СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 2005 года по МПК B23K9/173 

Изобретение относится к методам соединения металлов сваркой в защитных газах и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций.

Важной разновидностью переноса электродного металла в защитных газах на основе аргона является струйный перенос. Этот вид переноса характеризуется практическим отсутствием разбрызгивания электродного металла, устойчивостью процесса сварки, отличным формированием швов, поэтому наиболее широко используется на практике. Струйный перенос электродного металла на обратной полярности определяется в первом приближении силой критического сварочного тока I_кр и соответствующий ей диаметром электродной проволоки d_э.

Известен способ сварки металлов [1, 2], при котором сварку ведут на критическом сварочном токе, величину которого определяют I_кр по эмпирическому соотношению вида

где n=1 в случае сварки алюминиевых сплавов, n=0,5 - для коррозионно-стойкой стали. Это соотношение может быть использовано только при известной из опыта силе критического тока I_кр1 в случае применения одного и того же материала электродной проволоки с целью нахождения I_кр2 для вновь заданного d_э2.

Недостатком этого способа является ограниченность применения (только для двух материалов) и обязательность экспериментальных исследований для нахождения хотя бы одной точки (I_кр1, d_э1) в пространстве технологических параметров, в котором осуществим струйный перенос электродного металла. Также указанный способ не учитывает влияние теплофизических свойств свариваемых материалов на характер переноса электродного металла. Указанное техническое решение не учитывает такой важный параметр процесса как вылет электрода, оказывающий существенное влияние на процесс его плавления.

Наиболее близким к заявленному является способ [3], при котором для определения силы критического тока используют зависимость

где c, ρ, γ, α - удельные теплоемкость, сопротивление, плотность и температурный коэффициент электрического сопротивления, j - плотность тока в электроде, k_кp - постоянная, равная удельной тепловой мощности, выделяющейся в вылете от нагрева протекающим током на единицу длины вылета.

Недостатком известного технического решения является невозможность его применения в тех случаях, для которых не известна скорость подачи электродной проволоки, а на практике величина скорости подачи жестко связана с током. Поэтому формула (2) не может быть широко использована.

Технический результат - расширение технологических возможностей способа сварки, исключение трудоемких экспериментов, сокращение затрат на экспериментальное определение величины силы критического сварочного тока.

Технический результат достигается тем, что сварку в смесях газов на основе аргона ведут на критическом токе, определяемом для каждого диаметра электродной проволоки, при этом рассчитывают силу критического сварочного тока с учетом теплофизических свойств металла электрода и его размеров - диаметра и вылета по формуле

где I_кр - сила критического тока, А; γ - плотность металла электрода, г/м³; ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом·м; L_э - вылет электрода (d_э диаметр электрода), м; Н - скрытая теплота плавления, Дж/кг; σ - поверхностное натяжение, Н/м; x₁, x₂, х₃, x₄, х₅ - экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств металла электрода и его размеров - диаметра и вылета.

Сущность изобретения заключается в том, что полученная зависимость учитывает влияние теплофизических свойств металлов сварочных проволок, диаметра и вылета электрода на момент наступления струйного переноса электродного металла через дуговой промежуток.

Для учета влияния теплофизических свойств сварочных проволок на явление наступления струйного переноса, характеризующейся величиной критического тока I_кр, исследовали процесс методами теории подобия и моделирования. Процесс плавления электрода, а затем переход к струйному переносу имеет следующие характерные величины. Нагрев вылета электрода, как известно, производится в основном двумя источниками теплоты, во-первых, протекающим по проводнику сварочным током, во-вторых, - анодной областью дуги. Процесс нагрева протекающим по вылету сварочным током определяется величиной удельного электрического сопротивления и размерами (площадь сечения и длина) вылета электрода как проводника. Сила тока и площадь сечения электрода связаны плотностью тока. Второй источник теплоты - анодное падение напряжения. Распределение тепла по вылету определяется теплоемкостью и теплопроводностью металла. Процесс формирования капель на торце электрода, кроме электродинамических сил, учитываемых нами плотностью тока, определяется силами поверхностного натяжения, тяжести (следовательно, плотностью материала электрода). Важной величиной, характерной для процесса плавления, является энтальпия электродных капель, которая, в свою очередь, зависит от удельной теплоемкости, температур плавления и кипения материала электрода, а также от его скрытой теплоты плавления. Известно, что сумма анодного падения напряжения и работы выхода электрода для различных металлов и газов близки, поэтому в проводимом анализе не используется. На основании этого анализа составлена функциональная зависимость между девятью величинами

где γ - плотность вещества, кг/м³; Т - температура плавления, К; ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом·м; L_э - длина вылета (или d_э диаметр электрода), м; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг·К), I_кр - сила критического тока, A; j - плотность критического сварочного тока, А/мм²; Н - скрытая теплота плавления, Дж/кг; σ - поверхностное натяжение, н/м; λ - теплопроводность, Вт/(м·К).

После раскрытия функциональной зависимости методами матричного анализа получили безразмерные комплексы, описывающие исследуемый процесс

и

Далее по экспериментальным данным для различных сварочных материалов были рассчитаны значения принятых безразмерных комплексов и методами регрессионного анализа между ними получили зависимость вида

Откуда получены выражения для расчета силы критического тока по теплофизическим свойствам металла электрода и его размерам - диаметру и вылету вида

Таким образом, экспериментально определяемые коэффициенты устанавливают взаимосвязь между критическим током, теплофизическими свойствам металла электрода и его размерам - диаметром и вылетом. Что позволяет без экспериментальных исследований быстро настраивать сварочную аппаратуру и проводить сварку со струйным переносом электродного металла.

Ниже приведены примеры реализации способа. Эксперименты проводились с использованием сварочного автомата тракторного типа АДГ-502 с источником питания ВДУ-504. Момент наступления струйного переноса электродного металла определяли визуально и с помощью осциллографирования процесса прибором БСП - 307/3.

Пример 1. Производится сварка меди в аргоне. Диаметр электродной проволоки 0,0012 м, вылет - 0,015 м. Принятые теплофизические свойства металла электрода: плотность γ=8930 кг/м³; удельное электрическое сопротивление ρ=61·10^-9 Ом·м; скрытая теплота плавления Н=200·10³ Дж/кг; поверхностное натяжение σ=1,3 Н/м, экспериментально определяемые коэффициенты x₁=10,21, x₂=0,671, x₃=1,673, x₄=0,019, x₅=0,173. Рассчитанная сила критического сварочного тока - 141±5 А.

Были проведены эксперименты: производилась сварка в аргоне (высшего сорта ГОСТ 10157) проволокой M1 ГОСТ 16130 диаметром 1,2 мм при вылете 13 - 15 мм. Силу сварочного тока изменяли от 100 до 150 А. Установлено, что сила критического сварочного тока в этом случае составляет 135-140 А. Полученные результаты соответствуют также экспериментальным данным работы [4].

Пример 2. Производится сварка меди в аргоне. Диаметр электродной проволоки 0,0025 м, вылет - 0,03 м. Принятые теплофизические свойства металла электрода: плотность γ=8930 кг/м³; удельное электрическое сопротивление ρ=61·10^-9 Ом·м; скрытая теплота плавления Н=200·10³ Дж/кг; поверхностное натяжение σ=1,3 Н/м; экспериментально определяемые коэффициенты x₁=10,21, x₂=0,671, x₃=1,673, x₄=0,019, x₅=0,173. Рассчитанная сила критического сварочного тока - 231±5 А.

Проведенные эксперименты (проволока M1 ГОСТ 16130 диаметром 2,5 мм при вылете 28 - 33 мм, аргон высшего сорта ГОСТ 10157) показали, что сила критического сварочного тока в этом случае составляет 230-250 А. Полученные результаты соответствуют также экспериментальным данным работы [4].

Пример 3. Производится сварка алюминия в аргоне. Диаметр электродной проволоки 0,0016 м, вылет - 0,015 м. Принятые теплофизические свойства металла электрода: плотность γ=2700 кг/м; удельное электрическое сопротивление ρ=10,8·10^-8 Ом·м; скрытая теплота плавления Н=520·10³ Дж/кг; поверхностное натяжение σ=0,9 Y/м; экспериментально определяемые коэффициенты x₁=10,21, x₂=0,671, x₃=1,673, x₄=0,019, x₅=0,173. Рассчитанная сила критического сварочного тока - 130±5 А.

Проведенные эксперименты показали (проволока СвА97 ГОСТ 7871 диаметром 1,6 мм при вылете 14 - 16 мм, аргон высшего сорта ГОСТ 10157), что сила критического сварочного тока в этом случае составляет 130-140 А. Полученные результаты соответствуют также экспериментальным данным работ [4, 5].

Пример 4. Производится сварка стали типа 18-8-Т в аргоне. Диаметр электродной проволоки Св-06Х18Н9Т 0,0012 м, вылет - 0,015 м. Принятые теплофизические свойства металла электрода: плотность γ=7240 кг/м³; удельное электрическое сопротивление ρ=80·10^-8 Ом·м; скрытая теплота плавления Н=284·10³ Дж/кг; поверхностное натяжение σ=1,75 Н/м, экспериментально определяемые коэффициенты x₁=14,01, x₂=0,715, x₃=1,715, x₄=0,145, x₅=0,215. Рассчитанная сила критического сварочного тока - 218±5 А.

Проведенные эксперименты (применялась электродная проволока Св-06Х18Н9Т диаметром 1,2 мм, вылет - 1,3 - 1,6 мм, аргон высшего сорта ГОСТ 10157) показали, что сила критического сварочного тока в этом случае составляет 195-220 А. Полученные результаты соответствуют также экспериментальным данным работ [4, 5].

Пример 5. Производится сварка низкоуглеродистой стали проволокой Св-08Г2С ГОСТ 2246 в смеси Аr+5%О₂. Принятые теплофизические свойства металла электрода: плотность γ=7200 кг/м³; удельное электрическое сопротивление ρ=15·10^-8 Ом·м; скрытая теплота плавления Н=271·10³ Дж/кг; поверхностное натяжение σ=1,71 Н/м, экспериментально определяемые коэффициенты x₁=12,80, x₂=0,74, х₃=1,741, x₄=0,223, x₅=0,241.

Для d_э=0,0016 м и вылета 0,015 м расчетная сила сварочного критического тока составляет I_кр=251±5 А, для d_э=0,002 м и вылета 0,02 м расчетная сила сварочного критического тока составляет I_кр=298±5 А.

Проведены эксперименты при сварке проволокой Св-08Г2С в смеси Аr+5% O₂ (аргон высшего сорта ГОСТ 10157, технический кислород по ГОСТ 5583, применяли смеситель газов УКП-1). При d_э=1,6 мм вылет составлял 14...16 мм, при d_э=2 мм вылет 19...21 мм. Сила сварочного тока изменялась от 150 до 350 А. Установлено, что сила критического сварочного тока в этом случае составляет - для d_э=1,6 мм и вылета 15 мм I_кр=255...280A, в случае d_э=2 мм и вылета 20 мм - I_кр=300...320 А. Полученные результаты соответствуют также экспериментальным данным работ [4, 5].

Технико-экономическое преимущество изобретения состоит в расширении технологических возможностей способа сварки, сокращении затрат на экспериментальное определение критической силы сварочного тока, при котором наступает струйный перенос электродного металла. Способ не требует капитальных затрат, может применяться для многих металлов, используемых при сварке в аргоне и газовых смесях на его основе.

Источники информации

1. Верченко В.Р. Перенос металла в дуге при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов. //Автомат. сварка. - 1958. - №11. - С.40-47.

2. Петров А.В. Перенос металла в дуге при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов. //Автомат. сварка. - 1955. - №2. - С.26-33.

3. Варуха Е.Н. Зависимость критического тока при сварке в аргоне от параметров процесса /Е.Н.Варуха, В.А.Ленивкин //Сварочное производство. - 1987. - №9. - С.36-38.

4. Патон Б.Е., Потапьевский А.Г. Виды процессов сварки //Автоматическая сварка. - 1973. - №9. - С.1-8.

5. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом, - М.: Машиностроение, 1974. - 240 с.

Изобретение относится к методам соединения металлов сваркой в защитных газах и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций. Сварку плавящимся электродом в смесях газов на основе аргона ведут на критическом токе, определяемом с учетом теплофизических свойств металла электрода и его размеров - диаметра и вылета по формуле где I_кр - сила критического тока, А; γ - плотность металла электрода, г/м³; ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом·м; L_э - вылет электрода, м; d_э - диаметр электрода, м; Н - скрытая теплота плавления, Дж/кг; σ - поверхностное натяжение, н/м; x₁, x₂, x₃, x₄, x₅ - экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств металла электрода и его размеров - диаметра и вылета. Это позволит расширить технологические возможности способа сварки, исключить трудоемкие эксперименты, сократить затраты на экспериментальное определение величины силы критического сварочного тока.

Способ сварки плавящимся электродом металлов в смесях газов на основе аргона, включающий определение силы критического сварочного тока для каждого диаметра электрода, отличающийся тем, что величину силы критического сварочного тока определяют с учетом теплофизических свойств металла электрода и его размеров - диаметра и вылета, по выражению

где I_кр - сила критического сварочного тока;

A, γ - плотность металла электрода, г/м³;

ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом·м;

L_э – вылет электрода, м;

d_э - диаметр электрода, м;

Н - скрытая теплота плавления, Дж/кг;

σ - поверхностное натяжение, Н/м;

x₁, x₂, x₃, x₄, x₅ - экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств металла электрода и его размеров - диаметра и вылета.