СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 2003 года по МПК B23K9/73 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к электродуговой сварке при изготовлении сварных конструкций ответственного назначения.

Актуальность проблемы вызвана низкой устойчивостью дуги при сварке сварных стыков в труднодоступных местах и сложной геометрией.

Известен способ импульсной дуговой сварки плавящимся электродом "длинной дугой" - без замыканий дугового промежутка [1]. При реализации данного способа подачу сварочного напряжения на электрод и дугу производят от специального источника питания. Благодаря этому же источнику производят подачу импульсов тока на дугу с частотой 50-100 Гц и амплитудой, превышающей средний сварочный ток в 3-5 раз в процессе сварки. Так как процесс импульсной дуговой сварки основан на оптимальном (точном) подборе режимов сварки, при котором каждой величине сварочного тока должна соответствовать определенная предельная частота наложения импульсов тока, однако, наложение на дугу импульсов с частотой выше предельной приводит либо к перерывам в горении дуги, либо к неуправляемому переносу металла. Ввиду того, что при импульсной дуговой сварке происходит наложение на дуговой разряд значительно мощных импульсов тока, скорость полета капли может достигнуть скорости 8 м/с. Удар таких капель о сварочную ванну вызывает разбрызгивание металла и образование околошовных выплесков. Такое возмущающее действие оказывает нежелательное влияние на устойчивость и непрерывность горения дуги. Несмотря на это большая скорость полета капли оказывает и положительное влияние, особенно при сварке в вертикальном и потолочном положениях. Металл сварного шва кристаллизуется отдельными слоями, поэтому он имеет более высокие механические свойства, чем при сварке на постоянном токе. Оборудование для импульсной дуговой сварки имеет большие массогабаритные показатели, поэтому этот способ сварки практически непригоден для условий монтажа.

Известен способ ручной дуговой сварки постоянным током [2], взятый за прототип, заключающийся в том, что процесс сварки проводится покрытыми электродами и на постоянном токе.

Для повышения устойчивости дуги при ручной дуговой сварке в нее вводят элементы с низким потенциалом ионизации путем применения электродов со специальным покрытием. Пары веществ ионизаторов попадают в зону катода, понижают его работу выхода, что снижает катодное падение напряжения, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом, но при этом появляется существенный недостаток, заключающийся в том, что при введении ионизаторов уменьшается мощность, выделяемая в приэлектродных областях, и растет энергия потерь в столбе дуги. Все это приводит к уменьшению глубины проплавления в металле изделия.

Пониженная устойчивость горения дуги приводит к ухудшению микро- и макроструктуры металла сварного шва.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение устойчивости горения дуги, глубины проплавления и повышения качества сварного шва.

Поставленная цель достигается тем, что при наложении на дуговой разряд постоянного тока, высокочастотного напряжения в нем возникает SKIN-эффект, то есть высокочастотный ток от дополнительного устройства, обеспечивающего наложение высокочастотного напряжения, течет по поверхности столба дуги, образованного основным сварочным током. При этом вихревое электрическое поле самоиндукции, возникающее в дуге при прохождении по ее поверхности высокочастотного тока, противодействует изменению основного сварочного тока. Другими словами, высокочастотное напряжение, наложенное на дуговой разряд, способствует его стабилизации и повышению его устойчивости.

Высокочастотное поле устраняет направленное движение носителей заряда, что приводит к увеличению времени их пребывания в SKIN-области и уменьшению числа актов ионизации и рекомбинации на каждый разряд.

Уменьшение актов ионизации и рекомбинации в SKIN-области или, другими словами, в периферийной области дугового разряда приведет к понижению температуры этой области. Этот процесс вызывает появление эффекта контрагирования дугового разряда (обжатия). При этом, изменяя частоту дополнительного высокочастотного напряжения, регулируют диаметр столба дугового разряда.

Эффект контрагирования дуги приводит к увеличению концентрации тепловой энергии в ней и, следовательно, к увеличению глубины проплавления.

Дуговой разряд с наложенным высокочастотным напряжением обладает очень высокой устойчивостью.

Электромагнитное поле высокой частоты обеспечивает формирование мелкозернистой структуры металла сварного шва с высокими механическими свойствами. Достигают это тем, что дуговой разряд с наложенным высокочастотным напряжением производит динамическое воздействие на жидкий металл сварочной ванны. При этом происходит периодическое встряхивание жидкого металла шва с частотой, равной частоте приложенного высокочастотного напряжения. Это улучшает условия первичной кристаллизации металла шва, а также способствует измельчению дендритов в нем.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В сварочную цепь параллельно штатному источнику постоянного тока 1 подключают дополнительное малогабаритное устройство 2, обеспечивающее наложение высокочастотного низковольтного напряжения. На электрод 3 подается одновременно постоянное напряжение от источника 1 и высокочастотное низковольтное напряжение от дополнительного устройства 2. Дуговой разряд 4 между электродом 3 и изделием 5 возбуждается контактным методом. В процессе сварки происходит наложение высокочастотного напряжения на дуговой разряд.

Изменяя частоту наложенного напряжения (20000±120000 Гц), регулируют диаметр столба дуги и его разрывную длину.

Предлагаемый способ сварки может проводиться во всех пространственных положениях и даже позволяет производить переход из одного пространственного положения в другое без обрыва дугового разряда. Длина дуги при данном способе сварки превышает в 1,7-3 раза длину дуги при ручной дуговой сварке покрытыми электродами на постоянном токе, а глубину проплавления минимум в 1,5 раза.

Существенные отличительные признаки в совокупности с известными способами обеспечивают возможность предлагаемому способу дуговой сварки надежно осуществлять процесс сварки при проведении его во всех пространственных положениях без обрыва дугового разряда, а также при изготовлении сварных конструкций ответственного назначения.

Источники информации
1. Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н., Ленивкин В.А. Оборудование для импульсной дуговой сварки плавящимся электродом. М.: Эгергоатомиздат, 1985, с.80.

2. Теория сварочных процессов. Учебник для вузов. Под ред. Фролова В.В. М.: Высшая школа, 1988, с. 559.

Изобретение относится к способу электродуговой сварки покрытыми электродами и может найти применение при изготовлении конструкций ответственного назначения. Осуществляют подачу постоянного сварочного напряжения и тока на электрод и дугу и зажигание дуги контактным методом. Дополнительно производят наложение на дугу высокочастотного низковольтного напряжения, инициируют в периферийной зоне дугового разряда SKIN-эффект. При этом число актов ионизации и рекомбинации на каждый разряд уменьшают с последующим понижением температуры в области протекания SKIN-эффекта и контрагированием дуги. Способ позволяет повысить устойчивость дуги, увеличить глубину проплавления сварного шва, повысить качество шва за счет получения мелкозернистой структуры. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дуговой сварки, включающий подачу постоянного сварочного напряжения и тока на электрод и дугу, зажигание дуги контактным методом, отличающийся тем, что дополнительно производят наложение на дугу высокочастотного низковольтного напряжения, инициируют в периферийной зоне дугового разряда SKIN-эффект, при этом число актов ионизации и рекомбинации на каждый разряд уменьшают, с последующим понижением температуры в области протекания SKIN-эффекта и контрагированием дуги. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту наложенного высокочастотного напряжения изменяют в диапазоне 20000 - 120000 Гц. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что изменяют диаметр столба дугового разряда, изменяя частоту высокочастотного напряжения.