СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1997 года по МПК B23K9/167 

Изобретение относится к области дуговой сварки и может быть использовано в промышленности, где применяется сварка швов в различных пространственных положениях и других конструкций, имеющих кольцевые швы (например, трубопроводах).

Известен способ сварки кольцевых швов труб малого диаметра, при котором для удержания от вытекания расплава сварочной ванны применяют пониженные силу тока, напряжение на дуге и электроды уменьшенного диаметра (Акулов А.И. Бельчук Г. А. Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением.- М. Машиностроение. 1977. 432 с.). Однако применение таких режимов снижает производительность сварки. Кроме того, повышается вероятность образования таких дефектов, как несплавления, уменьшение глубины проплавления и т.п.

Известен способ управления формированием шва с использованием импульсной сварки (Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. М. Машиностроение, 1973, 448 с. ), при котором за счет периодического охлаждения и частичной кристаллизации расплава ванны создаются условия, препятствующие стеканию жидкого металла.

Вместе с тем при импульсной сварке возникают значительные динамические воздействия на металлический расплав в момент импульса и появляется опасность нарушения нормального формирования шва. Кроме того, для импульсной сварки необходимы специальные источники питания сварочной дуги, которые имеют высокую стоимость и требуют специально подготовленного персонала для обслуживания и работы на них.

Известен также наиболее близкий по совокупности признаков способ дуговой сварки алюминиевых сплавов (а.с. СССР N 1703325, кл. В 23 К 9/167, 1989), включающий сварку неплавящимся электродом на переменном токе, при котором на дугу и металл сварочной ванны воздействуют продольным знакопеременным электромагнитным полем, которое подают в момент прямой полярности полупериодов сварочного тока.

Однако в известном способе выполняют сварку только алюминиевых сплавов неплавящимся электродом, что ограничивает его технологические возможности. Кроме того для реализации способа сварки необходимо использовать специальное сложное оборудование генераторы для согласования электромагнитных импульсов с прямой полярностью сварочного тока. Известный способ не позволяет эффективно воздействовать на процессы регулирования длины сварочной ванны, что ограничивает его широкое использование при сварке швов в различных пространственных положениях конструкций из черных и цветных металлов и сплавов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является возможность обеспечения эффективного регулирования длины сварочной ванны при дуговой сварке в различных пространственных положениях металлов и сплавов и использование для его реализации обычного промышленного оборудования для сварки плавящимся и неплавящимся электродами.

В способе дуговой сварки электродом, при котором на дугу и металл сварочной ванны воздействуют продольным знакопеременным электромагнитным полем, отличием является то, что сварку ведут на постоянном токе, а знакопеременное электромагнитное поле промышленной частоты накладывают независимо от полярности сварочного тока, при этом величину магнитной индукции (В) электромагнитного поля определяют из выражения

где L_o и L длина металлического расплава сварочной ванны при сварке без магнитного поля и в магнитном поле соответственно;
К коэффициент пропорциональности.

Известно, что при дуговой сварке тепло- и массоперенос в металлическом расплаве сварочной ванны зависит от направления и интенсивности конвективных потоков, которые определяют, в частности, геометрические размеры сварочной ванны (длину, ширину, глубину).

Конвекция является главным образом результатом механического воздействия дугового потока (газодинамической силы) и объемной электромагнитной силы (силы Лоренца), возникающей вследствие расширения линий тока в жидком металле.

При воздействии на зону сварки внешним продольным промышленной частоты (50 Гц) магнитным полем происходят изменения как в характере движения жидкого металлического расплава сварочной ванны, так и в столбе дуги.

Такие изменения вызваны появлением дополнительной объемной электромагнитной силы (F), которая определяется выражением

где j вектор электрического тока;
В вектор индукции магнитного поля.

Как следует из последнего выражения, величина и направление силы F не зависит от вида (плавящийся или неплавящийся) и марки материала электрода или изделия, а определяется только величиной и направлением плотности тока в электроде и вектором магнитной индукции. При перемене полярности постоянного тока по величине сварочного тока изменяется только направление силы. При сварке постоянным током заданной полярности, направление силы F будет определяться направлением вектора магнитной индукции, причем частота изменения направления равна частоте магнитного поля (50 Гц).

В результате электромагнитного воздействия в расплаве возникает вибрация, связанная с периодическими изменениями направления силы F. Вместе с тем из-за относительно большой инерционности жидкого металлического расплава, заметных реверсивных потоков в сварочной ванне не наблюдается.

Такая вибрация, во-первых, снижает интенсивность естественных осевых потоков из головной в хвостовую часть сварочной ванны; во-вторых, позволяет рассредоточить тепловой поток, снизить градиент температур по объему ванны, охладить металл, уменьшить степень текучести и, следовательно, уменьшить длину ванны.

Кроме того, магнитное поле оказывает влияние на форму и движение столба электрической сварочной дуги. Дуга является практически безынерционным проводником, который реагирует на изменения индуцируемой электромагнитной силы с частой 50 Гц. В определенных случаях это приводит к пространственному изменению положения дуги и рассредоточению пятна нагрева по поверхности изделия. В результате уменьшается длина металлического расплава сварочной ванны.

В предлагаемом способе для генерирования электромагнитного поля промышленной частоты (50 Гц) не требуется специальных преобразователей частоты, что существенно повышает экономическую эффективность способа по сравнению с прототипом. Использование постоянного (по величине и направлению) сварочного тока позволяет накладывать магнитное поле на дугу и металл сварочной ванны в течение всего цикла, не согласовывая его с направлением, частотой и длительностью импульса сварочного тока, и значительно упрощает реализацию способа.

При реализации способа использовали следующее оборудование и материалы:
сварочный артомат АДФ-1002
источник питания сварочной дуги ВКСМ-1000
источник питания электромагнита ТД-300
вольфрамовый электрод диаметром 3 мм ВЛ
электродная проволока Св-08А
флюс АН-348А
защитный газ аргон
Сварку под флюсом плавящимся электродом выполняли на пластинах из низколегированной 10ХСНД и нержавеющей 08Х18Н10ТМ сталях толщинами 20 и 10 мм соответственно. Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона выполняли на пластинах из стали 03Х12Н10МТРВД толщиной 8 мм.

Осуществляли способ следующим образом. Перед сваркой, на автомате устанавливали скорость подачи электрода, скорость сварки, ток и напряжение на дуге. Наплавляли шов и по не заплавленному кратеру определяли длину сварочной ванны. После полного охлаждения пластины повторяли наплавку на тех же режимах, но с использованием внешнего продольного магнитного поля при различных индукциях и замеряли длину ванны.

Режимы сварки и электромагнитной обработки сварочной ванны приведены в таблице.

Примечания. 1. Длину жидкого металлического расплава сварочной ванны определяли по данным пяти независимых измерений. 2. Увеличение индукции свыше 100 мТл в некоторых случаях приводило к нарушению стабильной защиты металла шва.

На основании полученных экспериментальных данных (см. табл. 1), легко можно определить уравнения длины ванны (табл. 2), для каждого опыта соответственно.

Как следует из полученных экспериментальных результатов, длина сварочной ванны в магнитном поле, с увеличением индукции, уменьшается по линейному закону и описывается уравнением вида L=L_o-kB. Постоянный коэффициент (k) зависит от параметров режима сварки.

Длину ванны (L_o), соответствующую сварке без магнитного поля, можно определить экспериментальным путем (как в нашем случае) или расчетным по известным выражениям (например, см. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М. Машгиз, 1951 296 с.).

Сваривали трубы диаметром 100 мм с толщиной стенки 2 мм из стали 08Х12Н10ТМ. Поворотные кольцевые стыковые швы по базовой технологии выполняли вольфрамовым электродом диаметром 3 мм в аргоне присадочной проволокой диаметром 1,2 мм 03Х19Н15Г6М2АВ2 на режимах, представленных в таблице 3. Для сварки использовали следующее оборудование: выпрямитель ВД-306, сварочная головка ГНС-220.

Примечание. Расход аргона для всех режимов сварки 8 10 л/мин.

Таким образом, уменьшить длину жидкой ванны, для удержания ее от стекания при сварке в различных пространственных положениях, в том числе и при сварке кольцевых швов, можно не только за счет изменения тепловой мощности дуги, но и за счет наложения на металлический расплав внешнего продольного магнитного поля промышленной частоты (50 Гц).

Использование: изобретение относится к области дуговой сварки и может быть использовано в промышленности, где применяется сварка швов в различных пространственных положениях. Сущность изобретения: при реализации способа на дугу и металлический расплав сварочной ванны накладывают внешнее продольное промышленной частоты (50 Гц) магнитное поле. Для генерирования магнитного поля используют простое, надежное в эксплуатации и недорогое оборудование. Дуговую сварку выполняют постоянным током любой полярности. Величину индукции знакопеременного электромагнитного поля промышленной частоты определяют из выражения:

где L_o и L - соответственно длина металлического расплава сварочной ванны без магнитного поля и при сварке в магнитном поле; К - коэффициент пропорциональности. 3 табл.

Способ дуговой сварки электродом, при котором на дугу и металл сварочной ванны воздействуют продольным знакопеременным электромагнитным полем, отличающийся тем, что сварку ведут на постоянном токе любой полярности и используют электромагнитное поле промышленной частоты, при этом величину B индукции электромагнитного поля выбирают по формуле

где L_о и L длина металлического расплава сварочной ванны при сварке без магнитного поля и в магнитном поле соответственно;
K коэффициент пропорциональности.