеме электрода напряжение растет на величин}' Ид = 2 - 3 В [7] и падения напряжения в столбе, а затем стабилизируется. Под флюсом оплавление ленты начинается через 0,012 с, дуга углубляется в ленту, ее длина возрастает, и напряжение повышается. При стекании капли по выплавленному своду дуга движется на участки ленты, расположенные ближе к основному металлу, напряжение падает и вновь возрастает при оплавлении электрода.

Статические характеристики 11д = Щд) дуги на ленте под флюсом строили по наибольшему расстоянию между электродами после обрыва дуги и максимальным значениям напряжений на осциллограмме Ид с исключением падения в вылете. При возбуждении на кромке ленты (рис.26) дуга отклоняется, и длина дуги увеличивается, поэтому 1д измеряли при оплавлении электрода посредине ленты, когда отклонения дуги минимальны.

При сварке под флюсом, как и открытой дугой, 11к+а не зависит от формы электрода и зависит от состава флюса (рис. 3), вследствие воздействия окислов на эмиссию катода [8]. Окислы АЬОз и 8Юз, снижающие эмиссию электронов с катода, повышают катодное падение, а ТКХ М§0 и СаО, усиливающие эмиссию, снижают ик. Действие СаБ2 обусловлено созданием мономолекулярным слоем электроотрицательного фтора на границе металла поля, повышающего работ}' выхода. Флюсы влияют на величину 11к+а и Е в зависимости от содержания 810;. АЬОз, СаР2, высокое содержание которых повышает сумму приэлектродных падений напряжения до ик+аАн-з48АМ = 22 - 23 В под флюсом АН-348АМ, ик+аАн-б5 = 23 - 24 В под флюсом АН-65 и и»+аосц-45м = 24 - 25 В под флюсом ОСЦ-45М. Аналогично воздействию на ик+д флюсы повышают градиент потенциала в столбе Едн-з^ам = 4,0-103 В/м, Едн-65 = 4.3- К)1 В/м, Е0сц-45м = 4.5-К)1 В/м. Повышение 11к под ОСЦ-45М необходимо использовать для увеличения глубины проплавления при односторонней высокоскоростной сварке.

Градиент потенциала столба дуги ¡,- = ^ под флюсом на проволоке выше, а на ленте

лК2у

ниже, чем в открытой атмосфере, вследствие увеличения радиуса столба Я [9] из-за снижения скорости движения и уменьшения охлаждения. Влияние флюсов на Е обусловлено действием на эмиссию катода. С увеличением работы выхода повышается Е и усиливается блуждание

Дшгаадуги, 10 м

Рис. 3 - Энергетическая характеристика сварочной дуги: 1,2- открытая дуга; 3, 4, 5, 6, 7, 8 - дуга под флюсом, 3,4- АН-348АМ, 5,6- АН-65, 7, 8 - ОСЦ-45М; 1, 3, 5, 7 - ленточный электрод (0,5 х 45)-103м, 2, 4, 6, 8 -проволочный электрод диаметром 5-10°м

катода [10]. Значение Е = (3,5 - 4,5)-10~3 В/м при сварке под флюсом показывает, что при 11д = 30 - 32 В и Uk+a = 22 - 24В длина дуги , _ U-UK+л короткая ^ = 30 -22 = 2 \о-ъ м-

д~ Е ' Д 4

При односторонней сварке дуга погружена и расплавляет металл за счет движения под действием магнитного поля. При односторонней высокоскоростной сварке усиленное охлаждение приводит к сокращению диаметра катода, Uk при этом изменяется незначительно, Е дуги вследствие уменьшения сечения столба возрастает, что снижает стабильность процесса.

На основании установленных закономерностей разработан способ односторонней высокоскоростной сварки составным электродом под флюсом ОСЦ-45М, обеспечивающий увеличение катодного падения напряжения, глубины проплавления и снижение высоты валика.

Установленные закономерности регулирования энергетической характеристики дуги и разработанный способ могут быть использованы при сварке газо- и нефтепроводных труб.

Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволят разработать новые энерго- и материалосберегающие процессы односторонней сварки.

Выводы

1. Установлены закономерности и механизм регулирования энергетической характеристики сварочной дуги за счет формы электрода и состава флюса путем воздействия на эмиссионную способность катода. Форма электрода не влияет на сумму приэлектродных падений напряжения и действует на градиент потенциала в столбе, который определяет стабильность.

2. На основании киносъемки установлен механизм и скорость движения дуги под действием электромагнитной силы. При сварке ленточным электродом под флюсом градиент потенциала столба дуги снижается по сравнению с проволочным вследствие уменьшения скорости движения и охлаждения дуги, поэтому применение ленты целесообразно для повышения стабильности односторонней высокоскоростной сварки.

3. Односторонняя высокоскоростная сварка составным электродом под флюсом ОСЦ-45М обеспечивает повышение катодного падения напряжения, увеличение глубины проплавления и снижение высоты шва, стабильность процесса и качественное формирование швов на флюсовой подушке, снижение материало- и энергоемкости процесса.

Перечень ссылок

1. Тиходеев Г.М. Энергетические свойства электрической сварочной дуги / Г.М. Тиходеев. -М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1961. - 254 с.

2. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дута. IГ.И.Лесков. - М.: Машиностроение, 1970. -334 с.

3. Акулов А.И. К вопросу о падении напряжения в приэлектродных областях сварочных дуг / А.И. Акулов II Автоматическая сварка. - 1964. - № 9. - С. 42 - 46.

4. Акулов А.И. Некоторые электрические параметры дуги в аргоне плавящимся электродом / А.И. Акулов II Автоматическая сварка. - 1966. - № 7. - С. 23 - 27.

5. Мазелъ А.Г. Технологические свойства электрической дуги / А.Г. Мазелъ. - М.: Машиностроение, 1969. - 178 с.

6. Сомервилл Дж. М. Электрическая дуга Щж. М. Сомервилл. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 119 с.

7. Фролов В.В. Теоретические основы сварки / В.В. Фролов, В.А. Винокуров, В.Н. Волченко. -М.: Высшая школа, 2002. - 591 с.

8. Фоменко A.C. Эмиссионные свойства элементов и химических соединений. Справочник / A.C. Фоменко. - К.: Изд-во АН УССР, 1965. - 485 с.

9. Энгелъ А. Физика и техника электрического разряда в газах. - Т. 2 I А. Энгелъ, М. Штеенбек. - М.: ОНТИ, НКТН, 1936. - 251 с.

10. Тиходеев Г.М. Явление блуждающей (неустойчивой) сварочной дуги / Г.М. Тиходеев. - М,-Л.: Изд-во АН СССР, 1936. - 42 с.

Рецензент: А.Д. Размышляев д-р техн. наук, проф., ПГТУ

Статья поступила 17.03.2009