Сварка - один из ведущих технологических процессов промышленности, от степени развития и совершенствования которой во много зависит уровень развития машиностроения, строительства и ряда других

Введение.

Сварка - один из ведущих технологических процессов промышленности, от степени развития и совершенствования которой во много зависит уровень развития машиностроения, строительства и ряда других отраслей.

Один из наиболее экономичных и эффективных разновидностей дуговой сварки в защитных газах является сварка в углекислом газе. Этот способ сварки в настоящие время широко применяется в промышленности. Способу сварки в углекислом газе свойственны свои особенности, отличающие его от других сварочных процессов.

Достигнуты значительные успехи в разработке прогрессивных методов сварки, создании высокоэкономичных сварочных конструкций и освоение сварки многих специальных сталей, цветных металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Возникают всё новые и новые задачи разработки более совершенной технологии сварки, широко применяемых и новых материалов, что требует или модернизации существующего оборудования и технологии, или разработки более совершенных методов сварки. С целью повышения качества сварных швов, значительные усилия в настоящее время направлены на разработку и создание новых источников питания сварочной дуги, которые отвечали бы требованиям, предъявляемым к их динамическим свойствам.

В данной работе проводился анализ существующих методов и систем управления механизмом коротких замыканий и разработка способа управления механизмом коротких замыканий. Также проводилось экспериментальные исследования. Полученные результаты исследований были использованы при разработке системы управления механизмом коротких замыканий и технологической стабилизации процесса.

1 Литературный обзор

1.1Анализ современного состояния процесса сварки в СО₂

Процесс сварки в среде углекислого газа с короткими замыканиями дугового промежутка является одним из самых массовых способов автоматической дуговой сварки. Способ сварки в среде углекислого газа с короткими замыканиями дугового промежутка характеризуется: высокой производительностью труда в 2 раза (по сравнению с РДС), широкой возможностью автоматизации и механизации, обеспечивает безотказное возбуждение дуги, стабильность режима сварки, малым нагревом и коробления изделия, возможностью сварки в различных пространственных положениях, низкой стоимостью выполнения сварочных работ, возможность наблюдения за ванной и дугой и др.

Наряду с отмеченными достоинствами, характер процесса сварки с частыми короткими замыканиями дугового промежутка, как было показано Лебедевым В.К. и Медведенко П.В., является случайным. Потапьевский А.Г. установил, что стабильность процесса в значительной степени определяется скоростью нарастания тока короткого замыкания, наклоном внешней характеристики источника питания, режимом сварки, диаметром и вылетом электродной проволоки. Кроме перечисленных факторов, большое влияние на стабильность процесса оказывает пространственное положение сварочной ванны.

Значительное количество работ по сварке в среде углекислого газа с короткими замыканиями дугового промежутка посвящено снижению разбрызгивания. Особенностью данной проблемы является ее противоречивый характер. Оптимальные по разбрызгиванию режимы характеризуются минимально возможным средним дуговым напряжением и повышенной индуктивностью дросселя в сварочной цепи. Однако малые напряжения на дуге вызывают неудовлетворительное формирование сварочного шва с большим усилением наплавленного металла и неудовлетворительным его переходом к основному металлу. Вместе с тем, увеличение индуктивности сварочного дросселя ведет к затягиванию длительности коротких замыканий, что отрицательно сказывается на устойчивости процесса сварки.

Указанное приводит к ограничению области применения сварочных режимов и большим потерям электродного металла в виде брызг, налипающих на поверхность свариваемого изделия, и наконечники сварочных горелок. Недостаточно хорошее формирование шва, вызванное нестабильностью процесса, проявляется в грубой чешуйчатости и значительном усилении, что требует дополнительной механической обработки поверхности шва после сварки. Для улучшения формирования целесообразно несколько снизить скорость нарастания тока короткого замыкания и повысить напряжение дуги. Однако увеличение дугового напряжения увеличивает разбрызгивание электродного металла, которое в широком технологически важном диапазоне сварочных режимов по-прежнему остается на уровне 10-15 %.

Совершенно очевидно, что повышение стабильности процесса и уменьшение разбрызгивания электродного металла при сварке в среде углекислого газа является актуальной задачей сварочного производства.

Процесс сварки в СО₂ применяется в промышленности без изменения в первозданном виде и в настоящее время практически исчерпали свои технологические возможности. Поэтому необходимы новые методы управления процессом (на стадии капли) и повышение технико-экономических показателей.

Традиционными методами сварки трудно решать все усложняющиеся технологические задачи. Одно из наиболее перспективных направлений импульсное введение энергии в зону сварки.

1.2 История создания процесса сварки в СО₂

Идея сварки в защитном газе была предложена в конце XIX в. Н.Н. Бенардосом. Практическое осуществление данного способа сварки приходится на ХХ в. Дуговая сварка в защитном газе основана на оттеснении воздуха из зоны сварки потоком газа. В качестве защитного газа используют инертные газы: аргон и гелий, активные газы: азот, водород, углекислый газ, а также смеси газов.

Практически впервые сварку в смесях газов осуществили в 20-е гг. ХХ в. в США. Первые сообщения о сварке в инертном газе неплавящимся вольфрамовым электродом появились за рубежом в начале 40-х гг. прошлого века. В нашей стране аналогичный способ сварки появился в конце 40-х гг. В 1949 г. в Институте электросварки был разработан способ сварки угольным электродом в углекислом газе.

Сварка в инертном газе плавящимся электродом была разработана в нашей стране в это же время. В 1952 г. К.В. Любавский и Н.М. Новожилов получили положительные результаты по сварке в углекислом газе плавящимся электродом.

В настоящее время имеется много разновидностей сварки в защитных газах, которые получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом.

Интенсивное развитие сварки в защитных газах объясняется ее преимуществами по сравнению с дуговой сваркой покрытыми электродами:

а) высокая степень концентрации нагрева изделия, позволяющая значительно уменьшить зону термического влияния и коробление изделия после сварки;

б) высокая производительность;

в) возможность получения высококачественных соединений из металлов и сплавов различных марок и толщин при различной конфигурации швов и различном расположении их в пространстве;

г) широкая возможность механизации и автоматизации процесса.

1.3 Особенности процесса сварки в СО₂

При сварке в защитных газах для защиты зоны дуги и расплавленного металла используют газ (рисунок 1.1), подаваемый струей при помощи горелки.

Рисунок 1.1 - Схема процесса:1 - деталь; 2 - дуга; 3 - защитный газ; 4 - сопло;5 - сварочная ванна; 6 - плавящаяся электродная проволока.

В качестве защитных газов используют инертные газы (аргон, гелий и их смеси), не взаимодействующие с металлом при сварке, и активные газы (углекислый газ, водород и др.), взаимодействующие с металлом, а также их смеси. Род защитного газа определяет физические, металлургические и технологические характеристики способа сварки. Защитный газ выбирают в зависимости от рода свариваемых материалов, технологических задач, требований, предъявляемых к сварным соединениям, и других условий.

При сварке плавящимся электродом (рисунок 1.1) дуга горит между электродной проволокой, непрерывно подаваемой в дугу, и изделием. Дуга расплавляет проволоку и кромки изделия, и образуется общая сварочная ванна. По мере перемещения дуги сварочная ванна затвердевает, образуя шов, соединяющий кромки изделия [1].

Процесс сварки - это совокупность физических и электрических явлений, протекающих от начала до окончания сварки. Процесс сварки можно разделить на три основные стадии [1]:

а) установление стабильного течения процесса сварки - это отрезок времени, на протяжении которого происходит установление процесса до заданного режима сварки.

б) стабильное течение процесса - это отрезок времени, на протяжении которого заданный режим сварки сохраняется неизменным и происходит образование образование шва.

в) прекращение процесса сварки - отрезок времени на протяжении которого происходит переход от стабильного течения процесса до обрыва дуги при окончании сварки.

1.3.1 Сущность процесса сварки в СО₂

При сварке плавящимся электродом в СО₂ в основном используют процесс с переносом электродного металла во время принудительных коротких замыканий обеспечиваемые параметрически. Перенос металла осуществляется в результате периодического слияния капли электродного металла с ванной, что сопровождается коротким замыканием дугового промежутка и образованием перемычек расплавляемого металла. От условия протекания этого процесса зависит стабильность и устойчивость процесса сварки в целом, а также разбрызгивание металла.

Типичная осциллограмма одного микроцикла (период каплеобразования) такого процесса представлена на рисунке 1.2. Период каплеобразования состоит из двух этапов: этапа горения дуги, на котором происходит расплавление капли на электроде и ввод тепла в сварочную ванну, причем вследствие большой тепловой энергии размеры сварочной ванны не реагируют на мгновенные изменения тока, а определяются средним значением сварочного тока. И этапа короткого замыкания на котором происходит переход капли в сварочную ванну.

Поскольку параметрическое регулирование осуществляется за счет введения дросселя определенной индуктивности в сварочную цепь, то во время коротких замыканий сварочный ток будет нарастать стремясь к установившемуся значению тока короткого замыкания по экспоненте, а на этапе горения дуги уменьшается также по экспоненте. Рассмотрение процессов в микроцикле удобнее начать с рассмотрения этапа короткого замыкания.

Причем можно выделить три стадии короткого замыкания: в начальной стадии под действием сил поверхностного натяжении происходит слияние капли и ванны. Образовавшаяся первоначально в зоне контакта перемычка малых размеров расширяется при возрастающем токе короткого замыкания, и в тот процесс вовлекается вся капля. Происходит рост сечения перемычки. К моменту когда сечение перемычки примерно равно сечению электрода, ток возрастает до такого значения, когда электромагнитная сила действующая в жидком металле капли начинает способствовать силам поверхностного натяжения и образуется крупная перемычка. Вторая стадия небольшая по продолжительности, связана со сжатием образовавшейся крупной перемычки электромагнитными силами. Форма перемычки в зависимости от условий может быть различной, Третья, конечная стадия характеризуется интенсивным нагревом металла перемычки джоулевым теплом, форма перемычки приближается к цилиндрической, происходит ее окончательное разрушение.

Частота коротких замыканий зависит прежде всего от отношения между плотностью тока и средним напряжением на дуге, а также от многих других факторов включая химический состав электродного и основного металла, вылета электрода, скорости сварки и т.д. Оно может принимать значение от 1 до 100- 150 Гц.

Рисунок 1.2 - Схема изменения напряжения и силы тока на протяжении одного цикла при импульсно-дуговой сварке в углекислом газе с принудительными короткими замыканиями и характерные фотографии разрядного промежутка: -t_H, t_c - длительность нарастания и спада напряжения;-U_d - среднее напряжение дуги;-t_d - длительность горения дуги;-t_K3 длительность короткого замыкания;-Т- длительность цикла;-I_max - максимальная сила тока;-I_min - минимальная сила тока;-U_CB - средние значения напряжения;-I_СВ - средние значения тока.

1.3.2 Современные представления о механизме короткого замыкания

По современным представлениям механизм коротких замыканий можно представить следующим образом: главной причиной коротких замыканий является то, что сварку ведут при длине дуги соизмеримой с размерами капли. Уменьшение длины дуги приводящее к закорачиванию дугового промежутка обуславливается следующими причинами:

а) ростом размера капли;

б) подачей электрода;

в) встречным движением сварочной ванны перед коротким замыканием в процессе ее колебаний под действием сил возникающих при коротких замыканий и разрыве перемычки.

При рассмотрении переноса обычно делаются следующие допущения:

а) столб дуги неподвижен и соосен с электродом;

б) процессы в столбе дуги стабильны и не изименяются во времени;

в) равнодействующая сил, приложенных расплавленного электрода металла находится под действием сил: сила тяжести Р_T, сила поверхностного натяжения Р_ПН электродинамическая сила Р_ЭД, реактивные силы потоков нейтральных и заряженных частиц P_i и паров электродного металла Р_ПАР [1].

1.3.3 Причины возникновения коротких замыканий

Для выяснения причин и механизма возникновения коротких замыканий необходимо рассмотреть взаимодействие сил, приложенных к расплавленному металлу электрода, с учетом длины межэлектродного промежутка. Величина и плотность тока в электроде в периоды горения дуги между короткими замыканиями сравнительно невелики. Вследствие этого электродинамические силы в жидком металле и дуге проявляются слабо. В первом приближении ими можно пренебречь. Давление дуги на каплю при малом токе невелико и, по-видимому, обусловлено главным образом испарением. Непрерывное движение капли, наблюдается не только при горении дуги, но и после ее обрыва, когда ток в цепи отсутствует. Поэтому можно предположить, что причиной этого движения служит не только давление дуги, сколько внутренняя тепловая циркуляция в жидком металле.

В рассматриваемом случае (небольшая величина и плотность тока во времени горения дуги) обычно учитываются только две силы: вес металла капли и поверхностное натяжение. Последнее может удерживать на конце электрода каплю диаметром, превышающим диаметр электрода в три-пять раз и более.

При сварке в углекислом газе с короткими замыканиями на применяемых на практике режимах длина дуги и соответственно межэлектродного промежутка невелика. Она может быть меньше, равна или в два -три раза больше диаметра электрода в зависимости от режима сварки (главным образом от напряжения на дуге). Сопоставляя размер, до которого может вырасти капля на конце электрода при взаимодействии сил веса и поверхностного натяжения, с длиной межэлектродного промежутка, можно убедиться, что диаметр капли обуславливается длиной этого промежутка. Капля будет увеличиваться пока не замкнет его. Следовательно, при определении размера капель, образующихся в процессе сварки с замыканиями, нет надобности учитывать их вес, ни поверхностное натяжение. Причина возникновения коротких замыканий - рост капель, ограничиваемый только длиной дугового промежутка.

Основываясь на этом механизме, можно объяснить, почему при малых токах сварка в углекислом газе возможна только с короткими замыканиями. Если бы короткие замыкания возникали из-за низкой электродвижущей силы (ЭДС), и недостаточного тока в цепи (т.е. скорость плавления электродной проволоки была бы меньше скорости ее подачи), то замыкание можно было бы устранить, увеличивая ЭДС. Однако с возрастанием ЭДС, количество коротких замыканий сначала уменьшается, а затем процесс становится неустойчивым, дуга обрывается с последующими длительными короткими замыканиями. Как бы плавно и постепенно не повышали ЭДС, уловить момент устойчивого процесса без коротких замыканий не удается. Это свидетельствует о том, что ЭДС, не определяет характер процесса и в этом случае возникновение коротких замыканий не обусловлено низкими значениями ЭДС и сварочного тока.

Короткие замыкания (КЗ) возникают вследствие увеличения капли в ограниченном пространстве дугового промежутка. Поэтому с повышением напряжения и увеличением длины дуги расчет и размер капли. В конечном счете, капля достигает такого размера, что после ее отрыва промежуток удлинится, и дуга не возбудится - процесс станет неустойчивым. Во время короткого замыкания дроссель, включенный в сварочную цепь для ограничения тока I_КЗ, может накопить значительную энергию. После короткого замыкания она используется для расплавления электродной проволоки. Однако какой большой не была бы индуктивность, избежать коротких замыканий, как показывают опыты, нельзя. С другой стороны, наличие индуктивности - вовсе не обязательное условие устойчивости процесса с короткими замыканиями. Как показано в работе [2], устойчивый процесс возможен и при безинерционном методе ограничения величины I_КЗ, например балластным реостатом. В последнем случае в дугу после окончания короткого замыкания дополнительная энергия практически не поступает. Если бы она была обязательно необходима для сварки с КЗ, то при ограничении тока I_КЗ реостатом отсутствие энергии стало бы причиной нарушения устойчивости процесса. Между тем в действительности ничего подобного не наблюдается. Практика многопостовой сварки в СО₂ с ограничением I_КЗ балластными реостатами свидетельствует о высокой устойчивости процесса.

Искусственно можно создать такие условия, при которых индуктивность в цепи окажется необходимой не только для ограничения величины 1_КЗ, но и для горения дуги. Если, например, установить напряжение источника питания несколько ниже минимально возможного напряжения на дуге, то последняя будет гореть только при наличии дросселя благодаря энергии, накопленной в нем за время КЗ. Однако и при этом во время горения дуги расплавится столько проволоки, сколько будет подано.

Описанный механизм КЗ хорошо подтверждается опытами продольной вибрацией электрода, проведенными в ИЭС. В результате вибрации мелкие капли металла непрерывно удалялись с торца электрода, и при той же скорости подачи сварки с короткими замыканиями превращалась в процессе без замыканий.

Из основных причин разбрызгивания металла при сварке в СО₂ с систематическими короткими замыканиями дугового промежутка выделяют две:

а) электрический взрыв перемычек расплавленного металла [3,4] вследствие большой скорости нагрева перемычки, особенно в конце короткого замыкания, когда температура металла намного превышает равновесную температуру кипения. Это приводит к накоплению избыточной тепловой энергии в объеме перемычки, и, как следствие, к взрывному ее испарению.

б) силовое воздействие на расплавленный металл капли и ванны со стороны сварочной дуги, возбуждающейся после разрыва перемычки (часто называемое газодинамическим ударом) [5].

Для борьбы с разбрызгиванием необходимо знать роль как электрического взрыва, так и газодинамического удара. Однако в обычных условиях сварки такая оценка сопряжена с трудностями определения влияния каждого из этих факторов. Например, невозможно усилить действие газодинамического удара, не увеличив при этом энергию электрического взрыва, и на оборот, поскольку оба этих фактора связаны с током в конце короткого замыкания I_max.

Из этого можно сделать вывод, что:

а) несоответствие между скоростями подачи электродной проволоки и ее плавления не является основной причиной коротких замыканий при сварке в СО₂.

б) природа коротких замыканий заключается в росте капель, ограничиваемом только длиной дугового промежутка. При сварке в СО₂ этот промежуток значительно меньше возможного диаметра капли.

в) газодинамический удар - силовое воздействие дуги - при сварке с систематическими короткими замыканиями практически не вызывает разбрызгивание металла.

г) основной причиной разбрызгивания является электрический взрыв перемычек расплавленного металла. Ограничение энергии электрического взрыва позволяет снизить разбрызгивание до двух трех процентов.

д) энергия электрического взрыва накапливается на конечной стадии короткого замыкания (за 100-150 мкс до окончательного разрушения перемычки).

1.3.4 Анализ сил действующих на каплю

Сила тяжести Р_т оказывает существенное влияние только при значительных размерах капель. В зависимости от пространственного расположения шва сила тяжести способствует отрыву капли от электрода (в нижнем положении), препятствует отрыву (в потолочном) или стремиться отклонить каплю от оси электрода (в вертикальном положении). Капля на конце электрода имеет обычно шарообразную или эллиптическую форму:

для сферической капли

(1)

для эллиптической капли

(2)

где a - коэффициент, учитывающий часть жидкого металла, остающегося на электроде; R_K - радиус капли; h - большая ось капли; у - средняя плотность металла капли при температуре жидкой капли; g - ускорение свободного падения [1].

В упрощенном виде сила тяжести определяется по формуле:

(3)

где m - масса капли, г; g - ускорение свободного падения,м/сек².

Сила поверхностного натяжения Р_п.н. обычно препятствует переносу капель с электрода в ванну и определяется следующем образом:

; (4)

(5)

где, σ - коэффициент поверхностного натяжения материала электрода при заданной температуре в месте приложения силы Рпн; φ - угол между касательной и образующей поверхности электрода в месте перехода от

Электродинамическая сила Р_эд возникает при прохождении тока по проводнику из-за взаимодействия тока с собственным магнитным полем. Многими исследователями [1] этот фактор отмечен как один из важнейших при определении характера переноса электродного металла. Если сечение проводника постоянно, то эта сила направлена по радиусу к оси проводника и стремиться его сжать. Осевая составляющая ее равна:

(6)

где - магнитная проницаемость материала.

Если сечение проводника неодинаковое по длине, то возникает осевое усилие Р_эд(а) направленное от меньшего сечения к большему. Это усилие на участке проводника радиусами R1<R2 можно записать так [ 1 ]:

(7)

Или найти по формуле:

(8)

где K₁ - коэффициент пропорциональности.

Реактивное давление испаряющего металла и выделения газа.

Расплавленный металл на электроде и изделии в зоне активных пятен находится при температуре, близкой к температуре кипения [1]. Поэтому с активных пятен происходит интенсивное испарение, а иногда газовыделение. Из газов, которые могут образоваться на электроде, существенно образование окиси углерода. Окисление углерода оказывает заметное влияние только при сварке высокоуглеродистых сталей. При сварке низкоуглеродистых сталей окисление углерода и газовыделение невелико и реактивное давление определяется в основном испарением металла. Потоки паров направлены перпендикулярно к испаряющейся поверхности, но поскольку пары в дуге ионизируются, то дальнейшее направление потока пара определяется направлением собственного или внешнего магнитного поля в дуге. Реактивную силу испарения можно подсчитать по формуле:

(9)

где М - масса металла, испаряющегося с поверхности в единицу времени; v - начальная скорость струи пара.

Или по формулам:

(10)

(11)

где К₂, К₃ - коэффициенты пропорциональности: n - показатель степени, зависящий от полярности сварочного тока [1].

Сила давления потоков плазмы дуги. Потоки плазмы образуются в результате испарения металла и действия электродинамических сил. В большинстве дуг с плавящимися электродами наблюдается одновременно два потока плазмы, двигающихся от электродов навстречу один другому. Мощность этих потоков неодинакова Более мощный поток подавляет слабый и определяет результирующее усилие, действующее на электрод и ванну. Плазменные потоки, часто обладающие большой кинетической энергией, оказывают значительное давление на электроды. Также может возникать отраженный поток, оказывающий воздействие на каплю. Не исключена возможность создания плазменным потоком зоны пониженного давления у электродов, с которых они истекают [1]. Усилие, создаваемое плазменным потоком, может быть найдено следующим образом:

(12)

где М_пл - масса потока плазмы, проходящая через заданное сечение в единицу времени; v скорость потока плазмы в заданном сечении [1].

1.3.5 Роль СО₂

Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности (рисунок 1.3 в, г). Такой режим обусловлен теми же особенностями переноса электродного металла и формирования шва, которые рассмотрены для сварки плавящимся электродом в аргоне.

При применении СО₂ в качестве защитного газа необходимо учитывать некоторые металлургические особенности процесса сварки, связанные с окислительным действием СО₂. При высоких температурах сварочной дуги СО₂ диссоциирует на оксид углерода СО и кислород О, который, если не принять специальных мер, приводит к окислению свариваемого металла и легирующих элементов. Окислительное действие О нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей марганца и кремния. Поэтому для сварки в СО₂ углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием этих элементов (Св-08ГС, Св-10Г2С и т. д.). На поверхности шва образуется тонкая шлаковая корка из оксидов раскислителей. Часто применяют смесь СО₂ + 10 % О₂. Кислород играет ту же роль, что и при добавке в аргон.

Рисунок 1.3- Виды сварки в защитных газах:1- присадочный пруток или проволока; 2- сопло; 3- токоподводящий мундштук; 4- корпус горелки; 5- неплавящийся вольфрамовый электрод; 6-рукоять горелки; 7- атмосфера защитного газа; 8- сварочная дуга; 9- ванна расплавленного металла; 10- кассета с проволокой; 11- механизм подачи; 12- плавящийся металлический электрод (сварочная проволока).

Сварка в атмосфере защитных газов в зависимости от степени механизации процессов подачи присадочной или сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.

По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и автоматической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при применении аргона оксидов и шлаковых включений; возможность ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования; более высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в углекислом газе.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низколегированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т. д.). Преимущество полуавтоматической сварки в СО₂ с точки зрения ее стоимости и производительности часто приводит к замене ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

1.3.6 Эргодичность процесса

Так как при сварке с короткими замыканиями нельзя предопределить для заданного момента времени конкретное значение тока i_св(t) и напряжения U_д(t), то в этом смысле ток и напряжение является случайными функциями времени. Однако вероятные характеристики этих параметров после окончания переходного процесса начального зажигания дуги не зависят от времени, следовательно, процесс сварки с короткими замыканиями является случайным стационарным процессом. При рассмотрении этого процесса мы заведомо приняли, что он является также эргодическим, т.е., что какая-либо одна реализация требуемой продолжительности может заменить множество реализаций той же продолжительности. Ранее правомерность этого предложения была подтверждена в лаборатории автора Зарубы И.И. [8].Он проверил в достаточно большом интервале наблюдений для большего числа реализаций (по 33 сек.) значения новых параметров процесса и получил постоянные значения: I_св, U_д, - начальный фронт нарастания тока к.з., математического ожидания максимумов токов коротких замыканий- М/I_m/, математического ожидания времени коротких замыканий М/τ/, математического ожидания частоты коротких замыканий М/n/ и среднеквадратичного отклонения максимумов токов коротких замыканий Х / I_m/. Таким образом была доказана эргодичность стационарного случайного процесса сварки с короткими замыканиями и, как следствие, возможность определения стохастических значений параметров в данных режимах только по законам распределения их вероятностей не зависимо от времени / для заданного режима/. Статистическая оценка основных параметров процесса сварки с короткими замыканиями позволила более глубоко посчитать его сущность и правильно определить оптимальные условия его практической реализации.

1.4 Металлургические особенности

При сварке открытой дугой непокрытыми или тонко покрытыми электродами расплавленный металл не защищен от воздействия воздуха и поэтому интенсивно насыщается азотом и кислородом. Эти газы, растворенные в металле, сильно ухудшают пластичность сварного шва [7].

Эффективным и весьма экономичным средством защиты жидкого металла от воздействия воздуха при дуговой сварке является углекислый газ.

Особенностью сварки в углекислом газе является сравнительно сильное выгорание элементов, обладающих большим химическим средством к кислороду (С, Al, Ti, Mg, V, Si, Mn, и др.) Выгорание происходи за счет окисляющего действия как углекислого газа, так и атомарного кислорода, который образуется в результате диссоциации углекислого газа под действием высокой температуры дуги,

СО₂ СО+ О.

При сварке взаимодействие жидкого металла и газа происходит весьма энергично, несмотря на кратковременность их контактирования. Это объясняется исключительно высокими температурами, развивающимися в зоне сварки, и большими удельными поверхностями контактирования металла и газа.

Окисление элементов зависит от их концентрации в зоне сварки и от сродства к кислороду, которое в свою очередь изменяется для каждого элемента с изменением температуры. Так, при температурах ниже затвердевания стали наиболее сильным раскислителем является кремний, за ним следует ванадий, хром, углерод, марганец. С повышением температуры раскисляющая сила элементов изменяется.

Таким образом, в зоне сварки могут происходить следующие реакции [7]:

;

;

и т.д.

Рисунок 1.4 - Зависимость теплопроводности газов и паров металлов от температуры при атмосферном давлении:1 - аргон; 2 - пары цезия; 3 - пары калия; 4 - гелий; 5 - воздух; 6 - СО₂; 7 - водород; 8 - пары натрия.

Непрерывный уход окислов углерода, кремния, марганца и других элементов-раскислителей из зоны реакции в воздух (СО) или в шлак (МnО, SiO₂ и др.) способствует протеканию реакций в направлении окисления.

Также можно выделить характерные особенности в теплофизических свойствах газа которое представлено на рисунке 1.4. Предопределен большой отбор тепла дуги, сжатие столба дуги, и большое реактивное давление паров, которое оттесняет каплю на боковую поверхность электрода при сварке в СО₂. Поэтому процесс обычно ведут с короткими замыканиями.

1.5 Разбрызгивание, существующие методы борьбы с ним

При механизированной сварке плавящимся электродом с разбрызгивнием особенно часто сталкиваются в случае использования углекислого газа в качестве защитной среды. Для борьбы с разбрызгиванием важно знать его возникновение.

Повышенное разбрызгивание металла, составляющее в среднем 15-20 процентов, приводит не только к прямым потерям металла, но прежде всего к значительным дополнительным трудозатратам на удаление брызг с поверхности сварного изделия, очистку газового сопла полуавтоматической или сварочной головки.

Изучением причин разбрызгивания занимались многие авторы: И.И.Заруба, А.Г.Потапьевский, Н.Г.Дюргеров, А.П.Хейфец и т.д. Перечислим основные из них:

а) взрыв перемычки расплавленного металла вследствие большой скорости нагрева перемычки, особенно в конце короткого замыкания, когда температура металла превышает равновесную температуру кипения. Это приводит к избыточной тепловой энергии в объеме перемычке и как следствие, к взрыву перемычки и ее испарению.

б) силовое воздействие на расплавляемый металл капли после разрыва перемычки и ванны со стороны сварочной дуги (газодинамический

удар).

в) действие электромагнитных сил и плазменных потоков, отталкивающих каплю от сварочной ванны. Капля непрерывно увеличивается, беспорядочно двигаясь, она смещается от оси электрода, а затем может быть выброшена за пределы ванны.

В настоящее время разбрызгивание, как правило, объясняется действием пондеромоторных сил и жидкой перемычке между электродом и ванной расплавленного металла.

Рисунок 1.5 - Основные виды разбрызгивания при сварке в СО₂, СО₂+О₂, N₂, Аг+ более 25% СО₂ непрерывно горящей дугой (а,б,в), с короткими замыканиями (г,д,е), при использовании ржавой проволоки (ж), в начале процесса сварки (з) и зависимость потерь _р от силы тока (U).

Разбрызгивание металла при сварке с крупнокапельным переносом без коротких замыканий происходит в основном из-за случайного вылета за пределы шва крупных капель и систематического выброса мелких, как показано на рисунке 1.5(а,б). При сварке в аргоне разбрызгивание невелико, а в многоатомных газах (CO₂N₂, Н₂) сравнительно велико, при этом из ванны также выбрасываются и мелкие капли при выделении СО₂ (рисунок 1.5,в). При сварке с короткими замыканиями разбрызгивание происходит из-за выброса мелких капель от взрыва шейки в соответствии с рисунком 1.5,(г), выброса остатка капли с электрода при повышенных токах I_КЗ (рисунок 1.5,д) и расплескивания ванны (рисунок 1.5 е) при очень больших токах I_К3. Для уменьшения разбрызгивания рекомендуется ограничивать скорость нарастания и силу тока I_К3.

Это достигается включением в сварочную цепь дросселя и балластного реостата. При сварке в СО₂ разбрызгивание существенно зависит от напряжения, тока и состояния поверхности проволоки согласно рисунка 1.5(и).

Разбрызгивание особенно резко увеличивается при использовании ржавой проволоки, что приводит к частым взрывам крупных капель. С повышением напряжения и в диапазоне средних токов увеличение потерь происходит главным образом из-за выброса крупных брызг. В начале сварки и при нарушениях процесса наблюдается резкое увеличение разбрызгивания в результате выброса нерасплавленной части электрода и расплескивание ванны, как показано на рисунке 1.5 [1].

Причиной разбрызгивания металла может быть разрушение перемычки, если оно имеет характер электрического взрыва проводника. Как известно, отличительной стороной электрического взрыва является то, что энергия достаточна для искоренения проводника сообщается ему мгновенно по сравнению со временем, необходимым для спокойного искоренения. При этом на графике металл-воздух происходит скачок температуры и давления. Затем следует две фазы взрыва: разрушение перемычки с рассеянием продуктов взрыва и образованием первой ударной волны, после паузы тока - газовый разряд в парах еще одной ударной волной. Обеим фазам свойственно возникновение значительных механических усилий. Роль пондеромоторной силы, как и поверхностного натяжения, сводится к созданию условий для взрыва перемычки путем уменьшения ее толщины.

1.6 Достоинства и недостатки

Режимы сварки с систематическими короткими замыканиями обладают рядом технологических достоинств:

а) малым выгоранием легирующих элементов;

б) малым нагревом и короблением изделия;

в) широкой возможностью управления переносом металла.

Основной областью их применения является сварка тонколистовых конструкций, толщиной до 4...6 мм, сварка в пространственных положениях отличных от нижнего, сварка корневых швов, наплавка тонких слоев металла.

Процесс сварки в СО₂ короткой дугой тонкой проволокой нашел широкое применение в промышленности благодаря ряду преимуществ по сравнению с ручной дуговой сваркой электродами с покрытиями и автоматической сваркой под флюсом. Достигнуты определенные успехи в применении его во всех пространственных положениях.

Однако процесс имеет и недостатки, которые снижают его эффективность. К таким недостаткам можно отнести следующие:

а) большая подверженность внешним возмущениям и связанная с ней нестабильность процесса (периода каплеобразования).

б) низкие регулировочные возможности, т.к. дуга горит в узком диапазоне напряжений.

в) повышенное разбрызгивание.

Анализ процесса с короткими замыканиями показывает, что основной причиной недостатков является большая подверженность механизма коротких замыканий внешним возмущениям.

Факторы влияющие на эти недостатки в основном, подразделяются на три основные группы:

а) технологические;

б)связанные с положением шва в пространстве;

в)связанные с динамическими свойствами источника питания.

Первая группа причин связана с протеканием металлургических реакций в капли и ванне, что определяется процессом ведения сварки на повышенных режимах, которые увеличивают интенсивность металлургических реакций во время пребывания капли на электроде; применением для сварки ржавой или загрязненной проволоки, либо с высоким содержанием углерода и недостаточным количеством раскислителей; при использовании для сварки покрытых ржавчиной сталей особенно кипящих. Устранение этой группы причин возможно при ведении сварки на нормальных режимах при применении чистой проволоки, либо благодаря применению в ней активированных добавок, при применении специальных антикоррозийных покрытий, либо применение электрохимической очистки поверхности проволоки от загрязнений, при очистки кромок от ржавчины, окалины и других загрязнений, при использовании в качестве защиты среды смесей газов.

Вторая группа причин, связанная с положением сварки, в основном определяется силами действующими на каплю расплавленного электродного металла при ее переносе через дуговой промежуток. Данная группа причин значительно сокращается при ведении процесса на оптимальных режимах, которые зависят от положения сварки и условий переноса электродного металла в сварочную ванну.

Устранение третьей группы причин связывают с динамическими свойствами источника питания, представляет наиболее трудоемкую задачу и связано с оптимизацией основных параметров процесса сварки, что возможно за счет улучшения динамических свойств источника питания и применение специальных стабилизирующих систем.

1.7 Вывод

1 Несоответствиемежду скоростями подачи электродной проволоки и ее плавления не является основной причиной коротких замыканий при сварке в углекислом газе.

2 Природа коротких замыканий заключается в росте капель, ограничиваемом только длиной дугового промежутка. При сварке в углекислом газе этот промежуток значительно меньше возможного диаметра капли.

3 Газодинамический удар - силовое воздействие дуги - при сварке с систематическими короткими замыканиями практически не вызывает разбрызгивания металла.

4 Основной причиной разбрызгивания является электрический взрыв перемычек расплавленного металла. Ограничение энергии электрического взрыва позволяет снизить разбрызгивание до 2-3 %

5 Энергия электрического взрыва накапливается на конечной стадии короткого замыкания (за 100-150 мкс до окончательного разрушения перемычки).

Из выше сказанного необходимо разработать и исследовать процесс импульсного питания при сварке в С0₂с короткими замыканиями.

Цель работы: Повышение стабильности и эффективности процесса сварки в С0₂ с короткими замыканиями.

Задачи исследований:

1 Обоснование и принципиальная разработка методов стабилизации и управления процессом сварки в С0₂ с короткими замыканиями.

2 Исследование механизма коротких замыканий и влияние на параметры режима сварки и возмущения.

3 Определение области параметров и режимов (по диаметрам, материалам, скоростям и т.д.).

Исследование влияния параметров режима на геометрию шва и его свойства.

Дата добавления: 2015-09-29