Понятие об управляемом переносе электродного металла

Специализированные источники питания

Импульсно-дуговая сварки плавящимся электродом

Импульсно-дуговая сверка относится к способам сварки с программным управлением процесса, в частности, с периодически изменяющейся мощностью дуги. Программное управление сварки предусматривает изменение основных параметров режима - напряжения и тока дуги. Возможно изменение и других параметров - скорости подачи электрода, скорости сварки, координат сварочной головки и т.д. Программное изменение основных параметров режима преследует две технологические цели: воздействие на процессы переноса электродного металле и связанными с ним явлениями; воздействие на процессы в сварочной ванне и околошовной зоне (управление кристаллизацией металла шва и термическим циклом).

Понятие об управляемом переносе электродного металла

В зависимости от состава дугового газа, а также параметров режима сварки возможны различные формы переноса металла: с короткими замыканиями дугового промежутка и со сво­бодным полетом капель. В этом случае возможен крупнокапельный, мелкокапельный и струйный перенос металла.

Мелкокапельный перенос металла – наиболее предпочтителен. При этом сварочная дуга стабилизирована в пространстве, сварка возможна в любых пространственных положениях, глубина проплавления наибольшая и др. Мелкокапельный перенос возможен при сварке в активных защитных газах на низких плотностях тока обратной полярности с частыми короткими замыканиями дугового промежутка, при сварке в аргоне на повышенных плотностях тока, при сварка активизированным электродом прямой полярности как в инертных, так и в активных газах.

Капля расплавленного металла на электроде находится под действием нескольких сил (рис. 5.I). Сила тяжести F_т направлена вниз, она зависит от диаметра капли d_к. Сила реактивного давления паров F_р, испаряющихся из металла, отбрасывает каплю от ванны. Сила поверхностного натяжения F_п стремится уменьшить поверхность капли и препятствует её отделению. Электродинамическая сила вызвана искривлением линий тока и пропорциональна квадрату тока, ее радиальная составляющая F_эp стремится пережать шейку капли, осевая составляющая F_эс отбрасывает каплю к детали, а оставшийся расплавленный металл на торце электрода - к электроду.

Рис.5.1. Капельный перенос электродного металла

При малом токе электродинамическая сила невелика и капля переносится под действием силы тяжести F_т при достижении достаточно большого размера dк. Такой крупнокапельный перенос имеет нерегулярный характер, отрицательно влияет на устойчивость процесса сварки, приводит к крупночешуйчатому формированию шва. С ростом тока при достижении некого критического значения I_кр отрыв капли происходит в основном благодаря действию электродинамической силы, когда диаметр капли меньше диаметра электрода. При таком мелкокапельном процессе перенос становится направленным вдоль оси электрода в сварочную ванну, улучшается формирование шва, сварка возможна в различных пространственных положениях. Эффективным приемом обеспечения мелкокапельного переноса при токе ниже критического является подача мощных импульсов тока (рис. 5.2). В момент подачи импульса электродинамическая сила резко возрастает, что приводит к сбрасыванию капли с диаметром d_к, существенно меньшим диаметра электрода. Управляемый перенос металла можно осуществить лишь в пространственно устойчивых дугах, когда размер капель переносимого металла резко уменьшается с ростом тока в узком диапазоне его изменения, т.е. когда в данных условиях имеется критический ток.

а)б)

Рис. 5.2. Управление переносом электродного металла: а – зависимость объема V и частоты переноса n капель от тока б – параметры импульсов тока

Управляемый перенос металла при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом в аргоне. Основным условием управляемого переноса металла является отрыв капли каждым импульсом тока и возможность управления частотой их пере­носа. Отрыв капли от электрода в зависимости от параметров импульса тока может происходить в различной его фазе.

Скорость перемещения капель электродного металла не превышает 0,6-1 м/с при сварке на токе выше критического без наложения импульсов. При одинаковых значениях эффективного тока естественного и импульсного процессов скорость полета капель всегда выше при импульсном процессе. В этом случае большему току импульса в момент отрыва капли соответствует большая скорость полета.

В случае отрыва капли при амплитудном значении тока импульса скорость полёта капли может достигать 8 м/с. Капли, перемещаясь с такой скоростью, ударяясь о сварочную ванну, вызывают повышенное разбрызгивание металла в виде околошовных выплесков и напыления мелких капель. В момент отрыва капли в, конце действия импульса, когда значение тока близко к значению базового I_б, скорость ее полета составляет 1,2-2 м/с. В этом случае обеспечивается управляемый перенос металла во всех пространственных положениях с минимальными потерями на разбрызгивание.

При малой энергии импульса капля срывается не каждым импульсом тока. При большой же энергии импульса капля отрывается на его переднем фронте или - амплитудном значении. В этом случае под действием одного импульса могут отрываться несколько капель.

Оптимальным управляемым переносом металла является такой перенос, при котором каждым импульсом тока в конце его действия обрывается одна капля.

Эмпирическая зависимость, связывающая основные параметры режима и физико-механические и теплофизические свойства металла электрода, получена на основе экспериментальных данных и позволяет определить оптимальный управляемый перенос металла.

(5.1)

где - минимальная амплитуда импульса тока, обеспечивающая отрыв капли в конце действия импульса; - длительность и частота следования импульсов соответственно; d_э и - диаметр и поверхностное натяжение металла электрода; I - сварочный ток. Уравнение (5.1) можно представить в более общем виде:

(5.2)

Левая часть уравнения (5.2) представляет собой так называемый "интеграл действия". Несмотря на то, что формула (5.1) является эмпирической, она отражает физические процессы, происходящие при отрыве капли. Действительно, импульс тока осуществляет плавление электродного металла и ого перенос в сварочную ванну. Тепловые и электродинамические действия импульса, пропорциональные квадрату тока, определяются левой частью уравнения (5.2).

Для уменьшения потерь металла на разбрызгивание амплитуда импульса тока не должна превышать 1,1.

Для обеспечения управляемого переноса металла I_nmin необходимо увеличивать в следующих случаях:

- с увеличением диаметра электрода;

- для увеличения частоты следования капель электродного металла;

- в случае применения при сварке материалов с большим поверхностным натяжением;

- с уменьшением базового сварочного тока.

Однако увеличение ограничено условиями непрерывности горения дуги, заключающимися в уменьшении базового тока при увеличении амплитуды, частоты и длительности импульсов. При уменьшении базового тока ниже минимального тока устойчивого горе­ния дуги возникают ее обрывы и нарушается стабильность процесса сварки.

Управляемый перенос металла в активных защитных газах. При сварке в активных защитных газах на токе прямой и обратной полярности наложение импульсов тока с параметрами, применяемыми для сварки в аргоне, не обеспечивает управляемый перенос металла. Наложение импульсов при сварке в активных защитных газах активированным электродом током прямой полярности приводит к стабилизации дуги, которая принимает форму, соответствующую току выше критического. В промежутках между импульсами, когда ток меньше критического, дуга интенсивно блуждает. Если переход капли с электрода происходит в конце действия импульса, когда ток снижается до значения ниже критического, отрыв и перенос ее осуществляется в условиях блуждающей дуги. В проме­жутках между импульсами происходит плавление электрода и на его конце всегда имеется некоторый объём расплавленного металла. Вслед­ствие блуждания дуги капля, образующаяся на конце электрода, как правило, смещается относительно его оси и при наложении импульса может не попадать в сварочную ванну. Таким образом, наложение им­пульсов тока длительностью 1,8-1,2 мс, хотя и приводит к отрыву капель от электрода каждым импульсом тока, но не обеспечивает направленного переноса металла и характеризуется повышенным разбрызгиванием.

Установлено, что несоосные капли при наложении импульсов то­ка в большей мере отклоняются от оси электрода, чем соосные. Наибольшее количество несоосных капель отрывается от электрода под углом 20-30°, а соосных под углом, не превышающим десяти градусов.

Смещённые относительно оси электрода капли часто не попадают в сварочную ванну при действии импульса и служат основной причиной повышенного разбрызгивания металла.

Установлено, чем больше базовый ток, тем выше количество несоосных капель и больше потери металла на разбрызгивание. В диапазоне средних токов при сварке электродными проволоками диаметром 1,6-2,0 мм наложение кратковременных импульсов длительностью I,8-2,2 мс с амплитудой, равной (1,6-2,0)I_кр практически не снижает разбрызгивание металла. При длительности импульсов 4-5 мс вследствие интегрального саморегулирования базовый ток снижается и к моменту действия импульса на конце электрода образуется небольшой объем расплавленного металла, и, несмотря на блуждание дуги во время паузы, при наложении импульса капля, как правило, попадает в сварочную ванну, что обусловливает малое разбрызгивание.

Таким образом, для уменьшения разбрызгивания металла при сварке активированным электродом в активных защитных газах и гелии необходимо совмещать процессы плавления и переноса металла. Плавление электрода должно осуществляться при токе выше критического, когда дуга пространственно устойчива и не вызывает отклонение траектории капель, переходящих в межэлектродный промежуток. Это достигается тем, что на непрерывно горящую дугу накладываются импульсы тока той же полярности с частотой следования импульсов 100-50 имп/с. При этом амплитуда должна быть минимально возможной I_п = (1,5 – 2) I_кр, а длительность - максимально возможной, равной 4-10 мс. В этом случае базовый ток выбирается минимальным, чтобы во время паузы электрод практически не плавился.

Снижение амплитуды импульсов ниже 1,5 I_кр не позволяет получить струйный перенос металла. Увеличение амплитуды импульсов (больше 2,5 I_кр) при постоянной скорости подачи электрода (при условии по­стоянства эффективного тока) может привести к нарушению непрерывности тока и к исчезновению всех преимуществ процесса. Максимальное значение амплитуды тока импульса следует выбирать из условия минимального разбрызгивания. Чрезмерно большая амплитуда импульсов тока приводит к выплескиванию металла из сварочной ванны.

Характер образования капли на конце электрода и перенос металла в дуговом промежутке в значительной степени определяют стабильность процесса сварки, разбрызгивание металла, формирование и качество шва, а также влияют на интенсивность металлургических процессов. Особенностью переноса металла (при длительности импульса 4-10 мс) является то, что при наложении импульсов тока происходит сначала отрыв капли, а затем во время действия импульса имеет место струйный перенос металла. Перенос металла заканчивается раньше окончания действия импульса (при токе ниже критического), при этом струйка расплавленного металла теряет устойчивость и разрушается под действием сил поверхностного натяжения на отдельные капли правильной сферической формы. По окончании действия импульса начинает блуждать дуга.

Дата добавления: 2015-07-10