СПОСОБ ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ
METHOD OF PULSE ARC WELDING

Изобретение относится к электродуговой сварке металлов и сплавов плавящимся электродом в аргоне и смеси аргона не менее 80% остальное углекислый газ и может быть использован в авиации, в судостроении, в химическом машиностроении и других отраслях машиностроения.
Известен способ импульсно-дуговой сварки цветных металлов и нержавеющих сталей и сплавов плавящимся электродом в защитной среде аргона, заключающийся в наложении на базовый ток дуги кратковременных импульсов тока длительностью 1,5-3,0 мсек от специального генератора импульсов, подключенного параллельно сварочному источнику питания с целью получения управляемого переноса металла - импульс тока одна капля [Дюргеров Н.Г. Оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. /Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров, В.А. Ленивкин, М.: Энергоатомиздат, 1985. - 80 с.].
Недостатком способа является относительно узкий диапазон регулирования параметров импульсов тока, обеспечивающих стабильный процесс сварки за счет перераспределения тока во время цикла.
Наиболее близким по выполнению, технической сущности и достигаемому результату является способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом [Авторское свидетельство №440863, В23К 9/16, 1974 г.], заключающий в том, что на непрерывно горящую дугу на базовом токе налагают импульсы тока той же полярности длительностью 4-10 мсек с частотой их следования 50 или 100 имп/сек, со скоростью нарастания тока импульса 250-500 кА/сек, с целью получения процесса с управляемым переносом металла, в котором при действии импульса тока переносится несколько капель электродного металла.
б
б
Недостатком способа является то, что струйно прерывистый перенос электродного металла возможен в относительно узком диапазоне регулирования параметров импульсов тока, обеспечивающих непрерывное горение дуги и стабильный процесс сварки. Процесс импульсно-дуговой сварки осуществляют от двух параллельно включенных на дугу источников питания: основного - сварочного источника питания с жесткой вольтамперной характеристикой источника питания (ВАХ ИП) и дополнительного - специального генератора импульсов, который оказывает влияние на работу основного источника питания. Увеличение тока импульсов их длительности и частоты следования приводит к уменьшению величины базового тока I за счет принципа саморегулирования процесса сварки. Это особенно проявляется во время прекращения действия импульса тока, когда за счет переходного процесса в цепи питания сварочной дуги I снижается до величины меньше минимально допустимого тока горения дуги. Это приводит к перерыву в горении дуги, нарушению равномерности формирования свариваемого шва. Частота следования импульсов устанавливается ступенчато, что снижает гибкость управления процессом сварки.
Техническим результатом изобретения является улучшение формирования шва и расширение диапазонов режима сварки с мелкокапельным управляемым переносом электродного металла от управляемого источника питания с инверторным преобразователем.
б
п
кр,
кр
и
э1
п
э2
п
э2
Технический результат достигается тем, что способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом характеризуется тем, что процесс проводят в аргоне или смеси аргона не менее 80% с углекислым газом, устанавливают базовый ток дуги I, соответствующий крупнокапельному переносу металла с электрода в сварочную ванну, а затем ток дуги повышают до пикового тока с амплитудой импульсов I=(1,5-2,0)I где I - критический ток и поддерживают ток импульса в течение времени, обеспечивающего струйный перенос металла, по формуле , где t - длительность импульса,  - увеличение длины дуги за время действия импульса тока, Δυ - увеличение скорости плавления электрода при переходе с базового тока на ток импульса, затем понижают ток импульса до базового тока, выдерживают его в течение времени , где t - длительность паузы, обеспечивающей сокращение длины дуги до длины дуги, соответствующей базовому току,  - сокращение длины дуги за время паузы, Δν=υ-υ - уменьшение скорости плавления электрода при переходе на сварку базовым током в паузе, при которой производят сокращение длины дугового промежутка до длины, соответствующей длине дуги крупнокапельного переноса, и процесс повторяют.
э1
ст
сн -
д
п
б
Значение Δυ может быть определено по формуле , где k, k коэффициент саморегулирования по току и по напряжению соответственно, k - градиент потенциала столба дуги, I и I- ток импульса и базы соответственно.
б
Базовый ток дуги I может быть установлен управляемым источником питания с инверторным преобразователем, преимущественно с комбинированной вольтамперной характеристикой со штыковым участком в диапазоне рабочих токов.
Переход от базового тока к пиковому току и обратно преимущественно осуществляют дискретно, например, переключением штыкового участка вольтамперной характеристики источника питания.
Процесс повторяют преимущественно с плавным изменением частоты от 10 до 110 имп/с.
1
1
Принцип осуществления предлагаемого способа сварки импульсами прямоугольной формы при дискретном переключении штыкового участка вольтамперной характеристики источника питания показан на фиг. 1, где 1 - вольтамперная характеристика источника питания, обеспечивающая сварку на докритическом токе, 1 - вольтамперная характеристика источника питания, обеспечивающая сварку на закритическом токе; 2 - характеристика саморегулирования дуги; 3 и 3 - статические вольтамперные характеристики дуги до и после действия импульса тока соответственно.
б
кр
да
п
э
Режим сварки, соответствующий процессу с крупнокапельным переносом металла I<I, определяется пересечением ВАХ ИП (кривая 1) с кривой саморегулирования сварки (2) точка (а), при этом величина падения напряжения на дуге U должна обеспечивать ее длину не более 1,5-2,5 мм. В этой точке независимая скорость подачи электрода (ν) равна скорости ее плавления (ν), которая определяется по формуле (1)
дт
где k - крутизна естественной статической характеристики дуги.
При этом длина дугового промежутка  остается постоянной и через точку (а) проходит вольтамперная характеристика дуги (ВАХ Д) кривая 3.
1
п
да1
1
1
эа1
При дискретном переключении ВАХ ИП из положения 1, обеспечивающая крупнокапельный перенос металла точка а, в положение 1, обеспечивающая струйный перенос металла, ток и напряжение дуги (I, U) в этом случае определяются точкой a пересечением ВАХ Д (кривая 3) и ВАХ ИП 1 при неизменной длине дуги  а скорость плавления электрода в ней (ν) определяется уравнением 2
п
эа1
п
п
э
Так как ν остается неизменной (кривая саморегулирования дуги 2), то νпри I больше ν на величину Δν
1
1
1
п
1
Длина дуги при этом начнет увеличиваться, вылет электрода уменьшаться и ВАХ Д 3 эквидистантно смещается вверх из точки а в точку (б), получаемой пересечением характеристик ВАХ Д с ВАХ ИП 1. Длина дуги  выбирается из условия обеспечения СПМ при постоянном токе импульса I и займет положение 3.
п
и
1
1
а
Исходя из допустимой длины дуги, обеспечивающей СПМ при I, длительность импульса тока t определяется временем горения дуги между точками  и б
п
д
где , ,  - скорость плавления электрода при I, , k - градиент потенциала столба дуги.
Из уравнения 7 следует, что чем больше  и меньше разность между величинами тока в импульсе и паузе, тем больше длительность импульса, во время которого происходит интенсивное плавление электродной проволоки и струйный перенос металла.
1
1
п
а
При переключении ВАХ ИП из положения 1 точка б в положение 1 точка б начинается пауза t, длительность которой определяется временем горения дуги между точками б и .
где , .
эи
эп
Так как приращение скорости плавления электродной проволоки при действии импульса тока Δν равно по абсолютной величине скорости плавления при Δν, то длительность импульса равна длительности паузы.
-3
п
кр
п
Минимальная длительность импульса, обеспечивающая ПСПМ, составляет (4,5…5,0)·10 с при I=(1,5…2,0)I. В этом случае частота следования импульсов максимальна - 110…100 имп/с. Наибольшая длительность импульса определяется из условия обеспечения СПМ при постоянной величине I и максимально допустимой . Частота следования импульсов выбирается из условия обеспечения равномерности формирования ширины шва по его длине и не должна превышать 10 имп/с.
Ниже приведен пример осуществления изобретения.
Пример
Для сварки взяты: пластины из низкоуглеродистой конструкционной стали Ст20, толщиной 6 мм, сварочная проволока Св-08Г2С диаметром 1,2 мм.
2
б
Способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом вели в смеси 80% Ar+20% CO. Предварительно устанавливали режим сварки, соответствующий области режимов с крупнокапельным переносом металла с электрода в сварочную ванну [Ленивкин В.А. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах / В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров. - 2-е изд. доп. - М.: 368 с.], базовый ток дуги I, равный 160 А, и падение напряжения на дуге 23.4 В. В этом случае: внешняя составляющая длина дуги составляет 2,5 мм, дуга пространственно устойчивая, жидкий металл на конце электрода имеет сферическую форму, активное пятно дуги располагается под каплей, перенос металла крупнокапельный 6-10 капель/с.
п
кр
кр
и
эи
Затем ток дуги повышали до пикового тока с амплитудой импульсов I, равного 375А, что составляло 1,87 I- (I - критический ток для проволоки Св-08Г2С диаметром 1,2 мм в смеси защитных газов равен 190-210А [Ленивкин В.А. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах / В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров, Х.Н. Сагиров. - 2-е изд. доп. - М.: 368 с.], и поддерживали в течение времени t, равного 30 мсек, рассчитанного по формуле , где  - увеличение длины дуги за время действия импульса тока - 2,0 мм, Δυ - увеличение скорости плавления электрода при переходе с базового тока на ток импульса - 6,6 мм/с, рассчитанной по формуле (3).
Во время действия импульса дуга охватывает боковую поверхность электрода и жидкий металл, находящийся на конце электродной проволоки, вытягивается под действием электромагнитных сил в конус (струйку). С вершины конуса отделяются мелкие капли диаметром до 0,4 мм с частотой 400÷200 капель в секунду. Длина дуги увеличивается до 4,5 мм, падение напряжения на дуге повышается до 25,8 В.
п
зп
п
э2
Затем ток импульса дискретно понижали до базового тока 160 А и выдерживали его в течение времени , где t - длительность паузы, равная 30 мсек, которая обеспечивала сокращение длины дуги  до 2,5 мм, соответствующей базовому току, Δυ=υ-υ - уменьшение скорости плавления электрода при переходе на сварку базовым током во время паузы. Перенос металла с электрода в сварочную ванну во время паузы отсутствовал.
п
ц
и
п
ц
При уменьшении  до нуля ток дуги вновь повышали до I, равного 375 А, и процесс повторялся. Время цикла t=t+t составляет 60 мсек, частота следования импульсов f=1/t-16,6 имп/с.
б
п
На фиг. 2а и б приведен участок осциллограммы изменения напряжения и тока во время импульса и паузы во времени, из которого следует, что ток I и I во времени остаются неизменными.
Полученный шов сформирован равномерно по ширине и высоте выпуклости шва.
Таким образом, использование заявляемого способа импульсно-дуговой сварки позволяет обеспечить улучшение формирования шва и расширить диапазон режима сварки с прерывисто струйным переносом электродного металла от управляемых источников питания с инверторным преобразователем с комбинированными вольтамперными характеристиками с штыковым участком в диапазоне рабочих токов.