СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 2005 года по МПК B23K9/167 B23K103/10 

Изобретение относится к сварке в защитных газах, преимущественно неплавящимся электродом, и может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из алюминия и его сплавов.

Одним из наиболее распространенных дефектов при сварке неплавящимся электродом алюминиевых сплавов являются окисные включения, существенно снижающие работоспособность сварных соединений. Окислы, находящиеся на поверхности свариваемых кромок, препятствуют установлению металлической связи между соединяемыми поверхностями, что приводит к образованию несплошностей, а следовательно, к нарушению герметичности сварного соединения.

Известен способ дуговой сварки алюминия неплавящимся электродом (патент СССР №1809798, кл. МКИ В 23 К 9/167, опубл. БИ №14, 1993 г.), при котором процесс осуществляется на постоянном токе обратной полярности в инертном газе и на дуговой промежуток периодически подают два разнополярных импульса напряжения, первый из которых прямой полярности, продолжительностью (1-10)×10^-4 с и напряжением, по амплитуде превышающем 50 В, а второй, следующий сразу по окончании первого - обратной полярности, продолжительностью (6-8)×10^-5 с и напряжением, по амплитуде превышающем 150 В, причем частота f подаваемых импульсов связана с силой сварочного тока I неравенством

Однако из-за повышенной подвижности катодного пятна на поверхности алюминиевой заготовки пространственная устойчивость дуги обратной полярности недостаточна, что снижает ее проплавляющую способность и затрудняет применение. Этот недостаток особенно проявляется при сварке малоамперной дугой, когда величина тока не превышает 30 А. Повышение проплавляющей способности и стабильности дуги между неплавящимся электродом и алюминием в описанном способе основано на том, что пространственная устойчивость ее на прямой полярности значительно выше, чем на обратной. Применение постоянного тока обратной полярности также обуславливает высокий уровень качества катодной очистки. Однако при сварке на постоянном токе обратной полярности на электроде выделяется значительное количество теплоты, что обуславливает крайне низкую стойкость вольфрамовых анодов. Быстрое оплавление и разрушение электрода приводит к появлению в сварном шве вольфрамовых включений, что ведет к снижению механических свойств полученных соединений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сварки алюминия и его сплавов неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности в гелии (Будник В.П. Особенности сварки алюминиевых сплавов на постоянном токе при прямой полярности // Автоматическая сварка. - 2003. - №1. - С.38-39). В способе реализуется механизм термического разрушения окисных плен на поверхности сварочной ванны. Данный эффект может быть достигнут только при высокой концентрации энергии, которая обеспечивается применением в качестве защитного газа гелия. Достоинством этого способа, в сравнении с вышеописанным, является высокая стойкость неплавящихся электродов при сварке на постоянном токе прямой полярности, что исключает появление вольфрамовых включений в полученном сварном соединении.

Однако реализация данного процесса затруднена при сварке тонколистового алюминия, когда мощность дуги невелика, а поверхность ванны ограничена малыми размерами. Вследствие этого происходит лишь частичное разрушение окислов, значительная часть которых попадает в сварной шов, что вызывает появление в последнем неметаллических включений и несплавлений.

Термическое разрушение окисной пленки осуществляется при весьма короткой дуге, в связи, с чем велик риск коротких замыканий при ручной дуговой сварке. Данную особенность процесса также следует отнести к недостаткам описанного способа сварки.

Задачей изобретения является повышение качества очистки свариваемой поверхности от тугоплавких окислов.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение механических свойств сварных соединений.

Это достигается тем, что в способе дуговой сварки алюминия и его сплавов неплавящимся электродом, при котором процесс осуществляют на постоянном токе прямой полярности в инертных газах, на дуговой промежуток подают импульсы напряжения обратной полярности, причем напряжение импульсов составляет не менее 200 В, а их длительность τ_и выбирают из соотношения

где f - частота импульсов.

На выбор параметров импульсов тока обратной полярности оказывают влияние несколько факторов.

Выбор соотношения f и τ_и оказывает существенное влияние на качество катодной очистки. Наилучшие результаты катодной очистки достигаются в диапазоне частот подаваемых импульсов от 100 до 1000 Гц. При этом с увеличением частоты f происходит существенное снижение требуемой длительности импульсов обратной полярности. Следует учитывать, что чрезмерно высокие длительности импульсов тока обратной полярности приводят к повышению тепловой нагрузки на неплавящийся электрод и как следствие: 1) нарушению пространственной устойчивости дуги; 2) необходимости частых перезаточек неплавящихся электродов и появлению в сварном шве вольфрамовых включений.

Поэтому следует отдавать предпочтение минимальным значениям τ_и из рассчитанного по формуле диапазона.

При увеличении частот свыше 1000 Гц полученные значения длительности импульсов не позволяют сформироваться дуговому разряду, что ведет к снижению качества катодной очистки. При использовании частот ниже 20 Гц применение импульсов не эффективно в связи с высокой тепловой нагрузкой на неплавящийся электрод и как следствие, снижением его стойкости.

В указанном соотношении частот и длительности формирование катодных процессов в импульсах обратной полярности обеспечивается при подаче на дуговой промежуток напряжения свыше 200 В. Связанно это с высоким напряжением возбуждения (порядка 130-150 В) дуги в гелии. Напряжение подаваемых импульсов должно скомпенсировать также напряжение холостого хода источника постоянного тока. При меньшей амплитуде импульса происходит кратковременное гашение дуги прямой полярности, и после паузы ее последующее возбуждение. При этом не происходит катодного распыления окислов на поверхности свариваемых кромок.

Уровень катодной очистки зависит также от величины тока в импульсах. В зависимости от конкретных условий сварки амплитуда импульсов тока τ_и может, как превышать, так и быть ниже величины тока прямой полярности I_пр. На практике должно выполняться соотношение 0,5I_пр≤I_и≤30I_пр. Верхний предел тока в импульсах ограничен эрозией рабочего участка электрода.

Высокая скорость изменения напряжения и тока в импульсах не нарушает пространственной устойчивости дуги. Как следствие, концентрация вводимой в свариваемый металл тепловой энергии сохраняется высокой. Кроме того, применение катодного распыления окислов алюминия позволяет снизить минимально необходимую погонную энергию для образования сварного соединения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизны» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

На практике предложенный процесс может быть реализован путем подачи на дуговой промежуток импульсов обратной полярности от дополнительного источника, их генерирующего. Генератор импульсов подключается параллельно сварочному выпрямителю, что требует установки низкочастотного и высокочастотного фильтров на выходе последнего, препятствующих шунтированию генерируемых импульсов через силовой выпрямительный блок. Величина сварочного тока и скорость сварки устанавливаются в соответствии с размерами свариваемых элементов, с учетом того, что энергия поступаемая от импульсов тока обратной полярности может достигать 30% от суммарного теплового потока в свариваемый металл.

При выборе соотношения частоты и длительности импульсов тока следует руководствоваться следующим. Повышение частоты и, как следует из расчета уменьшение длительности импульсов, приводят к повышению пространственной устойчивости дуги, улучшению качества катодной очистки при заметном сужении ширины ее зоны и повышению концентрации вводимой в зону сварки энергии. Вследствие этого на выбор частоты и длительности подаваемых импульсов косвенное влияние оказывает толщина свариваемого материала и размеры сварочной ванны. При сварке алюминия толщиной до 2 мм следует отдавать предпочтение максимальным частотам из указанного выше диапазона (100...1000 Гц), причем с увеличением толщины частота подаваемых импульсов должна снижаться, а их длительность увеличиваться. Критерием выбора длительности импульсов может служить требуемая ширина зоны катодной очистки свариваемой поверхности. Установлено, что окисные пленки в сварном шве отсутствуют, если ширина зоны катодной очистки на 0,5-1 мм превышает ширину шва. Увеличение длительности импульсов до параметров, обеспечивающих более высокие значения ширины зоны очистки, нецелесообразно по причине снижения стойкости электродов и концентрации вводимой энергии.

Следуя из этих соображений, при сварке металлов толщиной более 2 мм наиболее эффективно применение импульсов частотой 20...100 Гц.

Независимо от толщины свариваемого материала необходимо стремиться к минимально возможным из рассчитанного по формуле диапазона длительностям, обеспечивающим необходимую ширину зоны катодной очистки.

Эксперименты показали, что наиболее эффективно применение разработанного способа при сварке тонколистового алюминия когда величина тока дуги не превышает 30-50 А, а термическое разрушение окисных плен неэффективно. Сочетая в себе достоинства сварки на переменном и постоянном токе прямой полярности, предлагаемый способ обеспечивает высокое качество очистки свариваемых поверхностей, а также высокую устойчивость и проплавляющую способность дуги.

Пример. Выполняли сварку неплавящимся электродом в инертном газе образцов из алюминия марки АД1 толщиной 0,9 мм на постоянном токе прямой полярности, и предлагаемым способами. Условия и результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Условия и результаты экспериментов по сварке алюминия марки АД1Способ сваркиПараметры режима сваркиРод и расход газаСвойства соединенийпрочность на разрыв, σ_в, МПакоэффициент прочности, ПрототипI_св=35 А
V_св=12 м/чгелий, 10 л/мин62,40,78ПредлагаемыйI_св=22 А
I_и=90 А
U_и=290 В
τ_и=0,55 мс f=100 Гц V_св=12 м/ч74,60,93Примечание - Предел прочности основного металла σ_{в осн}=80 Мпа.

Данные таблицы свидетельствуют, что предлагаемый способ позволяет повысить механические свойства сварного соединения за счет более высокого качества очистки свариваемых поверхностей. При сварке с применением импульсов тока обратной полярности качество формирования шва не снижается. Уровень механических свойств сварных соединений при сварке по предлагаемому способу выше: прочность на разрыв σ_в повышается в 1,2 раза, что позволяет говорить о более высоком качестве сварки в целом.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области сварки;

- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств;

- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость».

Изобретение относится к сварке в защитных газах, преимущественно неплавящимся электродом, и может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из алюминия и его сплавов. При дуговой сварке в защитных газах на постоянном токе прямой полярности на дуговой промежуток периодически подаются кратковременные импульсы тока обратной полярности. Подача импульсов осуществляется от генератора, подключаемого параллельно основному источнику постоянного тока. Напряжение импульсов составляет не менее 200 В, а их длительность τ_и выбирают из соотношения где f - частота импульсов. Применение способа позволит повысить качество очистки свариваемой поверхности от тугоплавких окислов и, как следствие, повысить механические свойства сварных соединений. 1 табл.

Способ дуговой сварки алюминия и его сплавов неплавящимся электродом, при котором процесс осуществляют на постоянном токе прямой полярности в инертных газах, отличающийся тем, что на дуговой промежуток периодически подают импульсы напряжения обратной полярности, причем напряжение импульсов составляет не менее 200 В, а их длительность τ_и выбирают из соотношения где f - частота импульсов.