Способ импульсной дуговой сварки в среде защитных газов Советский патент 1993 года по МПК B23K9/16 

Изобретение относится к области сварки металлов в газозащитной среде и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Цель изобретения - повышение качества сварных швов.

На фиг.1 показана схема процесса сварки импульсной дугой с импульсной подачей газов или их смесей; на фиг.2 - схема процесса сварки импульсной дугой с импульс- ной поочередной подачей двух газов, при котором в период между импульсами подачи этих газов подают их смесь с изменяющимся составом; на фиг.З - схема процесса сварки импульсной дугой с импульсной подачей смесей газов с изменяющимся за период импульса подачи газа составом.

Сущность способа состоит в следующем.

Сварку выполняют импульсной дугой в среде защитных газов с использованием плавящегося или неплавящегося электрода. В процессе сварки в зону дуги синхронно с импульсами тока и напряжения поочередно подают различные газы и их смеси или один газ или смесь одного состава с различной скоростью, что обеспечйвает нал6жение на дугу дополнительных импульсов тока и напряжения.

ро

сь ел ю о

Изменение газовой среды осуществляют с частотой, кратной частоте основных импульсов тока, но не менее, чем в 2 раза меньшей частоты импульсов тока.

При изменении газовой среды поочередной подачей различных газов между импульсами подачи газов подают смесь этих газов, а соотношение компонентов в смеси изменяют от 0 до 100% содержания газа, подаваемого в каждом последующем импульсе. При этом длительность подачи смеси ограничивают периодом изменения тока.

При изменении газовой среды поочередной подачей смесей двух газов содержание каждого газа изменяют от 0 до 100% и наоборот за период последующего импульса.

Эффект наложения на дугу дополнительных импульсов тока и напряжения изменением газовой среды основан на том, что столб дуги представляет собой участок дугового разряда, заполненный плазмой. При этом энергия, выделяемая в столбе дуги при сварке, определяется соотношением плазмы..

Основной характеристикой физического состояния плазмы является температура. Кроме температуры, к параметрам дуги также относятся: напряженность поля столба, средняя плотность тока и эффективный радиус сечения столба. Напряженность поля столба определяется составом материала электрода и теплопроводностью газа в интервале температуры горения плазмы. Средняя плотность тока определяется током сварки и потенциалом ионизации газа, а эффективный радиус сечения столба зависит от диаметра электрода, энергетических параметров режима и также теплофизиче- ских свойств газа.

При дуговой сварке в газозащитной среде конкретного изделия состав паровой фазы и энергетические параметры режима постоянны и мало влияют на состав плазмы и ее температуру. В основном, температура плазмы будет зависеть- от физических свойств газов в дуговом промежутке. Из физических показателей газов наиболее существенными являются потенциал ионизации и теплопроводность. Для приближенных оценок средней температуры Td в центре столба дуги справедливо соотношение:

(),

где А - коэффициент пропорциональности, постоянная величина;

Vi - потенциал ионизации газа в дуговом промежутке,эВ;

А- коэффициент теплопроводности газа в дуговом промежутке, Вт/м°С.

В таблице приведены численные значения Vi и Я для инертных и активных защитных газов и их смесей.

Физические свойства защитных газов и их смесей

10

15

20

Таким образом, меняя состав газовой

среды в дуговом промежутке, изменяют ее потенциал ионизации и коэффициент теплопроводности. При этом меняется температура плазмы и напряжение на дуге, пропорционально изменению напряжения

будет изменяться и величина тока (фиг.1). Поэтому изменение газовой среды в дуговом промежутке вызывает дополнительные импульсы тока и напряжения, благодаря которым повышаются технологические преимущества импульсной дуговой сварки, в том числе повышается качество шва и улучшается его формирование, а при сварке плавящимся электродом улучшаются условия переноса электродного металла, снижается

разбрызгивание. Для достижения указанных преимуществ дополнительные импульсы тока и напряжения должны быть синхронизированы с основными импульсами и кратны им по частоте.

Экспериментально установлено, что за период подачи одного импульса газа (дополнительного низкочастотного импульса тока) отношение частот основных и дополнительных импульсов должно быть не менее 2. Это

наглядно демонстрируется на фиг.1. Водном дополнительном низкочастотном импульсе тока за цикл TI или Т2 должно быть обеспечено не менее 2-х основных импульсов Тц tn + tu, иначе технологические преимущества импульсной дуговой сварки снижаются из-за ограничения времени теплового и силового воздействия на основной и электродный металл.

Чем больше потенциал ионизации и

меньше теплопроводность газовой среды .в

дуговом промежутке, тем выше температура плазмы, а, следовательно, выше проплавляющая способность дуги. Расчетным путем установлено, что при изменении численного значения отношения Vi/A газовой среды в дуговом промежутке на 20% средняя температура Td в центре столба дуги увеличивается в 1,3 раза или уменьшается в 0,76 раза. Увеличение отношения повышает температуру, а уменьшение - снижает ее. Такое изменение Тд влияет на размеры столба дуги, формирование и качество сварного шва. При изменении Vi/Я меньше 20% существенных влияний на процесс горения дуги и формирования шва не наблюдали. Размеры и конфигурация столба дуги, фиксированные скоростной киносъемкой, в этом случае не изменялись.

Известно также, что чем меньше темпет ратура плазмы, тем меньше эффективный радиус сечения столба дуги и выше коэффициент сосредоточенности дуги, К, 1 /см. По- высить значение К можно, интенсивно охлаждая и снижая плазму потоком газов, или их смесей, подаваемых с большой скоростью и расходом. С другой стороны, с увеличением скорости подачи защитных газов или их смесей увеличивается напряжение на дуге на 0,5-3 В, растет эффективная, мощность нэ 30-40% и повышается площадь проплавления. Градиент падения напряжения в столбе дуги возрастает с 0,9-1,1 В/мм до 1,2-1,3 В/мм. Это объясняется интенсивным охлаждающим действием газа на плазму в связи с затратами тепла на конвекцию. Повышение мощности и сосредоточенности дуги существенно увеличивает глубину проплавления. Форма проплавления имеет местное углубление. Экспериментально установлено, что максимальная проплавляющая способность дуги обеспечивается при отношении длительностей импульсов подачи газов с разными скоростями, равными 0,5-1,5. При этом для положительного эффекта не имеет значение, какое соотношение скоростей газа принимается. При соотношении длительностей импульсов подачи газа с различными скоростями менее 0,5 и более 1,5 эффект изменения температуры плазмы незначителен и не отражается н энергетических параметрах дуги. Это связано с определенной инерционностью процессов, происходящих в зоне дуги под воздействием изменений газовой среды.

Наложение на основные импульсы тока дополнительных низкочастотных импульсов за счет резкого изменения газовой среды в дуговом промежутке может снижать устойчивость горения дуги, блуждание катодного пятна увеличивается. Это, по-видимому, связано с резким изменением напряженности поля в дуге. Повысить устойчивость горения дуги можно примене- 5 нием между импульсами подачи двух различных газов или их смеси с изменением соотношения компонентов от 0 до 100% состава газа последующего импульса. В этом случае изменение тока ten во времени про- 0 исходит не скачкообразно, а плавно (фиг.2). Периоды Tic и Тастока 2и выбирают равным циклу Тц, что позволяет компенсировать инерционность газовой системы и гарантирует положительный эффект при небольших

5 длительностях импульса Ли и Т2и.

Повысить устойчивость горения дуги при использовании смеси из двух газов можно, непрерывно меняя состав смеси за период Tin от 0 до 100% каждого газа и,

0 наоборот, за период Т2п (фиг.З). При этом, изменение тока hn во времени происходит за периоды Tin и Т2п плавно по треугольному и синусоидальному закону. Колебания тока напряжения и длины дуги мало сказы5 вается при синусоидальном горении дуги на энергетическую устойчивость процесса и стабильное проплавление основного металла и расплавление электродного металла. Особенно это эффективно при сварке плавя0 щимся электродом. С плавным повышением :% тока и изменением состава газа температура и поверхностное натяжение электродного металла, а также электродинамическая сила также изменяются постепенно. Благо5 даря этому по мере увеличения тока уменьшается размер капель электродного металла, изменяется характер переноса металла от крупнокапельного к мелкокапельному, а затем к струйному.

0Примеры выполнения способа.

П р и м е р 1. Выполняли сварку импульсной дугой образцов из стали ВНС-25 толщиной 1,0 мм. Сварка осуществлялась неплавящимся вольфрамовым электродом в

5 среде аргона, а также в среде аргона, гелия и их смесей, которые подавали поочередно с помощью специально разработанного устройства. В качестве источника питания использовали ВСВУ-315. Ток сварки

0 составлял 110-120 А. скорость -12 м/ч. Другие режимы сварки и полученные результа-. ты представлены в таблице 1.

Кроме того, при сварке на режимах по п.5 между импульсами подачи Аг и Не пода5 вали их смесь в течение 0,55 с (tut + tni), и содержание в смеси аргона и гелия изменяли от 0 до 100%. А при сварке на режимах по п.11 содержание аргона и гелия также изменялиотОдо 100% и наоборот за период последующего импульса. Это позволило повысить стабильность горения дуги, что особенно важно при сварке малых толщин.

П р и м е р 2. Выполняли импульсно-ду- говую сварку плавящимся электродом образцов из алюминиевого сплава 1201 толщиной 50 мм. В качестве электрода использовалась проволока того же состава диаметром 2,0 мм. Сварка осуществлялась в среде гелия, аргона и их смесей от источника ВДУ-504 с импульсным регулятором тока. Ток сварки составлял 80-90 А, скорость сварки 15 м/ч. Остальные режимы сварки приведены в таблице 2.

При сварке на режимах по п.5 между импульсами подачи аргона и гелия подавали их смесь в течение 0,03 с (tni + tni), а содержание аргона и гелия в смеси изменяли от О до 100%. А при сварке на режимах по п.13 содержание гелия и аргона также изменяли от 0 до 100%, и наоборот, за период последующего-импульса.

Это позволило повысить стабильность горения дуги и увеличить проплавляющую способность дуги,

Формула изобретен и я 1. Способ импульсной дуговой сварки в среде защитных газов, при котором задают

соотношение импульсов и паузы тока и напряжения, а газовую среду подают импульсами, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных швов, в процессе сварки импульсное изменение газовой среды в дуговом промежутке производят с частотой, кратной частоте основных импульсов, а отношение частот основных импульсов и импульсов подачи газа

выбирают не менее двух.

2. Способ по п.1,о тличающийся

. тем, что, с целью повышения устойчивости

горения дуги, при импульсной подаче двух

различных газов в период между импульсами подачи газов в качестве защитной среды используют смесь этих газов, а соотношение компонентов смеси изменяют df 100% состава газа последующего импульса, при этом длительность подачи импульса

смеси ограничивают длительностью цикла сварки.

3. Способ по п.1,отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости горения дуги, при подаче смеси газов в им- пульсе за период импульса подачи газа состав смеси плавно изменяют от 0 до 100% каждого газа или от 100% до 0% за период последующего импульса подачи газа.

Использование: для сварки металлов в газозащитной среде в различных отраслях промышленности при импульсной дуговой сварке в среде защитных газов, при котором дуга пульсирует с заданным соотношением импульса и паузы тока и напряжения, в процессе сварки производят импульсное изменение газовой среды в дуговом промежутке. Отношение частот основных и дополнительных импульсов выбирают не менее двух. Дополнительно в период между импульсами подачи двух различных чистых газов в качестве защитной среды используют смесь этих газов, а отношение компонентов смеси изменяют от 0 до 100% состава газа последующего импульса, при этом длительность импульса подачи смеси ограничивают длительностью периода изменения тока. Кроме того, при подаче смеси двух газов в импульсе состав смеси за время дополнительного импульса изменяют от 0 до 100% каждого газа и наоборот от 100 до 0% за время последующего дополнительного импульса. 2 . з.п. ф-лы. 3 ил. 2 табл. Ј

Трещины в шве

Таблица 2