СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B23K9/14 

Настоящее изобретение относится к технологии автоматической электродуговой сварки металлов в атмосфере воздуха с помощью неподвижно закрепленного плавящегося изолированного электрода в узком стыке частей изделия и может быть применено для сварки трубопроводов.

Известен способ автоматизированной дуговой сварки (Акулов А.И. и др. Технология и оборудование сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1977, с. 22-23). Сварку производят с помощью сварочного автомата под слоем флюса. Перед сваркой обрабатывают кромки стыка свариваемых частей изделия в виде V или X-образной разделки. Фиксируют части с помощью зажимных приспособлений, размещают плавящийся электрод в зоне сварки, зажигают дугу между электродом и изделием и подают электрод в зону сварки по мере его расплавления и роста сварного шва.

Этот способ дуговой сварки требует предварительной механической обработки кромок частей свариваемого изделия, что приводит к увеличению размеров сварного шва. Сам процесс сварки длителен, так как заполнение стыка частей изделия материалом присадочной проволоки идет медленно (за один проход сварной шов заполняется не более, чем на 1 мм).

Также известен автоматический способ электродуговой сварки неподвижным плавящимся электродом (Журнал "Прикладная физика", М., Всероссийский научно-исследовательский институт межотраслевой информации, выпуск 3, 1994, с. 3 - 7). Этот способ состоит в следующем. Плавящийся электрод в виде пластины требуемой толщины с нанесенным слоем диэлектрического покрытия помещают в зазор между соединяемыми поверхностями деталей. Электрическую дугу зажигают между свариваемыми деталями и нижней поверхностью электрода, подключенными к разным полюсам источника тока. Расплавленный металл с электрода переносится вниз, образуя жидкую ванну, удерживаемую от вытекания из стыка с помощью подкладки либо за счет сил поверхностного натяжения. По мере расплавления электрода происходит движение электродуги в плоскости электрода.

Этот способ сварки обеспечивает хорошее качество сварного шва при сварке швов, расположенных вертикально, но не обеспечивает сварку кольцевых швов.

Также известен способ электрической дуговой сварки металлических деталей и плавящийся электрод для его осуществления (WO 90/06830, кл. B 23 K 9/14), принятый за прототип изобретения.

В соответствии с прототипом способ электрической дуговой сварки металлических деталей заключается:
- в установке кольцевого плавящегося электрода в зоне сварки металлических труб, подключенных с плавящимся электродом к источнику электропитания, с зазорами между боковыми поверхностями плавящегося электрода и свариваемыми поверхностями труб;
- в установке дополнительной кольцевой металлической детали с зазором на цилиндрический плавящийся электрод;
- в размещении в зазорах между боковыми поверхностями плавящегося электрода и труб и электрода и дополнительной детали изоляционных слоев;
- в зажигании дуги в зазоре между нижней торцевой поверхностью плавящегося электрода и дополнительной детали;
- в образовании металлической перемычки между свариваемыми поверхностями труб и формировании сварного соединения.

Плавящийся электрод прототипа выполнен в виде металлического кольца, ширина которого больше ширины стыка между свариваемыми трубами, а диаметр больше диаметра этих труб. Дополнительная кольцевая деталь имеет диаметр больше внешнего диаметра электрода и такую же ширину.

Прототип изобретения сложен и не обеспечивает проварку стыков труб.

Задача изобретения - упрощение способа сварки металлических труб и повышение качества сварного шва.

Предложенный способ электродуговой сварки обеспечивает автоматическую сварку не менее 95% длины окружности стыка металлических труб без каких бы то ни было средств автоматизации, при минимальном участии человека в процессе ее проведения, что существенно уменьшает время сварки и расход электроэнергии.

Автоматический процесс электродуговой сварки достигается за счет:
- обеспечения определенных режимов и условий проведения операций сварки: мощности, геометрических размеров и физических параметров электрода; только при определенных условиях электрическая дуга самоорганизуется, т.е. автоматически, самопроизвольно, с большой скоростью перемещается от одного края торца электрода, неподвижно закрепленного в стыке свариваемых частей изделия, к другому, расплавляя электрод и поверхности свариваемых частей; при этом электрод должен быть тонким по сравнению с его шириной, изолированным, плавящимся, и по форме его плавящейся части совпадать с формой стыка свариваемых частей изделия - торцов труб;
- существенного увеличения концентрации мощности сварки в малом объеме сварочной ванны; такая концентрация мощности практически возможна только при использовании тонкого электрода;
- большой скорости автоматического процесса сварки;
- создания в месте горения электрической дуги требуемого избыточного давления паров металла, которое препятствует проникновению атмосферного воздуха в сварочную ванну, а следовательно, препятствует окислению расплавленного металла.

Из уровня техники не известны способы электродуговой сварки, которые обеспечивали бы поставленные цели и создавали бы такие же преимущества, как настоящее изобретение. Автоматизации процесса электродуговой сварки торцов труб известными способами требует сложного и дорогостоящего технологического оборудования и квалифицированного персонала для его обслуживания.

Способ сварки состоит в следующем. Один или несколько изолированных плавящихся электродов, выполненных в виде частей колец, зашунтированных через легко плавящиеся электропроводящие перемычки электропроводящей или электропроводящими шинами, закрепляют в один слой с зазорами в стыке труб путем их осевого сжатия, после чего вывод каждого электрода подсоединяют к одному полюсу своего источника тока, другой полюс источников тока присоединяют по меньшей мере к одной из труб. С конца электрода или электродов, противоположных их выводам, зажигают дугу, например, путем закорачивания торца электрода и трубы металлической проволокой или с помощью высокочастотного осциллятора. Плавят электрод и прилегающие к нему торцы труб, затем охлаждают сварочную ванну. После расплавления всего электрода обрывают дугу. Оставшийся не сваренным участок или участки стыка между торцами электродов в несколько дуговых градусов сваривают вручную плавящимся прутковым электродом.

Отличительными признаками способа являются: форма выполнения изолированного электрода или электродов и их размещение в стыке между торцами труб, шунтирование электрода или электродов через легко плавящиеся электропроводящие перемычки электропроводящими шинами и сваривание не сваренных частей стыка труб вручную с помощью плавящегося пруткового электрода.

Устройство для сварки содержит: один или несколько изолированных электродов каждый с одним выводом, шунтирующие шины с выводами и электропроводящими перемычками с электродами, а также изоляторы.

Электроды выполнены из металла изолированными, в виде частей колец со средним радиусом, равным среднему радиусу свариваемых труб, шириной не меньше или равной толщине стенок труб. Шунтирующие шины выполнены из хорошо проводящего металла или сплава металлов. Перемычки выполнены из легко плавящегося металла или сплава металлов, которыми замыкают шину на электрод через равные отрезки его длины. Выводы электрода и шины соединены. Изоляторы выполняются из диэлектрика, устанавливаются на шине и изолируют шину от свариваемых труб.

Отличительными признаками устройства являются: шунтирующая или шунтирующие шины, перемычки, изоляторы и форма выполнения изолированного электрода или электродов.

Устройство для сварки стыков металлических труб и способ его функционирования поясняются чертежами.

На фиг. 1 представлено двухэлектродное устройство для сварки торцов металлических труб трубопроводов (вид по оси) в положении, которое оно занимает в стыке труб при сварке.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение по линии А-А устройства, представленного на фиг. 1.

На фиг. 3 представлено двухэлектродное устройство для сварки торцов металлических труб трубопроводов (вид сбоку), установленное в стыке труб.

На чертежах введены обозначения:
1 - плавящийся электрод;
2 - электроизолирующее покрытие электрода;
3 - шунтирующая шина;
4 - легкоплавкая перемычка;
5 - вывод электрода;
6 - вывод шунтирующей шины;
7 - изолятор;
8 - устройство для сварки торцов металлических труб трубопроводов;
9 - источник сварочного электрического тока (ИТ);
10 - металлическая труба.

Электрод 1 выполняется из металла свариваемых частей изделия или специально подобранного сплава. По форме электрод 1 выполнен в виде части кольца с центральным углом ϕ , удовлетворяющим неравенству (1)
ϕ < 360^o/N,
где N - количество электродов, укладывающихся на одном стыке труб с зазорами.

Знак "<" обозначает - меньше на несколько (2-10^o) дуговых градусов. Ширина электрода равна или больше толщины стенок свариваемых труб, а средний радиус - равен среднему радиусу трубы. Толщина электрода много меньше (в 5 и более раз) его ширины.

Электроизолирующее покрытие 2 электрода 1 выполняется из изоляционного материала, например из мелкоразмолотого сварочного флюса, приготовленного с использованием раствора силиката натрия. Толщина изолирующего покрытия должна быть много меньше (в 5 и более раз) толщины электрода 1.

Шунтирующая шина 3 выполняется из хорошего проводника (меди, ее сплавов или алюминия). Ее электросопротивление должно быть много меньше (в 5 и более раз) электросопротивления электрода 1 между перемычками 4. Шина 3 выполнена в виде части кольца с центральным углом меньше ϕ и средним радиусом больше среднего радиуса трубы плюс половины толщины трубы и шины.

Перемычка 4 выполняется из легкоплавкого металла или сплава металлов (с температурой плавления 200 - 600^oC), например соединений свинца и олова или алюминия. Значения электросопротивления шунтирующей шины R_ш, электросопротивления перемычки R_п, электросопротивления электрода R_э и количество n перемычек на одном электроде должны удовлетворять неравенству (2)
(R_ш + R_п) < R_э/n.

Количество n перемычек на одном электроде должно быть таким, чтобы в процессе сварки потери мощности на нагрев электрода не превышали 5% от мощности, необходимой для проведения сварки, и не приводили к его расплавлению за счет тепла, выделяемого в нем по закону Джоуля-Ленца.

Вывод 5 является одним из концов электрода 1 и не изолирован.

Вывод 6 является одним из концов шунтирующей шины 3.

Изолятор 7 выполняется из керамики или другого диэлектрика, выдерживающего большие температуры (свыше 1000^o). Эти изоляторы устанавливаются на шине и предотвращают замыкание шунтирующей шины на трубу.

Источником 9 сварочного электрического тока может служить, например, источник постоянного электрического тока, содержащий многофазный силовой трансформатор, блок силовых тиристоров, схему фазового управления тиристорами с резистором, регулирующим величину тока нагрузки, и блок обратной связи (Никифоров Г. Д. и др. Технология и оборудование сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1986, с. 254-257). Число источников 9 равно числу электродов 1.

Труба 10 выполняется из металла: стали, меди, алюминия и т.п.

Устройство 8 для сварки торцов металлических труб трубопроводов содержит (фиг. 1): два электрода 1, выполненных из металла свариваемых труб, покрытых электроизоляционным покрытием 2 из мелкоразмолотого сварочного флюса, две алюминиевые шунтирующие шины 3, шесть алюминиевых перемычек 4, два вывода электродов 5 и два вывода шунтирующих шин 6.

Выводы одного электрода 1 и шунтирующей шины 3 соединены с полюсом одного источника тока 9, а выводы другого электрода и шунтирующей шины соединены с полюсом другого источника тока 9. Вторые полюса источников тока соединены со свариваемыми трубами (фиг. 3).

Сварка по настоящему изобретению производится следующим образом. В стыке торцов свариваемых труб 10 неподвижно, путем осевого усилия Q, закрепляют устройство 8, как показано на фиг. 3. При этом электроды 1 зажаты в стыке труб с зазорами и не контачат друг с другом (фиг. 1), а поверхности электродов и стыка совпадают. К выводам 5 и 6 электродов и шунтирующих шин присоединяют по одному полюсу источников тока 9, вторые полюса которых соединяют, по меньшей мере с одной из труб 10 (фиг. 3).

Между торцами электродов 1 и свариваемыми трубами 10 возбуждают электрические дуги путем закорачивания электродов металлической проволокой на одну из труб. На источниках тока 9 устанавливают значения токов и напряжений, которые соответствуют требуемому для сварки значению мощности источника тока. После возбуждения электрической дуги она плавит электрод и поверхности торцов труб и образует в стыке сварочную ванну. Дуга автоматически, самопроизвольно, с большой скоростью перемещается вдоль торца электрода. Сварочная ванна с существенно меньшей скоростью перемещается вдоль стыка. После ее охлаждения образуется сварной шов. Расплавленный металл в сварочной ванне удерживается благодаря силам поверхностного натяжения и быстрого его охлаждения на краях стыка. Когда сварочная ванна подходит к концу электрода, электрическая дуга гаснет в результате самопроизвольного обрыва. Не сваренными остаются небольшие участки стыка - зазоры между электродами (несколько угловых градусов), которые сваривают вручную плавящимся прутковым электродом.

Требуемое значение мощности для сварки определяется по необходимому значению избыточного давления паров металла в сварочной ванне в зависимости от материала свариваемого изделия. Это давление определяют экспериментально. По значению избыточного давления и площади поперечного сечения электрода определяют минимально необходимую для сварки одним электродом мощность источника тока по формуле (3)
q = cFP_ме/G (Вт),
где c - скорость звука в материале электрода, см/с;
F - площадь поперечного сечения электрода, см²;
P_ме - значение избыточного давления паров металла, г/см²;
G - безразмерный коэффициент Грюнейзена.

Необходимая для электродуговой сварки мощность (q) источника 9 электрического тока зависит от требуемого для автоматического процесса сварки значения избыточного давления паров расплавленного металла в сварочной ванне, площади поперечного сечения электрода 1, постоянных величин и рассчитывается по формуле (4)
q = q₂F (Вт),
где q₂ - минимально необходимая удельная мощность сварки для обеспечения самоорганизации электрической дуги при требуемом избыточном давлении паров металла в сварочной ванне;
F - площадь поперечного сечения электрода, см².

Удельную мощность сварки (q₂) определяют по формуле (5)
q₂ = cP_ме/G (Вт/см²),
где c - скорость звука в материале электрода, см/с;
P_ме - значение избыточного давления паров металла, г/см²;
G - безразмерный коэффициент Грюнейзена (для стали G=1).

Высокая концентрация мощности практически может быть достигнута только в малом объеме сварочной ванны, для чего электрод 1 должен быть тонким (1-2 мм), изолированным от свариваемых труб 10 электроизолирующим покрытием 2, толщина которого (0,1 - 0,2 мм) должна быть много меньше толщины электрода. Избыточное давление паров металла препятствует проникновению атмосферного воздуха в сварочную ванну, а следовательно, предохраняет расплавленный металл от окисления и создает условия для непрерывного горения электрической дуги. Экспериментально установлено, что автоматическая сварка происходит при избыточном давлении в 1,5-2,0 атм, в зависимости от материала труб.

Мощность сварки, значение которой определяется по формуле (4), обеспечивает энергию, достаточную для расплавления электрода 1 и торцов свариваемых труб 10, а также стабильное горение электрической дуги при автоматическом процессе сварки. Такой процесс достигается за счет высокой ионизации паров расплавленного металла и самопроизвольного возвратно-поступательного перемещения электрической дуги от одного края торца электрода к другому с частотой от 50 до 100 Гц. Значение частоты перемещения электрической дуги зависит от геометрических размеров электрода, химического состава изолирующего покрытия, теплофизических свойств свариваемых материалов и режима сварки. Автоматическое перемещение электрической дуги вдоль торца электрода 1 происходит за счет того, что при его расплавлении с одного края увеличивается зазор между ним и свариваемыми торцами труб 10, а следовательно, и электрическое сопротивление зазора. Электрическая дуга, как известно, горит в зазоре с наименьшим электрическим сопротивлением между разнополярными электродом и свариваемыми трубами, где существует наибольшая степень ионизации паров металла, поддерживающих ее горение. При соблюдении режима сварки в сварочной ванне за счет испарения металла обеспечивается избыточное давление паров расплавленного металла, которые препятствуют проникновению воздуха в ванну и тем самым защищают расплавленный металл шва от окисления. Расплавленный металл из сварочной ванны не вытекает благодаря силам поверхностного натяжения жидкого металла и быстрого его охлаждения на краях стыка.

Сварочная ванна перемещается вслед за укорочением электрода 1, расплавляемого электрической дугой, со скоростью V₃, которая равна скорости сварки. Эту скорость определяют по формуле (6)
V₃ = Kq/FS_пл (см/с),
где K - безразмерный коэффициент, значения которого лежат в пределах 0,5 - 0,8;
S_пл - теплосодержание расплавленного металла, Дж/см³.

При значении коэффициента K меньше 0,5 электрическая дуга может погаснуть, а при значении больше 0,8 увеличивается расход мощности источника тока.

Теплосодержание S_пл расплавленного металла определяется по формуле (7)
S_пл = g(CT_пл + Z_пл) (Дж/см³)
где g - плотность металла электрода, г/см³;
C - теплоемкость электрода, Дж/гр. (гр. - градусы Кельвина);
T_пл - температура плавления металла электрода, гр. Кельвина;
Z_пл - теплота плавления металла электрода, Дж/г.

Окончательно математическое выражение (8) для скорости сварки, с учетом формул (3), (5), (6) и (7), записывается в виде
V₃ = cKP_ме/Gg(CT_пл + Z_пл) (см/с).

Расплавленный металл за перемещающейся сварочной ванной охлаждается путем передачи трубам тепла ванны, образуя сварной шов. В конце стыка происходит самопроизвольный обрыв электрической дуги из-за увеличения расстояния между электродом 1 и торцами труб 10. В результате, сварка изделия осуществляется автоматически за один проход. Оставшиеся не сваренными участки стыка малой угловой ширины свариваются вручную с помощью пруткового плавящегося электрода.

Способ может быть использован при сварке трубопроводов. Закрепляют неподвижно в стыке между свариваемыми трубами плоский изолированный электрод с выводом. Электрод выполнен в виде части кольца со средним радиусом, равным среднему радиусу свариваемых труб. Ширина его равна толщине стенок труб. Шунтируют электрод хорошо проводящей шиной через легкоплавкие перемычки. Между электродом и свариваемыми трубами возбуждают электрическую дугу. На источнике тока устанавливают значение тока и напряжения в соответствии с требуемой мощностью. Плавят сердечник и торцевые поверхности труб. Величину мощности определяют по формуле в зависимости от необходимого значения избыточного давления паров металла. Электрическая дуга автоматически самопроизвольно перемещается вдоль торца сердечника. Охлаждают расплавленный металл сварного шва. Оставшиеся несваренными участки стыка сваривают плавящимся прутковым электродом. Устройство для электросварки содержит плоский плавящийся изолированный электрод с выводом. Легкоплавкие перемычки соединяют электрод и шунтирующую шину с выводом. Электрод и шина выполнены в виде части кольца с центральным углом ϕ < 360^o/N, где N - количество электродов, укладывающихся на одном стыке труб. Значения электросопротивления шунтирующей шины R_ш, перемычки R_п и электрода R_э связаны неравенством (R_ш + R_п) < P_э/n, где n - количество перемычек на одном электроде. Изобретение позволяет упростить процесс сварки труб и повысить качество. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ электродуговой сварки плавящимся электродом, при котором закрепляют неподвижно относительно двух свариваемых труб по меньшей мере один изолированный электрод с выводом, присоединяют его к выводу одного полюса источника тока, второй полюс которого присоединяют к одной или обеим трубам, возбуждают электрическую дугу между электродом и свариваемыми трубами, обеспечивая возвратно-поступательное перемещение дуги вдоль торца электрода, и формируют сварное соединение посредством самопроизвольного перемещения сварочной ванны и охлаждения расплавленного металла, отличающийся тем, что каждый электрод выполняют в виде части кольца с центральным углом ϕ, удовлетворяющим неравенству
ϕ < 360^o/N,
где N - количество электродов, укладывающихся на одном стыке свариваемых труб,
со средним радиусом, равным среднему радиусу свариваемых труб, шириной, равной толщине стенок труб, размещают электрод в стыке труб, шунтируют его хорошо проводящей шиной через легкоплавкие перемычки, при этом предварительно определяют необходимую для сварки мощность источника тока по формуле
q = c • F • P_мe / G (Вт),
где c - скорость звука в материале электрода, см/с;
F - площадь поперечного сечения электрода, см²;
P_мe - значение избыточного давления паров металла, г/см²;
G - безразмерный коэффициент Грюнейзена,
устанавливают на источнике тока значения тока и напряжения, соответствующие рассчитанной мощности, а после окончания процесса оставшиеся несваренными участки стыка сваривают плавящимся прутковым элементом. 2. Устройство для электродуговой сварки, содержащее по меньшей мере, один плавящийся электрод с выводом, отличающееся тем, что каждый электрод изолирован и снабжен шунтирующей шиной с выводом и легкоплавкими перемычками, при этом каждый электрод и шина выполнены в виде части кольца с центральным углом ϕ, удовлетворяющим неравенству
ϕ < 360^o / N,
где N - количество электродов, укладывающихся на одном стыке труб,
а значения электросопротивления шунтирующей шины R_ш, электросопротивления перемычки R_n и электросопротивления электрода R_э связаны неравенством:
(R_ш + R_n) < R_э/n,
где n - количество перемычек на одном электроде.