СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/167 

Изобретение относится к сварке неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки в зону дугового разряда, и может быть использовано при изготовлении сварных конструкций в различных отраслях народного хозяйства (авиастроении, судостроении, химическом машиностроении и др.).

Известен способ дуговой сварки неплавящимся электродом, при котором присадочную проволоку и неплавящийся электрод присоединяют к одному полюсу источника питания, а подогрев присадочной проволоки осуществляют на участке ее вылета, сопротивление которого больше сопротивления дуги между электродом и изделием в 3-20 раз [1]
Недостатки известного способа заключаются в том, что в результате отклонения скорости подачи проволоки по независящим от оператора причинам например, в сторону увеличения может вызвать непровар, протыкание сварочной ванны, обгорание отдельных участков проволоки и попадание их нерасплавленными в шов. Уменьшение скорости подачи до величины ниже скорости ее плавления в зоне дуги может привести к образованию крупных капель на конце проволоки, которые открываясь падают в ванну произвольно приводят к ухудшению фоpмиpования сварного шва и, кроме того, крупные капли могут попасть на неплавящийся электрод и перемкнуть дуговой промежуток.

Некоторое повышение качества шва можно ожидать и в случае сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа по известному способу, при котором используют неплавящийся электрод с непрерывной подачей к сварочному участку присадочной проволоки, обеспечивая погружение ее переднего конца в ванну жидкого металла и подвергая его микроколебаниям в ванне [2]
Действительно, вибрация конца присадочной проволоки, находящейся в сварочной ванне, несколько активизирует процесс ее плавления за счет создания более благоприятных условий теплопередачи между жидким металлом сварочной ванны и присадочным материалом. Это позволяет повысить коэффициент расплавления присадочного металла, что является положительным свойством процесса при сварке толстостенных соединений в разделку, и особенно при наплавочных работах. Однако данному способу присущие все недостатки способа [1] и кроме этого данный способ не обеспечивает возможности визуального контроля за процессом плавления присадочного материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ дуговой сварки, реализованный посредством устройства для дуговой сварки плавлением [5] при котором присадочную проволоку подают с погружением в сварочную ванну со скоростью, превышающей скорость ее плавления в дуговом промежутке. В известном способе глубину погружения переднего конца присадочной проволоки в сварочную ванну контролируют, поэтому возможность попадания нерасплавленных участков проволоки практически исключается. Также несколько стабилизируется процесс плавления присадочной проволоки за счет автоматического регулирования скорости ее подачи.

Этот способ может быть успешно применен только при наплавке или сварке с остающейся подкладкой, т.е. при наличии "сухого дна" сварочной ванны, в которое периодически упирается присадочная проволока. Это сужает область его применения. Например, с помощью данного способа практически невозможно осуществить качественную сварку соединений со сквозным проплавлением и в особенности сварку на весу из-за отсутствия возможности автоматического регулирования скорости подачи присадочной проволоки, когда ее торец не упирается в дно ванны с определенным усилием. Таким образом в указанных условиях невозможно реализовать положительные свойства данного способа.

Цель изобретения повышение качества сварки и расширение технологических возможностей.

Цель достигается тем, что в отличие от известного способа, заключающегося в подаче присадочной проволоки в направлении сварочной ванны со скоростью, превышающей скорость ее плавления в зоне дуги, в предлагаемом способе в момент соприкосновения переднего конца присадочной проволоки с поверхностью сварочной ванны скорость подачи присадочной проволоки замедляют до величины меньшей скорости ее плавления в зоне дуги, а после перехода расплавленного присадочного металла в сварочную ванну и образования зазора между концом присадочной проволоки и сварочной ванной подачу проволоки возобновляют с первоначальной скоростью.

На фиг. 1 показано начало процесса сварки; на фиг. 2 формирование капли расплавленного металла при скорости подачи проволоки больше скорости ее плавления в зоне дуги (V_пп>V_пл); на фиг. 3 капля расплавленного металла сфоpмиpовалась и приблизилась к поверхности ванны, но еще не коснулась ее (V_пп>V_пл); на фиг. 4 капля расплавленного металла соединилась с ванной (V_пп<V_пл); на фиг. 5 капля расплавленного металла перетекает в ванну с образованием перемычки между концом проволоки и поверхностью ванны (V_пп<V_пл); на фиг. 6 капля расплавленного металла перетекла в ванну, образовался зазор S и происходит формирование новой капли металла на переднем конце присадочной проволоки (включается подача проволоки со скоростью V_пп>V_пл).

Предлагаемый способ осуществляют с помощью сварочной горелки, имеющей неплавящий электрод 1 и присадочную проволоку 2. При этом возбуждают дугу 3 между электродом 1 и свариваемым изделием и формируют сварочную ванну 4, в которую подают присадочную проволоку 2 со скоростью, превышающей скорость ее плавления в зоне дуги 3. Обратную сторону сварного шва защищают аргоном (Аr). По мере прохождения проволоки 2 через зону дуги 3 на ее переднем конце формируется капля 5 расплавленного металла. В связи с тем, что скорость подачи проволоки 2 превышает скорость ее плавления, расплавленный металл в виде капли 5, проходя зону дуги 3, достигает поверхности сварочной ванны 4. В момент соприкосновения капли 5 с поверхностью ванны 4 скорость подачи присадочной проволоки 2 снижают до величины меньшей скорости ее плавления в зоне дуги (прекращают, реверсируют).

Тем самым исключается возможность погружения нерасплавленной присадочной проволоки 2 в жидкий металл сварочной ванны 4, а следовательно, протыкание ванны 4 или попадание нерасплавившихся отрезков присадочной проволоки 2 в сварной шов.

Затем капля 5 переходит в ванну 4 с образованием перемычки 6 из жидкого металла. На время перехода (перетекания) капли 5 в ванну 4 скорость подачи проволоки 2 снижают, а после перехода капли 5 в ванну 4 и образования зазора S между передним концом проволоки 2 и ванной 4 подачу проволоки 2 возобновляют с первоначальной скоростью (V_ппV_пл).

Таким образом, исключается рост капель крупного размера на переднем конце проволоки 2, замыкания ее на неплавящийся электрод 1 или выброс ее за пределы сварочной ванны 4. Контроль скорости подачи проволоки, момент соприкосновения капли жидкого металла с поверхностью ванны, образование зазора S и т.д. осуществляют автоматически известными методами, например, просвечиванием, изменением напряжения между основным и присадочным металлом, и т.д.

Автоматическое регулирование скорости подачи проволоки (вплоть до ее остановки, реверсирования) в момент соприкосновения капли присадочного металла с поверхностью сварочной ванны позволяет в широких диапазонах регулировать количество наплавляемого металла, т.е. существенно расширить технологические возможности предлагаемого способа в производстве сварочных (наплавочных) работ.

П р и м е р. В процессе отработки режимов в обычных условиях сварки неплавящимся электродом определена скорость подачи присадочной проволоки, при которой обеспечивался стабильный процесс ее плавления, равномерный перенос расплавленного металла в сварочную ванну.

Сваривали листы из сплава К15Н45М5В3ТЮБР (ЭИ718) толщиной 2,5 мм. В качестве присадки применяли проволоку Св.08Х20Н57М8В8ТР (ЭИ533) диаметром 1,2 мм. Источник питания ВСВУ-400. Расстояние между электродом 1 и присадочной проволокой 2 составляло 2 мм. Обратную сторону шва защищали аргоном. За оптимальную скорость Vпп подачи присадочной проволоки 2 принимали такую скорость, при которой расплавленный металл переносился в сварочную ванну 4 без образования зазора S, т.е. между передним концом присадочной проволоки 2 и поверхностью ванны 4 постоянно находилась жидкая перемычка 6 присадочного металла. Оптимальная скорость подачи присадочной проволоки 2, выбранная в нашем опыте V_оп=15 м/ч.

В опытах было показано, что отклонение скорости подачи присадочной проволоки от оптимальной V_оп на + 10% приводит к ухудшению формирования и снижению качества сварного шва.

Режимы сварки следующие:
I_g ток дуги 110 А;
V_g напряжение дуги 10 В;
L_g длина дуги 1,5 мм;
r расстояние между электродом и присадочной проволокой 2 мм;
V_св скорость сварки 10 м/ч.

Качество формирования сварного шва в зависимости от скорости подачи присадочного материала на указанных режимах согласно предложенному способу приведены в таблице.

Как видно из таблицы уменьшение скорости подачи присадочной проволоки ниже оптимальной (V_пп<V_о) в пределах 10% вызывает ухудшение формирования сварного шва, прожоги, подрезы и замыкание капель присадочного металла на электрод. Увеличение скорости подачи присадочной проволоки в опытах 4-7, приводит к увеличению частоты переноса расплавленного металла присадочной проволоки. При этом, чем выше скорость ее подачи, тем более мелкокапельным будет перенос присадочного металла в сварочную ванну, тем более качественным будет формирование поверхности сварного шва, а отсутствие крупных капель на переднем конце присадочной проволоки исключает возможность замыкания их на электрод. Неудовлетворительная оценка качества сварки в опыте 8 объясняется инерционностью механизма подачи проволоки. При скорости подачи присадочной проволоки, превышающей 100 м/ч и выше, применяемый механизм подачи в наших опытах не обеспечивает мгновенной остановки подачи проволоки в момент ее касания поверхности сварочной ванны. Поэтому наблюдаются протыкания (прожеги) сварного шва при сварке тонкостенных соединений на весу. Включения нерасплавленных участков проволоки с обратной стороны шва наблюдаются при сварке на медной формирующей подкладке. Тем не менее скорость подачи проволоки выше 100 м/ч не является ограничением при применении безинерционных механизмов подачи.

В процессе исследования технологических возможностей предлагаемого способа опробовано следующее:
прекращение подачи присадочной проволоки в момент касания ее поверхности сварочной ванны;
реверсирование ее, т.е. искусственное создание зазора S на величину 2-8 мм;
регулирование времени задержки подачи присадочной проволоки после образования зазора S.

Показано, что регулирование времени задержки, прекращение подачи и реверсирование присадочной проволоки в момент ее касания поверхности сварочной ванны позволяет в широком диапазоне регулировать количество наплавленного металла и качество фоpмиpования сварного шва.

Предлагаемый способ может быть осуществлен при сварке продольных и кольцевых швов всех видов сварных соединений на стандартном сварочном оборудовании для сварки неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки и применением сварочных головок, например, типа ГСВ-ЗУ-ЧПУ.

Наибольшая эффективность данного способа достигается при его реализации в составе робототехнических комплексов и станков с ЧПУ для сварки пространственных швов сложной конфигурации.

Использование предлагаемого способа дуговой сварки неплавящимся электродом по сравнению с прототипом позволяет повысить качество и расширить технологические возможности.

Использование: при изготовлении сварных конструкций в различных отраслях народного хозяйства (авиастроении, судостроении, химическом машиностроении и др. ). Сущность изобретения: возбуждают дугу между электродом и свариваемым изделием и формируют сварочную ванну, в которую подают присадочную проволоку со скоростью, превышающей скорость ее плавления в зоне дуги. По мере прохождения проволоки через зону дуги на ее переднем конце формируется капля расплавленного металла. В связи с тем, что скорость подачи проволоки превышает скорость ее плавления, расплавленный металл в виде капли, проходя зону дуги, достигает поверхности сварочной ванны. В момент соприкосновения капли с поверхностью ванны скорость подачи присадочной проволоки снижают до величины меньшей скорости ее плавления в зоне дуги. Затем капля переходит в ванну с образованием перемычки из жидкого металла. На время перехода (перетекания) капли в ванну скорость подачи проволоки снижают, а после перехода капли в ванну и образования зазора между передним концом проволоки и ванной подачу проволоки возобновляют с первоначальной скоростью. 6 ил., 1 табл.

СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ, при котором присадочную проволоку подают в сварочную ванну со скоростью, превышающий скорость ее плавления в зоне дуги, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки и расширения технологических возможностей, в момент соприкосновения конца проволоки с поверхностью сварочной ванны скорость подачи проволоки снижают до величины меньшей скорости ее плавления в зоне дуги, а после перехода расплавленного присадочного металла в сварочную ванну и образования зазора между концом присадочной проволоки и сварочной ванной подачу проволоки возобновляют с первоначальной скоростью.