Закономерности воздействия скорости сварки на движение дуги и формирование сварных швов

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15

УДК 621.791.753.042

Щетинин C.B.1

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ СКОРОСТИ СВАРКИ НА ДВИЖЕНИЕ ДУГИ И ФОРМИРОВАНИЕ СВАРНЫХ ШВОВ

Установлены закономерности воздействия скорости сварки и электромагнитного поля сварочного тока на движение дуги и формирование швов. Разработан способ сварки составным электродом с повышенной скоростью, обеспечивающий увеличение скорости сварки и качественное формирование швов без подрезов.

Одним из эффективных способов повышения производительности процесса является увеличение скорости сварки, которое ограничено нарушением формирования швов вследствие образования подрезов[1].

Механизм образования подрезов полностью не установлен. Н.Н.Рыкалин [2] объясняет образование подрезов перегревом жидкого металла сварочной ванны. X. Вильянс и Б.Адамс [3] считают причиной образования подрезов увеличение скорости охлаждения жидкого металла. К.Андо [4] и К. Ишидзаки [5] связывает образование подрезов с увеличением поверхностного натяжения в момент затвердевания жидкого металла. И.М.Ковалев [6] и Г.М.Тиходеев [7] объясняют образование подрезов отклонением дуги в хвостовую часть сварочной ванны.

Большой вклад в развитие процесса сварки с повышенной скоростью внесли Б.Е.Патон и С.Л.Мандельберг [1,8], которые разработали способ двухдуговой сварки с дополнительным электромагнитным взаимодействием дуг за счет сдвига фаз сварочных токов и фазировки электродов, что приводит к цикличным перемещениям дуг, улучшающим формирование швов.

Б.Е.Патон и С.Л.Мандельберг [1] считают, что образование подрезов при повышении скорости сварки обусловлено нарушением динамического равновесия жидкого металла в ванне, когда давление дуги становится больше давления жидкого металла. Увеличением давления дуги объясняют образование подрезов Г.Г.Чернышов [9] и А.А.Ерохин [10], работы которых имеют большое значение в установлении механизма образования подрезов. Так, в работе [11] показано, что образование подрезов связано с исчезновением боковых потоков металла. Это экспериментально подтверждено С.В.Гулаковым и Б.И.Носовским [12], которые установили, что отсутствие поперечной конвекции жидкого металла приводит к образованию подрезов.

По-нашему мнению наиболее вероятна электромагнитная природа образования подрезов, поэтому эффективным является предотвращение образования подрезов за счет электромагнитных сил. Однако данных о возможности регулирования формирования швов при повышении скорости сварки за счет собственного электромагнитного поля недостаточно [8].

Разработка новых способов сварки, обеспечивающих повышение скорости и улучшение качества формирования сварных швов, является важной народно-хозяйственной проблемой.

Задачей исследований является изучение механизма образования подрезов, способов регулирования и использования электромагнитного поля сварочного тока для обеспечения качественного формирования швов при сварке с повышенной скоростью.

При повышении скорости сварки усиливается теплоотвод и охлаждение активных пятен и столба дуги, размеры которых уменьшаются. В результате тепловложение в основной металл концентрируется, и уменьшается количество теплоты, выделенное в области боковых кромок ванны. Это приводит к изменению электрического сопротивления, растекания тока в области активного пятна, электромагнитного поля сварочного тока и нарушению формирования швов.

На основании этих теоретических предпосылок для улучшения формирования швов при повышении скорости за счет регулирования электромагнитного поля разработан способ

1 ПГТУ, канд. техн. наук

сварки составным электродом, состоящим из двух проволок и охватывающей их И-образиой ленты, прямолинейные участки которой располагаются впереди проволок по направлению сварки (рис. 1).

При сварке активное пятно движется по торцу составного электрода в продольном и поперечном направлениях, что установлено с помощью скоростной киносъемки дуги и жидкого металла, которую производили в реальных условиях процесса сварки со

1 - проволочные электроды диаметром 4-10"3 м; киносъемочной

2 - ленточный электрод сечением (0,5x45)-10"3 м; аппаратуры

3 -сварной шов

скоростью 1500 кадров в секунду. Согласование мгновенных изображений дуги с соответствующими электрическими параметрами осуществлялось последовательным включением записывающего устройства с неоновой лампой отметчика времени камеры. Запись параметров режима производилась с помощью компьютера. Одновременное возбуждение дуги и включение записывающего устройства позволяет синхронизировать процесс, установить изменение магнитогидродинамических явлений при движении дуги и образовании подрезов, определить режим сварки в момент съемки, и с достаточной точностью совместить кинокадры со снимаемым участком сварного шва.

Источником контрсвета служил дуговой фонарь (1) с величиной тока 60 А. Этот контрсвет проектировался через конденсор (2). Центры источника контрсвета, конденсора, межэлектродного зазора и объектива кинокамеры (3) устанавливали на одной прямой (рис.2). Сварочная головка была неподвижной, а пластина перемещалась на тележке (4). Для съемки применяли комбинированный набор нейтрального серого, красного и желтого светофильтров.

Киносъемку производили при наплавке составным электродом на обратной полярности на режиме: величина тока 2300-2400 А, напряжение на дуге 23-24 В, скорость наплавки (2,8-3,9)-10"2 м/с. Пределы скорости наплавки обеспечивают переход от качественного формирования швов к образованию подрезов. Наплавку производили в аргоне, так как при наплавке в среде углекислого газа из-за выделения дыма и газов видимость процесса недостаточна. Для защиты дуги и жидкого металла использовалось удлиненное медное сопло, выполненное по форме сварочной ванны. При сварке токоподвод осуществлялся с помощью медного зажима непосредственно к пластине, которая была изолирована от тележки текстолитовыми подкладками. Данные исследований являются средними из статистической обработки не менее 3000 кадров, что соответствует (5-7)-10"2м сварного шва.

Как установлено при киносъемке процесса сварки составным электродом, дуга при горении в области проволочных электродов оплавляет прилегающие участки ленты. Активное пятно не существует одновременно на всей развитой поверхности составного электрода (рис.3). В зависимости от направления электромагнитного поля активное пятно периодически движется на кромки ленты или возбуждается на них при замыкании дугового промежутка. Под действием электромагнитной силы дуга, как гибкий проводник с током, при сварке на токоподвод, когда ток, в основном, течет впереди, движется назад в область проволочных электродов, при сварке от токоподвода, когда ток, в основном, течет позади,- на кромки ленты.

Определяющая роль электромагнитного поля в движении активного пятна по торцу электрода подтверждается зависимостью скорости движения дуги от скорости сварки и направления поля. Скорость движения активного пятна определяли по среднему интервалу времени двух последующих возбуждений активного пятна на кромках ленты, длина которой 45-10° м. Как установлено по кинограммам с интервалом времени между кадрами 6-10"4 с,

скорость движения активного пятна с увеличением скорости сварки возрастает, вследствие уменьшения индукции электромагнитного поля позади дуги и движения дуги в

«I*

т

у

У

в

4) £

Оч 1) с

£ о о

Оч

о м

и

4,6

4,0

2,8

2,2

1,6

1,0

—•

1

• 1 /

/

2,6

2,85

3,1

3,35

3,6

3,85

Рис.З-Кинограмма движения дуги по торцу составного электрода, интервал между кадрами 6 -10"4 с, направление сварки слева направо

Скорость сварки, 10 м/с

Рис.4 - Зависимость скорости перемещения дуги от скорости сварки:

1 - сварка от токоподвода;

2 - сварка на токоподвод

сторону меньшей напряженности поля. При сварке от токоподвода вследствие направленной вперед электромагнитной силы скорость движения активного пятна, значительно ниже, чем при сварке на токоподвод (рис.4). При повышении скорости сварки на токоподвод направленная назад электромагнитная сила возрастает, что приводит к увеличению скорости движения дуги в квадратичной зависимости:

Уд = 3460,2 Уев2.

При сварке от токоподвода электромагнитная сила, отбрасывающая дугу назад, и скорость движения дуги меньше, чем при сварке на токоподвод:

Уд = 135 Уев1'2-

Реальные скорости движения активного пятна по торцу электрода значительно выше полученных значений, так как на кинограмме видна площадь, по которой перемещается дуга. Зависимость скорости движения дуги от направления поля подтверждает электромагнитную природу движения активного пятна по торцу электрода. Несмотря на различные условия существования дуги в аргоне и под флюсом, установлено, что активное пятно под флюсом движется по торцу электрода и дуга отклоняется назад [7]. Поэтому закономерности воздействия скорости сварки на движение дуги характерны и для процесса под флюсом.

Из анализа кинограмм и установленных закономерностей следует, что наиболее вероятна электромагнитная природа образования подрезов, согласно которой при повышении скорости сварки усиливается охлаждение активных пятен, концентрируется и уменьшается тепловложение в боковые кромки ванны, электрическое сопротивление которых уменьшается. В результате возрастает величина тока, индукция и электромагнитное давление, под действием которого жидкий металл стекает с кромок ванны, что приводит к образованию подрезов.

При сварке составным электродом вследствие движения дуги в продольном и поперечном направлениях увеличивается тепловложение в боковые кромки сварочной ванны,

электрическое сопротивление которых возрастает. В результате уменьшается величина тока, протекающего через боковые кромки, электромагнитная индукция и направленная вниз электромагнитная сила, что предотвращает стекание жидкого металла с боковых кромок ванны и обеспечивает качественное формирование швов без подрезов.

Дальнейшие исследования в данном направлении являются перспективными, так как позволяют разработать новые способы сварки и наплавки с повышенной скоростью.

Выводы

1. Установлена закономерность воздействия скорости сварки и электромагнитного поля сварочного тока на движение активного пятна по торцу электрода. С увеличением скорости сварки вследствие уменьшения индукции электромагнитного поля позади дуги и движения в сторону меньшего поля скорость движения дуги по торцу электрода возрастает.

2. При сварке на токоподвод, когда образуются подрезы, под действием направленной назад электромагнитной силы скорость движения дуги значительно выше, чем при сварке от токоподвода, когда обеспечивается качественное формирование швов без подрезов.

3. На основании киносъемки процесса установлена электромагнитная природа движения дуги и образования подрезов при сварке с повышенной скоростью.

4. Разработан способ сварки составным электродом, при котором за счет регулирования электромагнитного поля сварочного тока вследствие движения дуги в продольном и поперечном направлениях обеспечивается повышение скорости и производительности процесса, отсутствие подрезов и качественное формирование швов.

Перечень ссылок

1. Патон Б. Е. Некоторые особенности формирования швов при сварке с повышенной скоростью / Б.Е. Патон, С. Л. Манделъберг, В. Г. Сидоренко II Автоматическая сварка. -1971.-№8.-С. 1-6.

2. Рыкалин H.H. Расчет тепловых процессов при сварке /H.H. Рыкалин. - М.: Машгиз, 1951 . - 296 с.

3. Wealleans J.W. Undercutting and weld bead turbulence in TIG-welding / J. W. Wealleans, P.Adams //Welding and metal Fabrication. - June. - 1969. -P.225 - 257.

4. Ando К. Studies on and cathode energy of Tig. Arc / K.Ando.,J. Nishikawa II International Institute of Welding. Doc., 212-158-67, 1968.

5. Ishizaki К. Теория поверхностного натяжения при дуговой сварке. Проплавляющее действие дуги IK .Ishizaki, Y. Kalibe II Есецу гаккайси. J. Japan Weld Soc. - 1966. - 35, № 2. - P. 89-98.Bradstreet B.J. Effect of surface tension and metal flow on weld bead formation // Weld. J. - 1968. - 47, № 3. - P. 314-322.

6. Ковалев И.M. Пространственная устойчивость движущейся дуги с неплавящимся катодом 1И.М. Ковалев.II Сварочное производство. - 1972. - №8. - С. 1-3.

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

8. Манделъберг С.Л. Магнитное взаимодействие дуг при двухдуговой трехфазной сварке 1С.Л. Манделъберг. II Автоматическая сварка. - 1966. - № 4. - С. 30-36.

9. Чернышов Г.Г. Влияние теплового потока и давления дуги на предельную скорость сварки /Г.Г. Чернышов.,В.Л. Ковтун .// Сварочное производство. - 1985. - №2. - С. 14-15.

10. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением /А.А.Ерохин.- М.: Машиностроение, 1973,- 448 с.

11. Чернышов Г.Г. Влияние потоков металла в сварочной ванне на образование дефектов формы шва при сварке под флюсом 1Г.Г. Чернышов, И. С. Маркушевич, М.Ф. Николаенко. II Сварочное производство. - 1987.-№10,- С.41-42.

12. Гулаков C.B. Влияние переноса тепла потоком жидкого металла на форму сварочной ванны / C.B. Гулаков, Б.И. Носовский II Сварочное производство. - 1982. - №10. - С.2-3.

13. A.C. 1407719 СССР, МКИ В 23 К 9/00 Способ дуговой сварки IB.B Чигарев, С.В.Щетинин

Статья поступила 10.03.2005