СПОСОБ ЧЕТЫРЕХДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1997 года по МПК B23K9/18 

Изобретение относится к многодуговой сварке, в частности к 4-дуговой сварке, преимущественно прямошовных труб большого диаметра.

Известны способы 4-дуговой сварки, при которых дуги, расположенные последовательно в общем плавильном пространстве, питаются от отдельных источников переменного тока трансформаторов, подключенных к трехфазной сети. Указанное подключение трансформаторов (фазировка) определяет углы сдвига фаз дуговых токов (Φ) и, таким образом, магнитное взаимодействие сварочных дуг.

Согласно [1] углы Φ рекомендуется выбирать согласно формуле
v_n=60(n-1),
где Φ_n угол сдвига фазы n-го электрода,
n порядковый номер электрода.

О других вариантах благоприятных фазировок с углом сдвига фаз, кратных 60^oC, сообщается в работах [2, 3]
При использовании указанных вариантов сварки с применением серийного сварочного оборудования, например трансформаторов с изменяемым воздушным зазором сердечника СТ-1000, СТ-2000 или с фазовым регулированием тока ТДФЖ-1002, ТДФЖ-2002, стабильного процесса сварки достичь не удалось.

Это связано с тем, что многодуговая сварка предъявляет повышенные требования к устойчивости горения каждой дуги, которая во многом зависит от применяемых трансформаторов. Как показали опыты, проблемы, возникающие при 3-дуговой сварке на переменном токе, резко усложняются при 4-дуговом процессе.

Удовлетворительные результаты удалось получить при подключении трансформаторов по схеме Скотта, обеспечивающей сдвиг фаз дуговых токов под углом 90^o [4, 5] Однако такая фазировка возможна лишь при наличии в конструкции трансформаторов вывода средней точки обмотки или при использовании дополнительных мощных автотрансформаторов [6]
В последнее время получают распространение системы комбинированного питания дуг с постоянным током на передней дуге и переменным на остальных дугах (большего количества дуг постоянного тока не применяют из-за опасности магнитного дутья). Это позволяет повысить стабильность процесса сварки за счет сокращения числа дуг переменного тока, а также обеспечить заданную глубину проплавления при большей скорости или меньшей погонной энергии процесса сварки. Например, известен способ, согласно которому токи на дугах 2, 4 находятся в одной фазе, опережая ток дуги 3 на 120^o. Другой вариант комбинированного питания дуг, наиболее близкий к заявляемому изобретению, предусматривает сдвиг фаз дуговых токов, равный 120^o, при порядке чередования фаз 2 3 4 [5]
Однако при опробовании указанных способов комбинированной сварки стабильного процесса достичь не удалось.

Основной задачей изобретения является обеспечение стабильного процесса 4-дуговой сварки и качественного формирования швов.

Поставленная задача решается тем, что первая, вторая и четвертая по ходу сварки дуги питаются переменными токами, сдвинутыми по фазе друг относительно друга на 120^o, а третья дуга постоянным током.

Благодаря питанию 3-ей дуги постоянным током устраняется нестабильность процесса, обусловленная совместным горением трех рядом расположенных дуг переменного тока.

При этом две первые дуги горят, как это принято, при низких напряжениях, что обеспечивает их относительную устойчивость, вследствие глубокого погружения в жидкий металл и менее интенсивного взаимодействия друг с другом, а также глубокое проплавление изделия.

Стабильность 3-ей дуги обусловлена преимущественным взаимным отталкиванием дуг 2 и 4, а также тем, что она питается постоянным током и, таким образом, исключаются перерывы ее горения, характерные для дуг переменного тока. Это особенно важно в условиях 4-дуговой сварки, где 3-я дуга определяет ширину проплавления и отсутствие шлаковых включений.

Относительно стабильное горение 4-ой дуги, окончательно формирующей шов, обеспечивается тем, что она отделена от дуг переменного тока дугой 3. Кроме того, установленная, как это принято, углом вперед, дуга 3 благодаря своей стабильности хорошо защищает дугу 4 от волны жидкого металла ванны, выталкиваемого назад и вверх передними дугами.

Сдвиг фаз дуговых токов, равный 120^o, наиболее благоприятен среди всех прочих углов, кратных 60^o, с точки зрения стабильности сварки. При такой фазировке соседние дуги преимущественно отталкиваются, что способствует их устойчивому горению. Стабильного процесса при углах сдвига фаз дуговых токов 0^o, 60^o, 180^o получить не удалось: при углах 60^o и, в особенности 0^o, вследствие преимущественного притяжения дуг и образования между ними высокой волны жидкого металла, а при угле 180^o, вследствие интенсивного выбрасывания жидкого металла назад.

При сварке изолированных от земли изделий оптимальным вариантом настоящего изобретения является присоединение обратных проводов от источника постоянного тока к переднему концу указанного изделия (со стороны начала сварки), а от трансформаторов к заднему его концу, что обеспечивает стабильность процесса сварки и постоянство размеров шва по всей длине изделия. Целесообразность указанного присоединения обусловлена тем, что ток дуги 3, протекая по изделию назад, отклоняет ее вперед, а переменный ток дуг 1, 2, протекая по изделию вперед, не вносит помех в работу задних дуг.

Дополнительным преимуществом указанного варианта подключения обратных проводов является возможность применения общего обратного провода малого сечения, соединяющего обратные провода трансформаторов, сведенные в общую точку, с токосъемником на изделии, поскольку при сдвиге фаз трех токов 120^o его суммарная величина минимальна. Кроме того, малый обратный ток благоприятствует надежному контакту токосъемника с изделием без подгораний последнего и нарушения стабильности процесса сварки.

Пример 1.

4-дуговая сварка наружного шва прямошовной трубы из стали 17Г1С диаметром 530 мм толщиной 10 мм и длиной 12 м.

В качестве источников питания дуг 1, 2, 4 переменного тока применяются серийные трансформаторы марок ИДФЖ-2002, а дуга 3 питается постоянным током от серийного выпрямителя ВДУ-1602.

Дуги переменного тока 1, 2, 4 питаются от отдельных трансформаторов, которые подключены к трехфазной сети соответственно к фазам AB, BC, CA. Таким образом, векторы дуговых токов расположены под углами 120^o друг относительно друга, а порядок чередования фаз на электродах 1 2 4 (по часовой стрелке). Дуга постоянного тока подключена к плюсу выпрямителя (обратная полярность).

В качестве сварочных материалов применяются электродная проволока диаметров 4 мм марки Св-08ГМ и пемзовидный флюс марки АН-60.

Углы наклона электродов 1, 2, 3, 4 равны соответственно 10^o (углом назад), 10^o, 30^o, 42^o (углом вперед).

Расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым электродам равны соответственно 13, 11, 22 мм.

Труба установлена на тележке, опираясь на обрезиненные ролики, и, таким образом, изолирована от земли. Все обратные провода присоединены к переднему торцу трубы через медный токосъемник (скользящий контакт), т.е. по схеме "сварка от токоподвода".

Сварка выполняется при движении трубы относительно неподвижного аппарата на следующем режиме:
I₁ 1100А, U₁ 30 В, I₂ 1000 А, U₂ 32 В.

I₃ 850 А, U₃ 38 В, I₄ 800 А, U₄ 34 В.

Скорость сварки 170 м/ч.

Обеспечивается качественное формирование швов шириной 22.24 мм и глубиной проплавления 7.8 мм, однако в начале шва на длине около 1 м наблюдается уменьшение его ширины до 20 мм.

Для устранения сужения начального участка шва следует снижать скорость на 10 м/ч и/или увеличивать напряжение на третьей и четвертой дугах на 1.3 В.

Пример 2.

То же, что и пример 1, но обратные провода дуги 3 присоединены к переднему торцу трубы (со стороны начала сварки), а дуг 1, 2, 4 к ее заднему торцу. В результате устраняется сужение начального участка шва и повышается стабильность процесса сварки, поэтому в корректировке режима сварки на указанном участке (см. пример 1) нет необходимости.

Использование: для сварки стальных конструкций, преимущественно прямошовных труб большого диаметра. Сущность изобретения: первая, вторая и четвертая по ходу сварки дуги питаются от отдельных источников переменного тока, причем дуговые токи сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120^o, а третья дуга питается от источника постоянного тока. При сварке изделия, изолированного от земли, оптимальным вариантом способа является присоединение обратных проводов от источника постоянного тока к переднему концу изделия, а от источников переменного тока - к его заднему концу. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ четырехдуговой сварки при последовательном расположении дуг в общем плавильном пространстве, включающий питание каждой из дуг от отдельного источника тока, отличающийся тем, что первая, вторая и четвертая по ходу сварки дуги питают переменными токами, сдвинутыми по фазе друг относительно друга на 120^o, третью дугу постоянным током. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сварке изолированного от земли изделия обратные провода от источника постоянного тока присоединяют к переднему концу изделия, а от источника переменного тока к его заднему концу.