СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 1995 года по МПК B23K9/173 

Изобретение относится к способам дуговой сварки плавящимся электродом с управлением энергией в течение времени короткого замыкания и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.

Известен способ дуговой сварки плавящимся электродом с к.з. дугового промежутка, при котором в момент образования шейки перемычки ток уменьшают до минимальной величины, а после ее разрыва увеличивают [1]
Недостатком данного способа является сложность фиксации момента образования шейки перемычки и, следовательно, своевременность снижения тока к моменту разрыва перемычки.

В работе И. С. Пинчук и др. Уменьшение разбрызгивания при сварке с короткими замыканиями путем ограничения энергии взрыва перемычки (Сварочное производство, 1976, N 11, с. 52-54) показана вероятность нормальных коммутаций и связанный с этим коэффициент разбрызгивания.

Известен способ и устройство для управляемого переноса электродного металла путем кратковременных импульсов газа [2]
Недостатком данного способа является необходимость создания дополнительных устройств и ограниченность применения, поскольку способ обладает минимальным коэффициентом передачи энергии 0,7˙10^-4 с.

Известен способ электродуговой сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка, при котором в момент начала короткого замыкания снижают ток до 2-30 А на промежуток времени в интервале 0,1-1 мс (0,1-1,0 ˙10^-3 с) [3]
Этот способ взят за прототип по данной заявке. При данных значениях тока и времени его протекания способ обладает ограниченным применением, поскольку время перехода капли (время к.з.) определяется массой капли и диаметром электрода и не для всех диаметров электрода и режима сварки приемлемы эти значения.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков за счет управления величиной энергии и времени ее действия в период короткого замыкания в зависимости от массы капли.

Для достижения поставленной цели в способе дуговой сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка, при котором в момент начала короткого замыкания снижают ток, перед коротким замыканием дугового промежутка определяют энергию, затрагиваемую на образование капли, ток снижают до нуля на время τ определяемое из условия τ КЕ_к, где К коэффициент, учитывающий параметры режима, Е_к энергия, затрачиваемая на образование капли, а на каплю воздействуют дополнительной энергией для ее отрыва. При этом дополнительно определяют зависимость дополнительной энергии от энергии, затрачиваемой на образование капли при различных параметрах режима, и величину дополнительной энергии выбирают в соответствии с полученной зависимостью. В качестве дополнительной энергии используют электрическую, механическую, электромагнитную энергию. При использовании в качестве дополнительной электрической энергии воздействуют ею на каплю по истечении времени снижения тока, а при использовании механической или электромагнитной энергии на каплю воздействуют в период короткого замыкания дугового промежутка.

Предлагаемый способ сварки благодаря совокупности существенных признаков позволяет выполнить сварку с короткими замыканиями с переносом каждой капли с существенным уменьшением разбрызгивания при оптимальном управлении энергетическими параметрами в течение времени перехода капли в ванну.

На фиг. 1 показана схема формоизменения капли при слиянии со сварочной ванной; на фиг.2 блок-схема управления дополнительной энергией и сварочным током в течение времени короткого замыкания; на фиг.3 и 4 циклограммы изменения сварочного тока и дополнительной энергии от внешнего источника в течение времени короткого замыкания.

Способ дуговой сварки плавящимся электродом осуществляют следующим образом.

Перед сваркой определяют коэффициент К, зависящий от диаметра d_э плавящегося электрода и рассчитываемый по эмпирически выведенной формуле
К (6 ˙10^-4-2,15 ˙10^-4 d_э)x (0,018 + 0,0053 d_э).

Затем расчетным путем оценивают и экспериментально корректируют для различных параметров режима (I_д ток дуги; U_д напряжение на дуге; t_д время горения дуги; d_э диаметр плавящегося электрода (марка свариваемого и электродного материала, состав защитного газа) зависимость дополнительной энергии ДЭ времени τ_дэ ее действия от энергии Е_к, затрачиваемой на образование капли. После предварительного определения указанных величин осуществляют процесс сварки.

В момент возбуждения дуги 1 между оставшейся на электроде 2 частью капли 3 и ванной 4 (см. фиг.1) блок 5 фиксирует энергию Е_к, затрачиваемую на образование капли 6. Сигналы I_д, U_д, t_д от дуги 1 поступают в блок 5, который и определяет энергию Е_к
Е_к I_д˙ U_д˙ t_д
В блок 5 введены значения k для различных диаметров d_э плавящегося электрода 2. В момент касания капли 6 поверхности ванны 4 блок 5 выдает сигналы: один о начале короткого замыкания, другой о величине времени τ При поступлении в блок управления 7 сигнала о начале короткого замыкания блок 7 выдает команду источнику 8 питания дуги 1 о снижении тока I_д до нуля на время τ и команду на включение исполнительного устройства 9 подачи дополнительной энергии ДЭ на каплю 6, в котором заложены предварительно определенные величины дополнительной энергии ДЭ, времени τ _дэ ее действия в зависимости от энергии Е_к, идущей на образование капли 6 и в который поступает действующее значение Е_к. Исполнительное устройство 9 в зависимости от действующего значения Е_к задает величину дополнительной энергии ДЭ, воздействующей на каплю 6 для ускорения времени ее переноса. По истечении времени τ блок 7 выдает команду источнику 8 питания дуги на увеличение тока (энергии) до уровня, исключающего разбрызгивание электродного материала при разрыве перемычки 10 и возбуждения дуги 1. Процесс повторяется.

В качестве дополнительной энергии ДЭ могут быть использованы внешние источники механические, электромагнитные (дополнительная энергия ДЭ_в) и "внутренние" источники электрическая энергия (дополнительная энергия ДЭ_I).

В случае использования внешней дополнительной энергии ДЭ_в последняя воздействует на каплю 6 в период короткого замыкания ( τ _к.з) (см. фиг.3), при электрической дополнительной энергии ДЭ_I последняя воздействует на каплю 6 по окончании времени τ отсутствия сварочного тока (см. фиг.4). Введение ДЭ_в оказывает положительное действие на процесс переноса капли с точки зрения уменьшения времени короткого замыкания и исключения причины разбрызгивания, из-за чего является желательной. В этом случае энергия сварочного тока после τ необходима главным образом для последующего возбуждения дуги. Сумма энергий при этом должна быть достаточной для переноса капель объемом ниже критического.

Способ дуговой сварки плавящимся электродом позволяет полностью автоматизировать процесс сварки, создав математическую модель процесса и используя компьютерную технику.

В качестве примера оценки изменения энергетических параметров воздействия на каплю в течение времени короткого замыкания каждой капли ниже приведены количественные зависимости τ ДЭ, τ_дэ для случая сварки стали 1Х18Н10Т проволокой Св-04Х19Н11МЗТ диаметром 2,0 мм в среде аргона. В этом случае τ 48˙10^-7 Е_к (с), где Е_к энергия образования капли, Дж. Критический объем капли, меньше которого капля переносится только при действии дополнительной энергии, определяется величиной энергии Е_к^кр. В данном примере Е_к^кр 460 Дж. При энергии Е_к меньше Е_к^кр необходимо ввести дополнительную энергию ДЭ (Дж) не меньше величины, определенной по формуле
(Дэ + 5,1·10^-6)²+ 86·10^-12 0,36 (5,8·10^-6)² в течение всего времени короткого замыкания.

Для уменьшения времени короткого замыкания величина дополнительной энергии (ДЭ_в), вводимой внешним источником, может составлять и большую величину. В случае же введения дополнительной энергии посредством сварочного тока (ДЭ_I) минимальное время действия ее необходимо выбирать по формулам в зависимости от объема капли (энергии, идущей на образование капли) и величины дополнительной энергии. При Е_к ≅ 165 Дж
τ_дэ=
Если Е_к находится в пределах 165 < Е_к < <390 Дж, а дополнительная энергия 1,15˙10^-6-0,00265˙10^-6 Е_к < ДЭ_I ≅ 5,2˙ 10^-6--0,012E_к˙10^-6, то ДЭ рассчитывается по следующей формуле
τ_дэ= (2,2·10^-9- 0,003·10^-9E_к·
Если же ДЭ_I > 5,2˙ 10^-6-0,012 Е_к˙ 10^-6, то τ_дэ 1,9˙ 10^-6 Е_к 0,1Е_к ДЭ_I.

Определены аналогичные зависимости и для случая Е_к > 390 Дж.

Расчет величины τ ДЭ, τ_дэ можно сделать для любого диаметра электрода, защитного газа, состава проволоки и основного материала. В таблице приведены значения τ, ДЭ, ДЭ_I, время ее действия τ_ДЭ для трех различных значений энергии, идущей на образование капли Е_к (объема капли).

Таким образом, предлагаемый способ дуговой сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка позволяет управлять процессом переноса капли с учетом действующих на нее возмущений, исключая (существенно уменьшая) разбрызгивание, а также обеспечивает повышение производительности процесса за счет уменьшения времени короткого замыкания при сохранении качества соединения.

Использование: для сварки плавящимся электродом с управлением энергией в течение времени короткого замыкания в любой отрасли народного хозяйства. Сущность изобретения: в момент начала короткого замыкания ток снижают до 0 в течение времени τ зависящего от энергии, затрачиваемой на образование капли, а на каплю воздействуют дополнительной энергией или дополнительной механической энергией, или дополнительной электромагнитной энергией. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ с короткими замыканиями дугового промежутка, при котором в момент начала короткого замыкания снижают ток, отличающийся тем, что перед коротким замыканием дугового промежутка определяют энергию, затрачиваемую на образование капли, ток снижают до нуля на время τ , определяемое из условия τ = kE_к, где k коэффициент, учитывающий параметры режима; E_к энергия, затрачиваемая на образование капли, а на каплю воздействуют дополнительной энергией для ее отрыва. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отрыв капли осуществляют дополнительной электрической энергией, которую подают после снижения тока до 0. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отрыв капли осуществляют дополнительной механической энергией, которую подают во время короткого замыкания. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отрыв капли осуществляют дополнительной электромагнитной энергией, которую подают во время короткого замыкания.