СПОСОБ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ И ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/16 B23K9/18 B23K9/04 

Предлагаемое техническое решение относится к области дуговой и электрошлаковой сварки и наплавки модулированным током с периодически изменяемой скоростью подачи плавящегося электрода и с саморегулированием скорости его плавления. Преимущественное применение: предлагаемый способ сварки или наплавки может найти применение при изготовлении и ремонте тонкостенных металлических конструкций и деталей, а также при сварке и наплавке разнородных металлов и закаливающихся сталей.

Известны две разновидности модуляции параметров режима сварки: а - ритмическое изменение с заданной частотой и скважностью напряжения на клеммах источника питания и /или/ тока короткого замыкания, т.е. изменение вольт-амперной характеристики источника питания (1), или подача в межэлектродный промежуток таковых импульсов /2/; б ритмическое изменение скорости подачи электродной проволоки, т.е. пульсирующая или импульсная подача электродной проволоки / 3/.

Способы сварки с ритмическим изменением тока и напряжения на дуге или с введением в межэлектродный промежуток импульсов тока при постоянной скорости подачи электродной проволоки успешно решают ряд технологических задач: снижение разбрызгивания электродного металла, повышение устойчивости против пор и кристаллизационных трещин, однако они не позволяют существенно снизить сварочный ток, который при сварке по принципу саморегулирования дуги должен быть достаточно большой, чтобы плотность тока на электроде превышала 25.30 А/мм². Поэтому упомянутые способы непригодны для сварки металла малой толщины, разнородных металлов и т.д. где требуется малая глубина проплавления основного металла. В таких случаях обычно используют электродную проволоку малого диаметра.

Уменьшение критического значения тока, при котором возможно саморегулирование дуги, достигается при импульсной подаче электродной проволоки без модуляции электрических параметров на источнике питания. Основной эффект, достигаемый импульсной подачей проволоки, заключается в уменьшении разбрызгивания электродной проволоки. Как правило, глубина проплавления основного металла зависит от параметров импульсной подачи проволоки незначительно, особенно при сварке "длинной" дугой с отрывом капли от конца электрода под действием силы инерции. Более значительное уменьшение глубины проплавления наблюдается при сварке по способу с короткими замыканиями капель на металлическую ванну /4/.

После соприкосновения капли с поверхностью металлической ванны она "перетекает" в ванну и отрывается от конца проволоки благодаря пинч-эффекту, при котором между концом проволоки и каплей образуется, удлинняется и обрывается жидкометаллическая перемычка. Этот процесс перехода капли начинается в период импульса подачи электрода и заканчивается в период паузы. Недостаток указанного способа сварки, взятого за прототип, заключается в том, что он не обеспечивает существенного уменьшения глубины проплавления основного металла при сохранении большого количества наплавленного электродного металла.

Основной задачей изобретения является усовершенствование известного способа путем выбора параметров модуляции скорости подачи электрода, что обеспечивает существенное уменьшение глубины проплавления основного металла при сохранении большого количества наплавленного электродного металла и тем самым улучшает качество сварного соединения или наплавленной детали. Поставленная задача достигается тем, что при механизированной сварке и наплавке с саморегулированием плавления электрода, скорость подачи которого периодически уменьшают, в период паузы, минимальную скорость подачи электрода V_под поддерживают равной /0.0,2/ скорости его плавления V_nл под действием дуги или электрошлакового процесса, а в период импульса максимальную скорость подачи электрода поддерживают более 1,1 скорости его плавления.

Интервал длительности периода максимальной скорости подачи электрода устанавливают в пределах от 0,5 длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля до суммы длительностей уменьшения межэлектродного промежутка до нуля и длительности последующего погружения конца плавящегося электрода в металлическую ванну на /0.0,9/ ее глубины. Перед касанием концом плавящегося электрода поверхности металлической ванны напряжение сварки уменьшают до значения меньше номинального напряжения дуги, горящей между электродом и металлической ванной.

При механизированной дуговой сварке в защитных газах с использованием в качестве электрода проволоки диаметром более 1,2 мм после периода максимальной скорости подачи плавящегося электрода осуществляют реверс его подачи, причем амплитуда реверса меньше амплитуды подачи не менее, чем на величину диаметра электродной проволоки. Это требование относится прежде всего к случаю, когда в конце периода максимальной скорости подачи электрода происходит погружение последнего в металлическую ванну.

При механизированной дуговой сварке металла толщиной более 3 мм уменьшение скорости подачи плавящегося электрода и/или ее увеличение осуществляют ступенчато, причем погружение конца плавящегося электрода в металлическую ванну осуществляют на последней ступени повышения скорости подачи электрода.

Как известно, под саморегулированием процесса плавления проволоки понимается такой процесс дуговой или электрошлаковой сварки, при котором электродную проволоку подают с постоянной скоростью, а скорость ее плавления, колеблясь с колебаниями длины дуги, сохраняется постоянной благодаря реакции источника питания. Уменьшение длины межэлектродного промежутка вызывает автоматическое увеличение сварочного тока, вследствие чего возрастает скорость плавления электрода и длина межэлектродного промежутка восстанавливается. При увеличении длины дуги происходят обратные процессы, что также приводит к восстановлению длины дуги. В этом заключается известный принцип "статического" саморегулирования скорости плавления электрода, который лежит в основе технического решения, взятого за прототип.

В отличие от традиционных способов сварки со "статическим" саморегулированием плавления электродной проволоки при сварке по предлагаемому способу отработка возмущений происходит импульсно, причем моменты следования наивысших амплитуд тока совпадают с периодами максимальной скорости подачи, и упомянутые амплитуды тока, как правило, выше, чем при сварке с постоянной скоростью подачи электродной проволоки.

Сущность заявляемого способа с импульсным саморегулированием поясняют фиг. 1 6.

На фиг. 1 доказаны действительная вольтамперная характеристика источника питания 1 и соответствующая ей вольтамперная характеристика сварочной головки V_под2 для случая известного статического саморегулирования дуги с постоянной скоростью подачи сварочного электрода. Здесь режим устойчивого плавления электрода соответствует точке а /пересечения упомянутых характеристик/ с координатами U_пл и I_пл. Точка а лежит одновременно на кривой U_опт, обозначающей оптимальное соотношение между током и напряжением при различных скоростях подачи плавящегося электрода. В соответствии с предлагаемым изобретением скорость подачи электрода меняют от минимальной V_под1, до максимальной V_под3. В период максимальной скорости подачи вольтамперные характеристики источника питания и сварочной головки пересекаются в точке a₁ с параметрами U_u и I_и. Эта точка лежит намного ниже кривой U_опт и отражает существенное уменьшение длины дуги против оптимальной. Для того, чтобы сохранить эту длину оптимальной /которой соответствует режим в т. В/, необходимо было бы изменить параметры вольтамперной характеристики источника питания /вместо кривой 1 принять кривую 2/, и тогда в точке В сохранялся бы принцип "статического" саморегулирования. Однако это требует специальных операций по управлению источником и не отвечает цели уменьшения длины дуги. Согласно предлагаемому изобретению уменьшение длины дуги происходит вследствие того, что скорость подачи электрода V_под3 превышает скорость ее плавления, равную V_пл V_под2.

При уменьшении скорости подачи электрода до минимального значения V_под1 происходит противоположный процесс: при пересечении кривых V_под1 и I в точке а₂ с параметрами U_л и I_л скорость плавления электродной проволоки превышает скорость ее подачи и длина дуги увеличивается выше оптимальной, что соответствует поставленной задаче модуляции. Ни в точке а₁, ни в точке а₂ саморегулирование дуги происходить не может, поскольку в т. а₁ имеет место тенденция уменьшения длины дуги до нуля /короткое замыкание/, а в т. а₂ наблюдается тенденция увеличения длины дуги до ее естественного обрыва. Короткое замыкание и естественный обрыв дуги могут происходить, если длительности периодов максимальной и минимальной скорости подачи проволоки больше длительностей уменьшения межэлектродного промежутка до нуля и увеличения его до естественного обрыва соответственно. В предлагаемом способе сварки действует принцип импульсного саморегулирования дуги /или электрошлакового процесса/, согласно которому искусственно вызываются возмущения процесса путем принудительного изменения скорости подачи. В процессе модуляции скорости подачи проволоки от минимальной V_под1 до максимальной V_под3, которые существенно отличаются от скорости плавления V_пл V_под2, происходит колебание длины межэлектродного промежутка: она уменьшается, когда скорость подачи электродной проволоки равна V_под3 и увеличивается, когда V_под1. Параметры режима сварки при этом колеблются относительно оптимальной точки a: в импульсе подачи они перемещаются из точки a в точку a₁, а в паузе в обратном направлении, в точку a₂, согласно заявляемому изобретению.

Пределы минимальной скорости подачи V_под /0.0,2/ V_пл обусловлены следующими обстоятельствами. V_под 0 это физический предел, ниже которого скорости подачи нет. Нулевая скорость в паузе существует при импульсной подаче электрода, и это применимо как для дуговой, так и для электрошлаковой сварки с использованием электродов практически любого диаметра. Превышение скорости подачи электрода в паузе более 0,2 V_пл по данным экспериментов снижает технологический эффект от модуляции подачи электрода.

Таким же образом скорость подачи электрода в импульсе V_под менее 1,1 V_пл делает технологический эффект от модуляции скорости подачи электрода несущественным. Что касается верхнего предела этого соотношения / V_под/V_пл/, то он повышается как при увеличении V_под, так и уменьшении V_пл. При V_пл 0/ в случае запланированных периодических естественных обрывов дуги в паузе/ упомянутое соотношение становится равным бесконечности.

Напряжение U_п сварки /дуги, электрошлакового процесса/ в момент естественного обрыва, которое соответствует точке a₂. /фиг. I/, лежит выше напряжения естественного обрыва дуги U_ео. Такая модуляция может быть целесообразной при условии устойчивого повторного возбуждения дуги, например, при сварке под флюсом.

Длительность периода максимальной скорости подачи электрода устанавливают по двум вариантам. Согласно первому варианту она равна /0,5-0,9/ длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля. Это означает /см. фиг. 1/, что точка пересечения вольтамперных характеристик сварочной головки и источника питания "а" спускается по кривой вольтамперной характеристики 1 источника до уровня, чуть выше U_дн/номинального напряжения дуги, горящей между электродом и металлической ванной при заданной скорости подачи плавящегося электрода/, т.е. чуть выше точки а₄, лежащей на пересечении кривых U_дн и кривой 1. Другими словами, в оговариваемом интервале длительности подачи электродной проволоки с максимальной скоростью дуга продолжает гореть.

Интервал длительности периода максимальной скорости подачи электрода /0,5. 0,9/ длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля предусмотрен для способов сварки, когда повторное возбуждение дуги после ее обрыва или короткого замыкания затруднено, например, при дуговой сварке в защитных газах электродом диаметром более 1,2 мм.

Снижение длительности периода максимальной скорости подачи электрода менее 0,5 длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля нецелесообразно, т. к. в этом случае колебания сварочного тока становятся незначительными и технологический эффект от периодического изменения скорости подачи электрода исчезает. Если длительность периода максимальной скорости подачи превышает 0,9 длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля, возникает вероятность замыкания каплей электродного металла на металлическую ванну, и тогда процесс переходит во второй вариант регулирования длительности периода максимальной скорости подачи электрода.

Согласно второму варианту длительность подачи плавящегося электрода с максимальной скоростью устанавливают равной длительности сокращения межэлектродного промежутка до нуля и последующего погружения конца плавящегося электрода на 0-0,9 глубины металлической ванны. Этот вариант целесообразен, когда повторное возбуждение дуги в процессе сварки не представляет трудностей: например, при электрошлаковой сварке, при дуговой сварке под флюсом, либо сварке в защитных газах проволокой диаметром 1,2 мм и менее. Нижний предел интервала длительности максимальной скорости подачи, равный нулю, означает простое касание концом электрода поверхности ванны /как при обычной сварке короткой дугой/, а верхний, равный 0,9 глубины металлической ванны, означает максимально возможную длительность пребывания электрода в ванне, превышение которой может привести к привариванию конца электродной проволоки ко дну металлической ванны. Наиболее предпочтителен второй вариант подачи электрода для электрошлаковой, дуговой и прочих видов сварки, отличающихся значительным объемом металлической ванны.

Подобным образом в период паузы подачи длительность этого периода ограничивается длительностью увеличения межэлектродного промежутка ниже значения, при котором происходит естественный обрыв дуги, т.е. и в этом случае преследуется цель сохранения дуги в процессе модуляции скорости подачи. На фиг. 1 точка a₃ отражает режим естественного обрыва дуги /при напряжении естественного обрыва U_eo/.

При сварке и наплавке по второму варианту уменьшение напряжения сварки ниже номинального напряжения дуги необходимо для избежания взрыва электрода как плавной перемычки в момент касания его металлической ванны. Это достигается либо путем соответствующего принудительного снижения напряжения на клеммах источника питания, либо созданием крутопадающей вольтамперной характеристики источника питания, при которой в момент короткого замыкания электрода на металлическую ванну напряжение сварки снижается естественным путем вследствие увеличения сварочного тока. Последний вариант снижения сварочного напряжения до значения ниже U_дн иллюстрируется фиг. 1.

Характер процесса сварки по предлагаемому способу поясняют приведенные на фиг.2 5 циклограммы, отражающие возможные варианты изменения скорости подачи электродной проволоки и напряжения сварки. /Для наглядности эволюции напряжения принят источник питания с падающей вольтамперной характеристикой, /см. фиг. I/, у которого напряжение холостого хода U_xx больше напряжения естественного обрыва дуги /U_xx > U_eo/, а напряжение короткого замыкания близко нулю /u_k3→ 0/.

Фиг. 2 а отражает случай, когда скорость плавления электродной проволоки при максимальной скорости ее подачи равна нулю, и длительность периодов максимальной и минимальной скорости подачи электрода ограничивают так, чтобы не происходили короткие замыкания межэлектродного промежутка или естественный обрыв, т.е. когда дуга горит непрерывно.

Как видно из фиг. 2а, в период подачи проволоки с максимальной скоростью V_max, длительность которого равна τ_ум /точки 1-2/, происходит уменьшение длины межэлектродного промежутка, вследствие чего напряжение сварки в этот период уменьшается от U_max до U_min. Согласно изобретению в момент 2 скорость подачи проволоки мгновенно уменьшается до значения V_min и в течение периода τ_ув /периода подачи проволоки с минимальной скоростью/ длина межэлектродного промежутка увеличивается, а сварочное напряжение возрастает от U_min до U_max. Это происходит потому, что в период времени τ_ум скорость подачи электродной проволоки превышает скорость ее плавления, а в период времени τ_ув наоборот скорость подачи проволоки меньше скорости ее плавления. Уменьшение длины межэлектродного промежутка и, соответственно, напряжения сварки вызвано искусственным возмущением, выражающимся в увеличении скорости подачи проволоки.

Это возмущение отрабатывается в последующей стадии модуляции в период τ_ув, когда длина межэлектродного промежутка и напряжение сварки восстанавливаются /причем "с запасом" Δu = u_max-u_min/. В момент времени, соответствующий точке 3, следует повторное возмущение и цикл его отработки повторяется. Средняя скорость плавления электрода, как и средняя скорость его подачи, составляют V_плср. Ей соответствует напряжение U_пл, при котором возможно "статическое" саморегулирование при постоянной скорости подачи плавящегося электрода, равной V_плср. Таким образом, при импульсном саморегулировании процесса происходят колебания скорости подачи проволоки и напряжения сварки вокруг средних значений этих параметров, соответствующих "статическому" варианту саморегулирования процесса сварки с постоянной скоростью подачи электрода. В случае, изображенном на фиг. 2а, дуга горит непрерывно, модуляция напряжения сварки протекает в достаточно широком интервале /ограниченном значениями U_min; U_max/, и напряжение никогда не опускается до номинального значения U_дн.

На фиг. 2в приведен случай, когда длительность периода максимальной скорости подачи плавящегося электрода превышает длительность сокращения межэлектродного промежутка до нуля на величину τ_погр, равную длительности погружения конца электродной проволоки на /0.0,9/ глубины металлической ванны. В этом случае сварочное напряжение опускается ниже U_дн и минимальное напряжение достигает значения напряжения контактного плавления /U_min U_кп/. В период времени 1 2, соответствующего периоду максимальной скорости подачи электрода, происходит сокращение межэлектродного промежутка до нуля вследствие превышения скорости подачи электрода над скоростью его плавления. В момент времени, соответствующий точке 2, конец плавящегося электрода касается поверхности металлической ванны и электрод начинает погружаться вглубь ванны. Крайнее значение глубины погружения составляет 0,9 глубины металлической ванны. Погружаясь, проволока одновременно расплавляется под действием теплоты, выделяемой в месте ее контакта с ванной /происходит "контактное" плавление проволоки/. В момент времени 3 скорость подачи электрода мгновенно уменьшают до значения V_min, и скорость плавления начинает опережать скорость подачи. В момент 4, когда конец плавящегося электрода поднимается над ванной, а напряжение сварки становится больше номинального U_дн, возбуждается дуга, в процессе горения которой увеличивается длина межэлектродного промежутка и напряжение возрастает до своего максимального значения U_max /точка 5/. В точке 5 скорость подачи электродной проволоки мгновенно увеличивают до значения V_max, и цикл модуляции повторяется.

Таким образом, вариант сварки по предлагаемому изобретению, представленный на фиг. 2в, предусматривает импульсное саморегулирование процесса, как и на фиг. 2а, с тем отличием, что минимальное напряжение U_min, опускается до значения контактного напряжения U_кп, которое ниже номинального U_дн. Контактное плавление электрода /при напряжении U_кп/ в металлической ванне придает процессу ряд новых технологических особенностей:
а/ предотвращается окисление легирующих элементов вследствие взаимодействия электродного металла с кислородом, находящимся в межэлектродном промежутке;
б/ экономится электроэнергия на расплавление электродной проволоки, поскольку значительное количество теплоты металлической ванны используется непосредственно на плавление проволоки;
в/ ускоряется кристаллизация металлической ванны, поскольку часть ее избыточной теплоты расходуется на расплавление электрода.

Все это способствует увеличению производительности процесса и повышению качества сварочного соединения.

На фиг. 3с приведен случай, когда минимальная скорость подачи электрода V_min 0, а длительность периода максимальной скорости подачи поддерживают меньшей длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля, длительность периода минимальной скорости подачи проволоки ограничивают пределом времени, при котором напряжение сварки не достигает значения U_eo, и естественный обрыв дуги не происходит. Несмотря на периодическое прекращение подачи проволоки, дуга горит, не прерываясь, а ее напряжение колеблется между значениями U, _min и U_max. Т.о. в сварочном процессе, циклограммы которого приведены на фиг. 3с, происходит импульсное саморегулирование и процесс плавления электрода подобен приведенному на фиг. 2а за исключением того, что минимальная скорость подачи электродной проволоки равна нулю.

Рассмотренный вариант сварки имеет преимущественное применение в тех случаях, когда затруднено повторное возбуждение дуги, например, при сварке в защитных газах.

На фиг. 3d приведен случай, когда минимальная скорость подачи электрода равна нулю /как на фиг. 3с/, а длительность периода максимальной скорости плавящегося электрода превышает длительность сокращения межэлектродного промежутка до нуля на величину, равную длительности погружения конца электродной проволоки на /0.0,9/ глубины металлической ванны аналогично фиг 2в. Отличительной чертой процесса, изображенного на фиг. 3d, является то, что длительность периода минимальной скорости подачи электрода превышает длительность увеличения напряжения до значения U_eo напряжения естественного обрыва. В данном случае обрыв наступает в момент, обозначенный точкой 1, после чего дуга гаснет. В момент 2 начинается подача электрода при скорости плавления, равной нулю. В момент 3 происходит касание конца электрода металлической ванны и последующее погружение его в ванну, которое заканчивается в момент, обозначенный точкой 4, когда происходит мгновенная остановка электрода. В момент 5 конец электрода поднимается над поверхностью ванны /вследствие его оплавления/ и возбуждается дуга, которая продолжает гореть до момента 1, когда происходит естественный обрыв дуги. В дальнейшем цикл модуляции повторяется.

Приведенный вариант сварки /фиг. 3d/ предпочтителен в случаях гарантированного возбуждения дуги или электрошлакового процесса как, например, при электрошлаковой сварке или сварке под флюсом.

Особенностью процесса сварки, приведенного на фиг. 4е, является реверс подачи электродной проволоки.

Как видно из рисунка, в период времени, ограниченный точками 1-3, проволока подается с максимальной скоростью V_max, причем с момента 2 начинается ее погружение в металлическую ванну на /0-0,9/ глубины последней. Напряжение на дуге при этом снижается от U_дн до U_кп, и в этот период происходит контактное плавление электродной проволоки. В момент времени 4 производят реверс подачи электрода /в данном случае извлечение его из металлической ванны/, длительность которого составляет τ_извл /точка 4-6/. Реверс проволоки повышает производительность сварки, т.к. интенсифицирует переходные процессы от контактного к дуговому плавлению, и стабилизирует повторное возбуждение дуги, наступающего в момент времени 5, т.к. при этом легче происходит разрыв жидкометаллической перемычки между электродной проволокой и металлической ванной.

Прием реверса целесообразен при дуговой сварке с применением электрода диаметром более 1,2 мм. Длительность периода минимальной скорости подачи электродной проволоки ограничена моментом времени 7, когда напряжение дуги достигает значения U_max, которое меньше напряжения естественного обрыва U_eo. В рассматриваемом случае сварки дуга прекращает горение только в момент времени 2, когда происходит короткое замыкание дугового промежутка. Длительность реверса τ_извл поддерживают такой, чтобы амплитуда его была меньше амплитуды подачи электрода в период 1 3 по крайней мере на величину диаметра электрода.

На фиг. 5f представлен случай ступенчатого изменения скорости подачи электрода от нуля /момент времени I/ до промежуточного значения и далее до значения V_max момент времени 2/продолжительностью τ_ум1 и далее до значения V_max/момент времени 3 продолжительностью τ_ум2/. Здесь также применен реверс подачи /извлечение/ электрода из металлической ванны в течение периода времени τ_извл /точки 4-5/.

В период 4-5 повторно возбуждается дуга, которая при неподвижном электроде горит до момента времени 6 /или т.1/, когда снова начинается ступенчатое увеличение скорости подачи электродной проволоки. Ступенчатое увеличение скорости подачи целесообразно в том случае, когда в период максимальной скорости подачи V_max достигается достаточно большая мощность дуги. При промежуточных значениях скорости подачи /V_cm/ происходит формирование металлической ванны, увеличение ее ширины, а при значениях V_max происходит увеличение глубины металлической ванны, сокращение длины межэлектродного промежутка и погружение электрода в металлическую ванну, например, как на фиг. 4 е. Ступенчатое изменение скорости подачи электродной проволоки стабилизирует процесс, уменьшая опасность коротких замыканий или обрывов дуги, возникающих, если при малой длине дуги происходят резкие изменения скорости подачи электродной проволоки в течение длительного периода времени. Этот способ можно рекомендовать при сварке металлов больших толщин, более 3 мм.

Как следует из фиг.2 5, на протяжении всего процесса плавления происходит периодическое колебание длины дуги и электрических параметров режима сварки с частотой, равной частоте модуляции скорости подачи электродной проволоки. Амплитуды колебаний электрических параметров режима сварки ограничены пределами, определяемыми вольт-амперной характеристикой источника тока. Нестационарное плавление электродной проволоки протекает в соответствии с принципом импульсного саморегулирования, в основу которого положены следующие условия: а постоянство значений максимальной и минимальной скоростей подачи электродной проволоки, включая промежуточные значения этого параметра в случае ступенчатого его изменения; в постоянство длительностей периодов максимальной и минимальной скоростей подачи электродной проволоки, включая сюда длительности ступеней изменения скорости подачи электродной проволоки, с постоянство параметров вольт-амперной характеристики источника питания в течение всех периодов модуляции скорости подачи электродной проволоки.

Принцип импульсного саморегулирования, описанный в заявляемом изобретении, заключается в том, что искусственные возмущения, создаваемые в каком-либо цикле модуляции скорости подачи проволоки, отрабатываются системой механизм подачи источник питания в течение последующего цикла, при этом уменьшению длины дуги против заданной соответствует увеличение тока и интенсификация импульсного плавления электрода и наоборот. Приведенные на фиг. 6 иллюстрации подтверждают сказанное. Циклограмма сварочного напряжения на фиг. 6 а и эволюция вольт-амперных характеристик сварочной головки на фиг. 6 с отражают динамику импульсного саморегулирования процесса плавления электрода, а фиг. 6 в иллюстрирует изменение длины межэлектродного промежутка.

Вольт-амперная характеристика источника питания 1 построена таким образом, чтобы при постоянной скорости подачи электрода V_под V_пл V_плср /см. фиг. 2 6/ мог происходить "стационарный" процесс саморегулирования с параметрами режима в точке а /U_пл,I_пл/. Для реализации "импульсного" саморегулирования устанавливают максимальную скорость подачи электрода V_max и минимальную V_min и длительности периодов τ_ум с максимальной скоростью подачи и τ_ув с минимальной скоростью подачи /см. фиг. 2-5 /. Скорости подачи V_max соответствует точка а₁ с параметрами U_u и I_u, а подаче V_min точка a₂ / U_н, I_iн/ см. фиг. 6c. Для режима "стационарного" саморегулирования длина дуги должна быть равна величине l_дa /см. фиг. 6 в/. После увеличения скорости подачи электрода до значения V_max длина дуги сократится до значения l_дmin /фиг. 6 в/, которое существенно меньше l_дa и для обычного, "стационарного" процесса с постоянной скоростью подачи электрода V_пл неприемлема. Возмущение процесса, вызванное увеличением скорости подачи электрода, сопровождается сокращением длины дуги на величину -Δlg l_дmin l_дa и снижением напряжения сварки -ΔU U_u U_пл /фиг. 6 с/; напряжение сварки становится равным U_min. U_u /фиг. 6 а, с/. Затем следует уменьшение скорости подачи электрода до значения V_min /фиг. 6 с/. Скорость плавления электрода в этот период превышает скорость его подачи и длина дуги увеличивается до значения l_дmax /фиг. 6 в/, а напряжение сварки до значении U_max U_н. Отклонение длины дуги от среднего или "стационарного" значения составляет +Δlg l_дmax l_дa, а напряжение сварки +ΔU U_н - U_пл. В данном случае длина дуги в период увеличения скорости подачи электрода не уменьшается до нуля, а в период уменьшения ее не увеличивается до значения естественного обрыва U_eo, т.е. дуга горит непрерывно, что соответствует фиг. 2 а. Возмущение в виде увеличения скорости подачи электрода /V_max V_пл / вызывает отклонение параметров -ΔU и +ΔI. Мощности источника питания недостаточно, чтобы отработать это возмущение, поэтому после отклонения указанных параметров до заданного их значения скорость подачи электрода уменьшают. Такое принудительное изменение параметра V_под. сопровождается отработкой возмущения: длина дуги и напряжения сварки возрастают, ток уменьшается. Особенность процесса заключается в том, что указанные параметры не только восстанавливаются до их "нормальных" средних значений, но продолжают увеличиваться до заданных пределов /l_дmax и U_max/. Эта стадия модуляции характеризуется отклонениями параметров +Δu и -ΔI. Указанные отклонения, вызванные регулирующим воздействием - уменьшением скорости подачи электрода представляют собой второе возмущение, которое отрабатывается в третьем цикле модуляции, аналогичном первому с увеличением скорости подачи электрода.

Процесс модуляции скорости подачи плавящегося электрода можно выполнять с принудительным регулированием, используя обратные связи, например, по напряжению. Однако возможно "чистое" саморегулирование. В случае, если во время цикла 1 модуляции /фиг. 6 а/ произойдет отклонение максимальной длины дуги l_gmax на величину +Δlgg /фиг. 6 в/, то оно вызовет увеличение максимального напряжения на величину +Δu_max. Реакция источника питания будет состоять в том, что ток уменьшится на величину -ΔI_max /фиг. 6 с/, т.е. режим сварки переместится из точки a₂ в точку с координатами и . Это повлечет за собой уменьшение скорости плавления на этой фазе модуляции. В случае, если после сокращения длины дуги до l_gmin /фиг. 6 в/ отработка возмущения не будет завершена и минимальное значение длины дуги будет больше, чем задано, на величину +Δlk, то минимальное напряжение будет иметь значение U_u + Δ U_min, /фиг. 6 с/. Здесь U_u, U_min. Такое изменение напряжения вызовет реакцию источника тока уменьшение тока на величину -ΔI_min, что дополнительно снизит импульсную скорость плавления электродной проволоки.

При пониженном токе или в результате возмущения возможно уменьшение длины дуги и напряжения сварки -Δ U_max /см. фиг. 6 а, цикл 2 модуляции/. Это вызывает обратную реакцию источника питания увеличение тока и возрастания импульсной скорости плавления электродной проволоки.

При подборе режимов сварки с "импульсным" саморегулированием важно установить не только параметры вольт-амперной характеристики 1 источника питания и скорости подачи электрода V_min и V_max, но и длительности периодов t_ум и τ_ув. Эти параметры определяются теоретически и уточняются экспериментально.

Принципы подбора параметров режима сварки при других разновидностях модуляции, например, с контактным плавлением, /фиг. 2 5 и т.д./ аналогичны.

Предлагаемый способ сварки создает технические эффекты, неизвестные / недостижимые/ при сварке способом, взятым за прототип.

Во-первых, средняя плотность тока, при которой может протекать устойчивый процесс механизированной сварки плавящимся электродом при сварке предлагаемым способом, намного, в 2.3 раза меньше, чем при сварке по прототипу. Так, если максимальная скорость подачи электродной проволоки при сварке со "стационарным" регулированием должна быть такой, чтобы плотность тока на электроде была не меньше 30 А/мм₂ постоянно, то при сварке предлагаемым способом длительность такой подачи с сохранением такой плотности тока может составлять 0,5. 0,3 длительности цикла модуляции, а минимальная скорость может быть равна нулю. Например, в импульсе скорость подачи электродной проволоки диаметром 5 мм равна 60 м/ч, сварочный ток 600 А, плотность тока около 30 А/мм², длительность периода максимальной подачи 0,02 с, минимальная скорость подачи равна нулю, длительность паузы 0,04 с. В этом случае средняя скорость подачи электродной проволоки равна , а средняя плотность тока соответственно 10 А/мм². Это недостижимо при сварке во прототипу либо любым другим способом, основанным на принципе "статического" самолегирования процесса плавления электродной проволоки.

Средний ток при сварке на приведенном выше примере составляет около 200 А. При таком токе нормальный процесс механизированной дуговой сварки протекает, если диаметр электродной проволоки не превышает 3 мм. При сварке проволокой диаметром 2 мм минимальный ток, при котором имеет место "стационарное" саморегулирование, составляет около 94 А. По предлагаемому способу эту проволоку можно использовать на среднем токе 31 А, что соответствует диаметру электродной проволоки 1.1,2 мм². Таким образом, предлагаемый способ сварки помогает решить проблему дефицита проволоки малого диаметра.

Второе преимущество предлагаемого способа сварки по сравнению с прототипом заключается в том, что он позволяет уменьшить глубину проплавления основного металла без уменьшения количества наплавленного электродного металла, что улучшает качество сварных конструкций и наплавленных деталей, особенно при использовании присадочного металла, сильно отличающегося no составу от основного.

Третье преимущество предлагаемого способа сварки состоит в том, что контактное плавление электродной проволоки в металлической ванне позволяет уменьшить потери легирующих элементов на выгорание и оказывает модифицирующее действие на процесс кристаллизации.

Предлагаемый способ сварки осуществляют следующим образом. На подающем механизме или в блоке модуляции, которым оснащен сварочный аппарат, устанавливают вначале параметры модулированной скорости подачи электродной проволоки: максимальную скорость подачи, длительность периода максимальной скорости подачи, минимальную скорость подачи /возможно прекращение подачи/ и длительность этого периода. При необходимости устанавливают скорости обратного движения проволоки и промежуточные скорости подачи /при ступенчатом ее изменении/, а также длительность периодов упомянутых движений проволоки. В качестве механизма подачи проволоки может быть принят механизм с линейным двигателем или механизм с обычным электродвигателем, например, синхронным переменного тока, снабженный редуктором планетарного типа и т.д.

Затем на источнике питания устанавливают параметры режима сварки: во время максимальной скорости подачи, во время минимальной скорости подачи, промежуточных скоростей и скорости обратного движения электродной проволоки. Параметры источника должны отвечать условию, что скорость плавления проволоки в период паузы превышает скорость ее подачи. В тех случаях, когда требуется реализация контактного плавления электродной проволоки, предусматривается предварительное снижение напряжения до значения ниже номинального напряжения дуги, горящей между электродной проволокой и металлической ванной при максимальной скорости ее подачи. Такое снижение может быть активным с помощью специального программирующего устройства /модулятора/, воздействующего на напряжение холостого хода источника, и самопроизвольным, как реакция источника питания на увеличение нагрузки. Первое целесообразно осуществлять, если источник питания имеет жесткую вольт-амперную характеристику, второе - падающую. Рационально устанавливать на пульте модулятора все параметры режима: максимальную скорость подачи электродной проволоки, длительность периода подачи с максимальной скоростью, электрические параметры источника в этот период, минимальную скорость подачи, длительность этого периода и электрические параметры источника в этот период. Тип подающего механизма и источника питания, а также способ задания параметров режима сварки выбирают в соответствии с решаемой технической задачей и в зависимости от средств /устройств/, которыми располагают технолог.

Примеры.

Выполняли полуавтоматическую сварку под флюсом с применением полуавтомата ПДФ-501 /А-1197Ф/ и сварочного выпрямителя ВДУ-506, настроенного на падающую вольт-амперную характеристику. Полуавтомат был снабжен специальной приставкой для модуляции скорости подачи электродной проволоки. Использовали сварочную проволоку марки Св-08А диаметром 2 мм и флюс АН-348А. Скорость сварки составляла 30 и/час /8,3 мм/с/.

Результаты экспериментов приведены в табл. 1. В экспериментах 1-3 изучалось влияние изменения скорости подачи электрода в период паузы, при этом минимальную скорость принимали равной V_под 0 /эксперимент I/, V_под 0,2 V_пл /эксперимент 2/ и V_под 0,3 V_пл /эксперимент 3/. Наибольший эффект от модуляции подачи проволоки получен при V_под 0 /эксперимент I/. Средняя скорость подачи проволоки при этом получена около 17 мм/с или 61 м/час показатель, недостижимый для существующих способов сварки. При этом была получена минимальная глубина проплавления менее 1 мм при достаточно высоком валике. В эксперименте N 3 сварка выполнялась при средней скорости подачи около 100 м/час. В отличие от эксперимента 1 здесь наблюдались значительно меньшие колебания сварочного тока, что отразилось на глубине проплавления, составившей около 2 мм.

Дальнейшее увеличение скорости подачи электрода в паузе явно нецелесообразно из-за потери технологического эффекта происходит увеличение глубины проплавления. При V_под 0,2 V_пл /эксперимент 2/ глубина проплавления основного металла составила около 1,5 мм, что является приемлемым. Поэтому верхний предел соотношения V_под и V_пл принят равным 0,2.

В экспериментах 4 6 варьировалось значение скорости подачи электродной проволоки в период импульса. В эксперименте N 4 максимальная скорость подачи электродной проволоки в импульсе была принята равной скорости ее плавления. В этом случае процесс оказался неустойчивым, в период паузы подачи проволоки дуга обрывалась. После того, как паузу исключили, т.е. процесс сварки превратился в традиционный с постоянной скоростью подачи проволоки /эксп. N 5/, дуга стала гореть устойчиво, однако глубина проплавления была большая, более 3 мм. В эксперименте N 6 скорость подачи проволоки в импульсе была принята в соответствии с соотношением V_под 1,1 V_пл. Дуга не обрывалась, однако процесс был осуществлен на весьма низкой частоте модуляции скорости подачи электродной проволоки, около 0,45 с^-1, что требует поддержания малой скорости сварки, около 2 м/час. Увеличение скорости подачи проволоки до значения, в 1,5 раза превышающего скорость ее плавления, позволило получить качественный процесс горения дуги /эксп. N 7/. Частота модуляции подачи проволоки составила при этом около 3 с^-1. Дальнейшее увеличение скорости подачи проволоки в импульсе сопровождалось увеличением частоты модуляции при устойчивом горении дуги. Таким образом, за нижний предел скорости подачи электродной проволоки в импульсе можно принять V_пр 1,1 V_пл без ограничения по максимуму в естественных пределах, определяемых скоростью образования капель металла на конце электродной проволоки.

В экспериментах 7-12 варьировалась длительность периода максимальной скорости подачи электрода. Эксперимент N 7 соответствует случаю, когда длительность периода максимальной скорости подачи проволоки составляет 0,5 длительности уменьшения межэлектродного промежутка /МЭП/ до нуля. Процесс сварки протекал нормально. После уменьшения длительности этого периода до значения, составляющего 0,4 длительности уменьшения МЭП до нуля, качество модуляции ухудшилось: значение тока импульса уменьшилось, а тока паузы - увеличилось, т. е. процесс приблизился к известному с постоянной скоростью подачи электродной проволоки /эксперимент N 8/. Уменьшение этой длительности менее 0,5 длительности сокращения МЭП до нуля нецелесообразно. В эксперименте N 9 длительность периода максимальной скорости подачи была равна длительности сокращения МЭП до нуля. Процесс характеризовался повышенным разбрызгиванием электродного металла. Отметим, что в данном эксперименте частота замыканий электрода на ванну составляла около 1,4 с^-1 при частоте переноса капель около 15 с^-1. Это означает, что ситуация, когда длительность периода максимальной скорости подачи равна длительности сокращения МЭП до нуля, допустима, но нежелательна. В эксперименте N 10 длительность периода максимальной скорости подачи электродной проволоки равна сумме длительностей уменьшения МЭП до нуля и последующего погружения конца плавящегося электрода на всю глубину металлической ванны. Процесс характеризовался периодическими привариваниями электродной проволоки ко дну металлической ванны. Такой длительности периода максимальной скорости подачи электродной проволоки следует избегать. В эксперименте N 11 длительность максимальной скорости подачи электродной проволоки после касания е ю) поверхности металлической ванны была сокращена по сравнению с экспериментом N 10 так, чтобы конец электрода погрузился в металлическую ванну на 0,9 ее глубины. Процесс сварки был достаточно устойчивым, так же, как и в эксперименте N 12, где электрод погружали в ванну на 0,8 ее глубины. Таким образом, не следует погружать электрод в металлическую ванну больше, чем на 0,9 ее глубины. Меньшая глубина погружения допустима, однако простое касание электродом металлической ванны не рекомендуется. Из эксперимента N 9 следует, что перед касанием электродом металлической ванны напряжение дуги было уменьшено до 17 В, т.е. ниже номинального напряжения U_дн 18 В. Это достигалось благодаря падающей вольт-амперной характеристике источника, которая характеризовалась соотношением Δu/ΔI≈ 0,1 В/А. Напряжение холостого хода составляло 44 В, ток короткого замыкания около 440 А. Далее был выполнен специальный эксперимент /в табл. 1 он не приведен/, где напряжение сварки перед касанием плавящимся электродом металлической ванны уменьшали до значения 20 В, которое превышало упомянутое U_дн 18 В. Это достигалось путем повышения жесткости вольт-амперной характеристики источника, у которого Δu/ΔI≈=0,05 В/А. В упомянутом эксперименте не удалось получить фазу контактного плавления электрода. Для уменьшения напряжения дуги менее 18 В потребовалось увеличить ток примерно до 550 А, т.е. перейти на скорость подачи проволоки, более чем вдвое превышающую ту, что принята в эксперименте. Таким образом, уменьшение напряжения сварки ниже номинального напряжения дуги является непременным условием для осуществления фазы контактного плавления электродом.

Последующую группу экспериментов выполняли в углекислом газе с использованием автомата АДГ-502 и выпрямителя ВДУ-504 /см. таблицу 2/.

Режим в эксперименте N13 отличался от эксперимента N 12 защитной средой, вместо сварочного флюса использовали углекислый газ. Установлено, что при сварке в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм процесс перехода дугового плавления в контактный и обратно сопровождается повышенным разбрызгиванием электродного металла. Попытка устранить это явление путем реверса электродной проволоки с амплитудой 2,4 мм, т.е. больше диаметра электродной проволоки, закончилась неудачей процесс прекращался из-за малой подачи электрода /экспер. N 14/. Уменьшение амплитуды реверса до 1,6 мм, т.е. меньше диаметра электродной проволоки, позволило получить стабильный процесс /экспер. 15/. Для сравнения в эксперименте N 16 сварку в CО₂ выполняли проволокой диаметром 1,2 мм без реверса. В этом эксперименте процесс сварки был устойчив. Таким образом, при диаметре электродной проволоки 2 мм и более после погружения ее в металлическую ванну рекомендуется выполнять "выдергивание" проволоки из ванны с амплитудой реверса менее одного диаметра электрода.

В таблице 3 приведены данные экспериментов, полученные при ступенчатом увеличении скорости подачи электродной проволоки. Использовали те же оборудование и сварочные материалы, что и в экспериментах, приведенных в табл. N 1. Сваривали встык без скоса кромок листы из стали Ст.3 толщиной 5 мм. Скорость сварки изменяли синхронно и пропорционально скорости подачи электродной проволоки. Максимальное значение скорости сварки /в импульсе/ составила 30 м/час. Расход углекислого газа находился в пределах 16 л/мин.

В эксперименте N 17 скорость подачи проволоки поднимали ступенчато: вначале от 0 до 39 мм/с, затем, после выдержки в течение 4 с /включая начальное уменьшение длины дуги и последующую выдержку скорости подачи электрода постоянной/ 78 мм/с. Процесс сварки протекал устойчиво. В период подачи проволоки со скоростью V_cm образовывалась металлическая ванна глубиной около 5 мм, т.е. почти на всю толщину свариваемых пластин, затем в эту ванну на второй ступени импульса погружали металлический электрод /проволоку/.

Для сравнения в эксперименте N 18 ступенчатого изменения скорости подачи не осуществляли, в результате качественной сварки получить не удалось, т.к. в период паузы при неподвижном электроде не успевали образовать металлическую ванну значительных размеров, и в импульсе электродная проволока утыкалась в основной металл.

Таким образом, при сварке металла толщиной более 3 мм, где требуется образование металлической ванны значительных размеров, целесообразно осуществлять ступенчатое изменение скорости подачи электродной проволоки. ТТТ1 ТТТ2 ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: для механизированной дуговой или электрошлаковой сварки или наплавки с саморегулированием процесса плавления электрода. Процесс саморегулирования осуществляют путем периодического изменения скорости подачи электрода, при этом скорость плавления его в период максимальной скорости подачи устанавливают в пределах не более 0,9 упомянутой скорости подачи, причем длительность периодов максимальной скорости подачи поддерживают равной от 0,5 до 0,9 длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля или равной сумме длительностей уменьшения межэлектродного промежутка до нуля и последующего погружения конца электрода на величину не более 0,9 глубины ванны. При касании концом электрода поверхности ванны напряжение уменьшают до значения, меньшего номинального, а после периода максимальной скорости подачи электрода осуществляют реверс его подачи, причем амплитуда реверса меньше амплитуды подачи не менее, чем на величину диаметра электрода. Уменьшение скорости подачи электрода или увеличение ее осуществляют ступенчато, причем погружение конца электрода в металлическую ванну осуществляют на последней ступени повышения скорости его подачи. 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 ил.

1. Способ механизированной дуговой и электрошлаковой сварки и наплавки с саморегулированием плавления электрода, скорость подачи которого периодически уменьшают, отличающийся тем, что в период паузы минимальную скорость подачи электрода поддерживают равной не более 0,2 скорости его плавления под действием дуги или электрошлакового процесса, а в период импульса максимальную скорость подачи электрода поддерживают равной более 1,1 скорости его плавления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интервал длительности периода максимальной скорости подачи электрода устанавливают в пределах от 0,5 длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля до суммы длительности уменьшения межэлектродного промежутка до нуля и длительности последующего погружения конца плавящегося электрода в металлическую ванну на величину не более 0,9 ее глубины. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при касании концом плавящегося электрода поверхности металлической ванны напряжение сварки уменьшают до значения меньше номинального напряжения дуги, горящей между электродом и металлической ванной. 4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что при механизированной дуговой сварке в защитных газах с использованием в качестве электрода проволоки диаметром более 1,2 мм после периода максимальной подачи плавящегося электрода осуществляют реверс его подачи, причем амплитуда реверса меньше амплитуды подачи не менее чем на величину диаметра электродной проволоки. 5. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что при механизированной дуговой сварке металла толщиной более 3 мм уменьшение скорости подачи плавящегося электрода или ее увеличение осуществляют ступенчато, причем погружение конца плавящегося электрода в металлическую ванну осуществляют на последней ступени повышения скорости подачи электрода.