RU2728144C1 - Способ сварки алюминиевых сплавов комбинацией дуг - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано при механизированной сварке алюминиевых сплавов в среде инертного газа комбинацией дуг прямого и косвенного действия. Дуга прямого действия на изделие горит с неплавящегося электрода, а дуга косвенного действия – между неплавящимся и плавящимся электродами. Плавящийся электрод подают непрерывно в дугу прямого действия и обеспечивают периодическую пульсацию токов дуг с одинаковой частотой. Дуги питают от двух одинаковых источников разнополярных импульсов тока прямоугольной формы. Во время пропускания тока дуги прямого действия обратной полярности пропускают ток дуги косвенного действия с отрицательного плавящегося электрода на неплавящийся электрод. В период пропускания тока прямой полярности дуги прямого действия на изделие пропускают ток дуги косвенного действия с положительного плавящегося электрода на неплавящийся электрод. Это обеспечивает катодное разрушение окисной пленки на изделии и на электродной проволоке. Способ обеспечивает высокую стабильность процесса наплавки и позволяет проводить независимое регулирование соотношения проплавления основного металла и расплавления электродного металла. 7 ил., 5 табл., 4 пр.

Description

Изобретение относится к области сварки и может использоваться в машиностроении для сварки и наплавки конструкций из алюминиевых сплавов.

Известен способ дуговой механизированной сварки в среде аргона комбинацией дуг прямого и косвенного действия, по которому к неплавящемуся электроду подключают отрицательный полюс сварочного источника питания, а к изделию его положительный полюс, используют плавящийся электрод, подключаемый к положительному полюсу источника питания, зажигают дугу прямого действия прямой полярности между неплавящимся электродом и изделием и дугу косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродом через балластное сопротивление (см. статью И.Е. Тавер, М.Х. Шоршоров «Сварка стали двойной плазменной струей», Сварочное производство, 1971 г, №10, С. 26-28). Этот способ может быть использован и для сварки и наплавки свободной сварочной дугой.

Недостатками данного способа сварки является сильное взаимодействие собственных магнитных полей дуг, приводящее к нестабильности пространственного положения дуг и переноса электродного металла в сварочную ванну, что приводит к большому разбрызгиванию электродного металла и нестабильности размеров наплавляемого валика. Использование балластного сопротивления для питания дуги косвенного действия не всегда обеспечивает горение дуги на всех режимах, так как дуга с плавящимся электродом требует питания от источника с жесткой вольтамперной характеристикой, а балластное сопротивление дает падающую ВАХ. Данный способ не обеспечивает катодного разрушения окисной пленки алюминия на изделии и электродной проволоки, так как на них располагается анодные пятна дуг прямого и косвенного действия.

Известен способ механизированной сварки в среде инертного газа дугами прямого и косвенного действия, включающий зажигание дуги прямого действия между неплавящимся электродом и изделием и зажигание дуги косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами, при этом плавящийся электрод непрерывно подают в дугу прямого действия, отличающийся тем, что питание дуг прямого и косвенного действия осуществляют от разных источников питания с периодической пульсацией величины однонаправленных токов между большим и малым током, при этом неплавящийся электрод подключают к отрицательному полюсу первого источника питания, положительный полюс которого подключают к изделию, а плавящийся электрод подключают к положительному полюсу второго источника питания, отрицательный полюс которого подключают к неплавящемуся электроду, причем во время увеличения тока в дуге прямого действия ток дуги косвенного действия уменьшают, а во время уменьшения тока в дуге прямого действия ток дуги косвенного действия увеличивают, длительность протекания малого тока дуги прямого действия устанавливают в пределах 0,2…0,8 по отношению к длительности цикла протекания тока, при этом величину малого тока дуги прямого действия устанавливают из условия обеспечения стабильного горения дуги прямого действия, величину большого тока дуги прямого действия устанавливают из условия обеспечения заданного проплавления изделия, величину малого тока дуги косвенного действия устанавливают из условия обеспечения стабильности горения дуги косвенного действия, а величину большого тока дуги косвенного действия устанавливают из условия обеспечения заданной скорости расплавления электрода (см. Патент РФ №2646302 «Способ сварки комбинацией дуг». Опубл. 02.03. 2018. Бюл. №9).

Технической проблемой для известного способа является то, что дуга прямого действия прямой полярности не обеспечивает разрушение окисной пленки алюминия на изделии, что не позволяет использовать способ при сварке и наплавке алюминиевых сплавов, так как окисная пленка в дуге, горящей в среде защитных газов, разрушается только на обратной полярности. Применение постоянного тока обратной полярности возможно только при малых токах на неплавящийся электрод, и в этом случае наблюдается значительное блуждание катодного пятна на изделии, приводящее к нестабильности свойств сварных швов и появлению в них дефектов.

Также технической проблемой этого способа является то, что не в полной мере используется возможность повышения производительности расплавления электродной проволоки, которая является анодом дуги косвенного действия. Электрод-анод при сварке в защитных газах имеет более низкую производительность расплавления, чем электрод-катод. В то же время электроды-катоды при сварке в защитных газах имеют низкую стабильность скорости расплавления, что обусловлено интенсивным перемещением катодного пятна дуги по поверхности электрода. Поэтому дуга прямой полярности в среде защитных газов практически не используется в производстве.

Кроме того, в известном способе при такой полярности плавящегося электрода дуги не будет происходить и катодной очистки алюминиевой сварочной электродной проволоки.

В известном способе механизированной сварки в среде инертного газа дугами прямого и косвенного действия, включающем зажигание дуги прямого действия между неплавящимся электродом и изделием и зажигание дуги косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами, при этом плавящийся электрод непрерывно подают в дугу прямого действия, питание дуг прямого и косвенного действия осуществляют от двух источников питания, при этом неплавящийся электрод подключают к полюсу первого источника питания, второй полюс которого подключают к изделию, а плавящийся электрод подключают к полюсу второго источника питания, второй полюс которого подключают к неплавящемуся электроду и обеспечивают периодическую пульсацию токов дуг с одинаковой частотой.

В отличие от прототипа дуги питают от источников разнополярных импульсов тока, причем во время пропускания импульса тока обратной полярности дуги прямого действия, пропускают ток дуги косвенного действия с отрицательного плавящегося электрода на неплавящийся электрод, а в период пропускания импульса тока прямой полярности дуги прямого действия, пропускают ток дуги косвенного действия с отрицательного неплавящегося электрода на положительный плавящийся электрод, отношение длительности пропускания тока обратной полярности к длительности периода выбирают в пределах 0,2…0,5, величину токов импульсов на неплавящийся электрод выбирают по отношению допустимых для него токов прямой и обратной полярности при однодуговой сварке, а среднее за период значение тока на плавящийся электрод принимают равным рекомендуемым для однодуговой сварки на обратной полярности.

Технический результат предлагаемого способа заключается в том, что одновременно обеспечивается разрушение окисной пленки алюминия на изделии при сварке алюминиевых сплавов во время протекания тока обратной полярности в дуге прямого действия и существенное повышение производительности расплавления плавящегося электрода. При этом обеспечивается стабильность скорости расплавления электрода во время расположения на нем катодного пятна дуги, что обеспечивается инерционностью в отношении блуждания катодного пятна на плавящемся электроде в связи с высокой частотой смены полярности в дуге косвенного действия. Одновременно достигается катодная очистка электродной проволоки за время расположения катодного пятна дуги на плавящемся электроде.

При этом сохраняются технологические преимущества известного способа по независимому регулированию производительностей расплавления основного и электродного металлов. Также из-за использования разнополярных импульсов тока высокой частоты сводится к минимуму магнитное взаимодействие дуг, что повышает стабильность процесса сварки.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа, на фиг. 2 - обозначение токов дуг к неплавящемуся электроду-аноду, на фиг. 3 - обозначение токов дуг от неплавящегося электрода-катода, на фиг. 4 циклоограмма тока в дуге прямого действия, на фиг. 5 - циклограмма тока в дуге косвенного действия, на фиг. 6 - циклограмма тока в неплавящемся электроде при неравных токах, на фиг. 7 - схема выполнения сварки стыкового соединения с разделкой кромок.

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа сварки. В сварочную горелку 1 подается защитный газ аргон. В горелке размещен неплавящийся вольфрамовый электрод 2. Электрод 2 и изделие 3 из алюминиевого сплава подключены к первому сварочному источнику питания 4 разнополярных прямоугольных импульсов тока. Между вольфрамовым электродом 2 и изделием 3 непрерывно горит дуга прямого действия 5, в которой чередуются импульсы тока обратной и прямой полярностей. Для обеспечения повторных зажиганий дуги 5 во время смены ее полярности параллельно дуге 5 подключен высокочастотный возбудитель дуги 6, который может быть составной частью источника питания 4.

В дугу прямого действия 5 механизированным способом подается плавящийся алюминиевый электрод 7 с постоянной скоростью V_Э, равной скорости его расплавления. К плавящемуся алюминиевому электроду 7 подключен один из полюсов второго сварочного источника питания 8 с разнополярными прямоугольными импульсами тока. Второй полюс источника 8 подключен к неплавящемуся электроду 2. Между плавящимся электродом 7 и неплавящимся электродом 2 непрерывно горит дуга косвенного действия 9, в которой чередуются импульсы тока одной и другой полярностей, то есть плавящийся электрод 7 становится поочередно катодом или анодом. Для обеспечения повторных зажиганий дуги 9 во время смены ее полярности параллельно дуге 9 подключен высокочастотный возбудитель дуги 10, который может быть составной частью источника питания 8.

Частоту разнополярных импульсов тока у источников питания 4 и 8 выбирают одинаковой. Конструкция источников питания 4 и 8 может позволять на выбранной частоте тока регулировать как амплитуду прямоугольных импульсов, так и их длительность. В большинстве современных источников питания устанавливают равные токи импульсов и регулировка соотношения полярностей осуществляется длительностью импульсов. Источники питания 4 и 8 перед сваркой настраивают так, что время пропускания импульса тока прямой полярности в дуге прямого действия 5 совпадает со временем пропускания импульса тока с него же к положительному полюсу плавящегося электрода -анода 7, а время пропускания импульса тока обратной полярности в дуге прямого действия 5 совпадает со временем пропускания импульса тока с плавящегося отрицательного электрода - катода 7 на неплавящийся электрод 2.

В процессе сварки и наплавки изделия 3 из алюминиевого сплава включаются обе дуги 5 и 9 одновременно с помощью высокочастотных возбудителей дуги 6 и 10. Если условия сварки обеспечивают устойчивое повторное зажигание дуг 5 и 9 без возбудителей дуги 6 и 10, то во время сварки их отключают. Дуга 5 прямого действия обеспечивает катодную очистку алюминиевого изделия 3 от окисной пленки во время пропускания импульса тока обратной полярности. Совместное действие импульсов прямой и обратной полярности дуги прямого действия 5 обеспечивает требуемое проплавление изделия 3. Одновременно с включением дуг 5 и 9 начинается плавление алюминиевой электродной проволоки 7 и включается механизм ее подачи со скоростью V_Э в столб дуги прямого действия 5. Дугой 9 также обеспечивается катодная очистка алюминиевого электрода 7, в течение времени, когда он является катодом. Разнополярные прямоугольные импульсы тока дуги косвенного действия 9 обеспечивают необходимое количество наплавляемого металла в процессах сварки соединений с разделкой кромок, угловых швов и наплавке, Использование разнополярных импульсов тока высокой частоты в обеих дугах 5 и 9 обеспечивает слабую реакцию на взаимодействие их магнитных полей и высокую их пространственную устойчивость вследствие того, что подвижность на электродах их активных пятен значительно более инерционна по сравнению с частотой разнополярных импульсов. Известно, что магнитное дутье при дуговой сварке на переменном токе промышленной частоты значительно меньше, чем на постоянном токе.

Подвижность дуги под действием магнитных полей обеспечивается при частоте изменений магнитного поля до 4 Гц (см. реферат патента РФ №2401726 «Способ сварки в защитном газе неплавящимся электродом магнитоуправляемой дугой. Опубл. 20.10.2010. - Бюл. №3) в то время как в источниках питания разнополярных импульсов тока используется частоты 50-150 Гц.

На фиг. 2 показано обозначение импульсов токов дуг от неплавящегося электрода-катода. Импульс тока с катода на изделие (прямая полярность) обозначен I_ПП импульс тока с катода на плавящийся электрод I_KA. Первый индекс I_ПП указывает на вид дуги, второй на ее полярность.

На фиг. 3 показано обозначение импульсов токов дуг к неплавящемуся электроду-аноду. Импульс тока с изделия на анод неплавящегося электрода (обратная полярность) обозначен I_ПО импульс тока с катода плавящегося электрода на изделие I_КК.

На фиг. 4 представлена циклограмма тока дуги прямого действия между неплавящимся электродом и изделием, фиксируемого по току в изделии. Циклограмма представляет зависимость изменения тока дуги прямого действия от времени t. Весь период протекания тока обозначен t_Ц. Время протекания импульса тока дуги прямого действия обратной полярности I_ПО составляет t_ПO, а время протекания тока дуги прямого действия прямой полярности I_ПП составляет t_ПП. Ток обратной полярности I_ПО преимущественно обеспечивает катодное распыление окисной пленки алюминия на изделии. Ток прямой полярности I_ПП преимущественно обеспечивает проплавление изделия. Соотношение времени протекания тока t_ПО/t_Ц по отношению к длительности цикла следует выбирать в пределах ϕ=0,2…0,5. Это позволяет обеспечить катодное распыление на изделии, так как по литературным данным относительная длительность протекания тока обратной полярности должна быть ϕ≥0,2. Применение ϕ>0,5 нецелесообразно, так как сильно увеличивается тепловая нагрузка на неплавящийся электрод от двух дуг. Для питания дуги прямого действия целесообразнее всего использовать источник питания с импульсами тока прямоугольной формы, выпускаемыми серийно. Частота импульсов тока в таких источниках применяется в пределах 50-150 Гц. Малая длительность протекания тока обратной полярности по отношению к длительности цикла обуславливается необходимостью обеспечить достаточную стойкость неплавящегося вольфрамового электрода. Величину токов импульсов за период на неплавящийся электрод следует также ограничивать из-за необходимости обеспечения его стойкости.

Данные о том, что при использовании разнополярных импульсов тока катодная очистка изделия достигается при ϕ≥0,2 приводятся в монографии А.В. Савинова и др. «Дуговая сварка неплавящимся электродом». М: Машиностроение, 2011-477 с. С. 268, последний абзац.

Во время пропускания тока обратной полярности к неплавящемуся электроду I_ПО в нем выделяется значительная мощность, в связи с чем обратная полярность дуги при однодуговой сварке неплавящимся вольфрамовым электродом используется редко и только на весьма малых токах для сварки очень тонкого металла. В таблице 1 приведены данные по допустимым токам на неплавящиеся вольфрамовые электроды в зависимости от полярности дуги.

Данная таблица приведена в монографии Г.Л. Петрова «Сварочные материалы», Л.: Машиностроение, 1972. - 280 с., таблица III. 15, С. 195.

Из таблицы 1 следует, что допустимый ток на вольфрамовые электроды на обратной полярности дуги в среднем в 5…7,5 раз меньше, чем на прямой полярности. С помощью данных таблицы 1 можно назначать токи импульсов на неплавящийся вольфрамовый электрод при сварке по предлагаемому способу, чтобы была гарантирована его стойкость.

В процессе горения дуги прямого действия обратной полярности между неплавящимся электродом и изделием обеспечивается максимальное выделение приэлектродной удельной (на 1 А тока) катодной мощности дуги на изделие, что обеспечивает максимально возможную глубину проплавления на заданном токе. Одновременно обеспечивается катодная очистка изделия от окисной пленки. В сочетании с действием той же дуги прямого действия на прямой полярности можно добиться достаточно большой глубины проплавления основного металла и обеспечить проплавление притупления кромок при сварке в разделку с одновременным эффективным заполнением начальной высоты разделки жидким металлом с плавящегося электрода дуги косвенного действия.

При наплавке можно устанавливать средний за период ток дуги прямого действия минимальным, чтобы получить жидкую смачиваемую поверхность основного металла и одновременно устанавливать достаточно большой средний ток в дуге косвенного действия, что обеспечит большую производительность наплавки и минимальное перемешивание наплавленного металла с основным. При этом доля участия основного металла в металле шва будет минимальной, что обеспечит требуемые свойства наплавляемого слоя.

На фиг. 5 представлена циклограмма тока дуги косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами, фиксируемого по току в плавящемся электроде. Весь период протекания тока обозначен, как и на фиг. 4 I_Ц. Поскольку частоту разнополярных импульсов тока прямоугольной формы двух используемых источников питания выбирают одинаковой, то время периода для обеих дуг прямого и косвенного действия также одинаково. Время t_КК пропускания тока дуги косвенного действия I_КК с отрицательного плавящегося электрода-катода к неплавящемуся электроду-аноду одинаково с временем t_ПО пропускания тока обратной полярности I_ПО дуги прямого действия, а время t_КА пропускания тока дуги косвенного действия I_KA с неплавящегося электрода-катода к плавящемуся электроду-аноду одинаково с временем протекания тока в дуге прямого действия на прямой полярности I_ПК

Соответственно в дуге косвенного действия отношение времени протекания тока с плавящегося электрода-катода к времени периода также можно изменять в пределах ϕ=0,2…0,3. Но выбрав значение ϕ для одной дуги, например ϕ=0,25, его необходимо сохранять и для второй дуги. Это необходимо для синхронизации моментов смены полярности в обеих дугах, для обеспечения устойчивости их повторных зажиганий.

Современные источники питания дуги с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы используют частоту импульсов 50-150 Гц. За счет высокой частоты смены полярности на плавящемся электроде обеспечивается высокая стабильность расположения активных пятен дуг на нем и, соответственно, высокая стабильность скорости расплавления электрода. Такой стабильности дополнительно способствует также то, что катодное пятно дуги размещается на плавящемся электроде сравнительно небольшую часть периода тока.

Величина тока в дуге косвенного действия совпадает с величиной тока в плавящемся электроде. Величина тока в дуге прямого действия совпадает с величиной тока в изделии. Величина тока в неплавящемся электроде представляет сумму токов дуг прямого и косвенного действия. Поэтому выбор допустимых токов в электродах взаимосвязан и должен рассматриваться совместно.

Использование части времени периода для пропускания тока с плавящегося электрода-катода на неплавящийся анод, помимо катодной очистки этого электрода от окисной пленки алюминия приводит к существенному повышению производительности расплавления электрода, поскольку коэффициент расплавления электрода-катода намного выше, чем электрода-анода.

На фиг. 6 представлена циклограмма тока в неплавящемся электроде в случае, когда токи импульсов дуг не равны между собой. Она представляет в любой момент времени сумму токов дуг прямого и косвенного действия. Для обозначения длительности импульсов использованы обозначения с фиг. 4 и фиг. 5. Ток I_НК - это суммарный ток в неплавящемся электроде, когда он является катодом. Ток I_НА - это суммарный ток в неплавящемся электроде, когда он является анодом. Стойкость неплавящегося электрода обеспечивается соответствующим выбором токов I_НК I_НА и длительностей их действия.

В таблице 2 приведены данные о коэффициентах расплавления стальной сварочной электродной проволоки марки Св-08Г2С диаметром 2 мм при вылете электрода 1,54 см на прямой и обратной полярностях дуги при наплавке сталей в среде СО₂.

Примечание: I - ток дуги, V_Э - скорость подачи (плавления) проволоки, Н - теплосодержание капель электродного металла.

При одинаковых токах I=340 А дуг обратной и прямой полярностей скорость расплавления электрода V_Э и его коэффициент расплавления на прямой полярности в 1,7 раза выше. Одинаковые скорости расплавления достигаются, когда ток дуги прямой полярности уменьшили до I = 215 А. Данные приведены также в монографии В.А. Ленивкина и др. «Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах». М. Машиностроение, 1989. - 264 с. (С. 115, таблица 20). В этой монографии в главе 4 показано, что производительность расплавления стальной электродной проволоки на прямой полярности значительно выше, однако из-за нестабильного поведения катодного пятна на электроде она неравномерна во времени. Это явление обусловлено тем, что катодное падение напряжения в дуге с плавящимися электродами обычно значительно выше, чем анодное падение напряжения, однако существенно зависит от химического состава поверхности электродной проволоки, от наличия на ней, например, окислов.

При высокой частоте включений и выключений дуги прямой полярности на плавящийся электрод катодное пятно возникает в одной и той же зоне торца электрода и его пространственное положение стабилизируется, что стабилизирует и скорость его расплавления, несмотря на наличие химической неоднородности на поверхности электрода. То, что дуга прямой полярности может быть в определенных условиях стабильной и применяться на практике подтверждается ее использованием при сварке сталей под флюсом на токах выше 600 А. (См. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка. ВСН 006-89. Миннефтегазстрой. - М: 1989. - 216 с. С. 51, п. 2.6.18-2.6.20).

Положение катодного пятна дуги в условиях, когда она горит в закрытом пространстве при повышенном давлении газового пузыря, по-видимому, стабилизируется. Это также подтверждается широким использованием дуги под флюсом на переменном токе промышленной частоты.

Литературные данные по скорости расплавления электродной алюминиевой проволоки на прямой полярности в инертных газах, по-видимому, отсутствуют из-за затруднений в применении на практике этого вида дуги. При сварке сталей основной причиной является нестабильность скорости расплавления электрода, а при сварке алюминиевых сплавов - отсутствие разрушения окисной пленки алюминия на изделии. Алюминиевая электродная проволока в меньшей степени подвержена блужданию катодного пятна на ней из-за меньшей вероятности нахождения на поверхности различных химических соединений.

В связи с этим авторами предлагаемого способа были выполнены специальные теоретические и экспериментальные исследования.

Из теории электрической сварочной дуги известно, что удельные эффективные мощности на 1 А тока приэлектродных областей свободной дуги можно приближенно определить по формулам:

где U_A и U_К - соответственно анодное и катодное падение напряжения дуги у изделия, В; U_В - напряжение, численно эквивалентное работе выхода электрона из материала изделия, В. Для алюминия U_В=3,74 В (Данные формулы и значение U_B приведены в монографии Г.И. Лескова «Электрическая сварочная дуга», М.: Машиностроение, 1970, 334 с.).

Удельную эффективную мощность можно измерять в вольтах, но целесообразнее в Вт/А, что лучше раскрывает физический смысл этого понятия.

На основе анализа данных по напряжениям дуг на алюминиевых сплавах были получены выражения для U_A и U_К свободной дуги в аргоне на алюминии в зависимости от тока дуги I

(См. В.П. Сидоров. Методика оценки приэлектродных падений напряжения на дуге, горящей в аргоне между вольфрамом и алюминием. Автоматическая сварка. - 1991. - №6. - С. 36…37).

По формулам (1) с помощью формул (2) и (3) получали выражения для удельных приэлектродных мощностей прямой q_ЭП и обратной полярностей q_ЭО в аргоне на алюминиевой электродной проволоке

Согласно (4) и (5) удельная мощность (на 1 А тока дуги) в алюминиевый электрод дуги прямой полярности существенно больше и интенсивнее растет с увеличением тока дуги, поэтому разница в удельных мощностях возрастает с ростом тока. Это означает, что соответственно алюминиевый электрод-катод будет плавиться интенсивнее, чем алюминиевый электрод-анод.

Для алюминиевого изделия формулы (4) и (5) будут также справедливы, что означает, что проплавляющее воздействие на основной металл выше на обратной полярности дуги в аргоне.

Формулы (4) и (5) проверяли экспериментально, путем сравнения скоростей плавления алюминиевой сварочной электродной проволоки на обратной и прямой полярностях дуги. Наплавку проволокой марки Al 99,7 по стандарту EN 18273 S фирмы FIDAT (Италия) диаметром 1,2 мм проводили на сварочной установке FastMig MXF 65 фирмы Кемпи, включающей источник питания постоянного тока и полуавтомат.Наплавка производилась на изделие в виде пластины из сплава АМц толщиной 6 мм. Расход аргона оставался постоянным и составлял 8 л/мин. Настройка режимов наплавки на установке осуществляется следующим образом. Задается напряжение дуги 22 В и скорость подачи электродной проволоки. Установка автоматически подбирает необходимый сварочный ток и затем при сварке поддерживает заданную скорость подачи электродной проволоки постоянной, изменяя, при необходимости, ток дуги.

Номинальный режим при наплавке дугой обратной полярности составил U=22 В, V_Э=13, 33 см/с, I=168 А. Расчетная плотность тока на электроде составила 14862 А/см². Коэффициент расплавления α_Р в г/(А⋅с) при механизированной сварке рассчитывали по известной формуле

где ρ - плотность проволоки, г/см³, для алюминия ρ=2,7 г/см³,

j - плотность тока на электродной проволоке, А/см².

Получили расчетное α_РО=8,72 г/(А⋅ч). Это хорошо совпадает с данными приведенными в монографии В.А Ленивкина и др, приведенными на стр. 112, рис. 58.

При изменении полярности дуги на прямую полярность удалось на данной установке получить несколько стабильных режимов наплавки при отсутствии катодного разрушения окисной пленки алюминия на изделии. Исходные данные и результаты расчетов приведены в таблице 3.

Статистическая обработка данных пяти опытов по двум критериям нормального распределения, установила, что разброс значений носит случайный характер и подчиняется закону нормального распределения. Поэтому рассчитывали среднее значение коэффициента расплавления по пяти опытам α_РП=19,33 г/(А⋅ч), для него среднее относительное отклонение от среднего по абсолютной величине 4,84%. То есть данными опытами не установлено существенной зависимости коэффициента расплавления на прямой полярности дуги α_РП от тока дуги в исследованном диапазоне токов.

В то же время сравнение среднего значения из таблицы 3 и полученного для обратной полярности показывает, что их отношение α_РП/α_РО=19,33/8,72=2,22. То есть, во столько раз выше на прямой полярности на данном режиме производительность расплавления алюминиевого электрода на 1 А тока дуги.

Рассчитывали удельную эффективную мощность в электрод для электрода-анода по формуле (4)

Также рассчитывали удельную эффективную мощность в электрод для электрода-катода по формуле (5)

Отношение удельных эффективных мощностей q_ЭП/q_ЭО=11,94/6,79=1,76.

Это достаточно близко совпадает с экспериментальным отношением коэффициентов расплавления, учитывая, что как отмечается в специальной литературе, может отличаться теплосодержание капель анода и катода. Так из таблицы 2 видно, что теплосодержание капель для стальной проволоки на прямой полярности ниже. При прочих равных условиях это способствует дополнительному повышению скорости расплавления электрода на прямой полярности. Это увеличивает разницу отношений коэффициентов расплавления и q_ЭП/q_ЭО. Точность оценки мощностей в алюминиевые анод и катод с помощью формул (4) и (5) можно оценить в ±10%.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования показывают, что производительность расплавления алюминиевой электродной проволоки-катода существенно выше, чем анода при одинаковых токах. Эта зависимость установлена как для стальной проволоки в аргоне, так и опытами авторов для алюминиевой проволоки. Поэтому использование в предлагаемом способе в дуге косвенного действия части импульсов тока с отрицательного плавящегося электрода-катода на неплавящийся электрод увеличивает производительность его расплавления по сравнению с дугой обратной полярности.

При сварке необходимо получить в шве требуемое соотношение наплавляемого и основного металла, что возможно при сварке по предлагаемому способу, в отличие от однодуговой сварки. Для этого необходимо подавать электродную проволоку с требуемой скоростью, что достигается определением необходимого тока дуги в плавящемся электроде.

При одинаковом токе производительность расплавления П=α_Р⋅I увеличивается с уменьшением диаметра электрода. Изменяя диаметр плавящегося электрода можно в широких пределах регулировать производительность наплавки. В таблице 4 приведены рекомендации по выбору плотности тока в дуге обратной полярности при однодуговой сварке алюминиевых сплавов.

Такие рекомендации приведены в справочнике «Сварка в машиностроении, т. 2. М.: Машиностроение, 1978. 462 с. С. 234, таблица 16.

Средний за период ток на плавящийся электрод дуги косвенного действия по предлагаемому способу следует выбирать по рекомендациям для тока обратной полярности, приведенным в таблице 4, так как разница энтальпий жидкого электродного металла на прямой и обратной полярностях составляет всего 4,3% от среднего значения. То есть образование капель электродного металла и их нагрев слабо зависят от полярности дуги. Поэтому достигнутые плотности тока на обратной полярности при однодуговой сварке могут быть использованы при сварке, когда плавящийся электрод часть времени периода является катодом.

Соотношение времени протекания тока в дуге косвенного действия с отрицательного электрода-катода на неплавящийся электрод-анод по отношению к длительности цикла принято для дуги прямого действия в пределах (0,2…0,5)t_Ц. Такое соотношение обосновано для длительности обратной полярности дуги прямого действия с неплавящегося электрода и оно должно сохраняться для плавящегося электрода. Такая малая относительная продолжительность импульса обусловлена тем, что необходимо обеспечить стойкость неплавящегося вольфрамового электрода, токи в котором в любой момент времени цикла равны сумме токов в дугах прямого и косвенного действия.

Средний ток дуги косвенного действия с плавящимся электродом с прямоугольной формой импульсов тока I_КС за цикл можно определить по формуле (в общем случае при различной величине тока импульсов)

где I_КК - значение тока дуги в период его протекания с отрицательного электрода-катода;

t_КК - время протекания тока с отрицательного электрода-катода;

I_KA - значение тока дуги в период его протекания с положительного электрода-анода;

t_КА - время протекания тока дуги в период его протекания с положительного электрода-анода;

Время t_КК+t_КА=t_Ц составляет время цикла.

Значение I_КС в зависимости от диаметра электрода следует выбирать по рекомендациям для однодуговой сварки на обратной полярности в соответствии с требованиями таблицы 4 или аналогичных таблиц.

Назначение допустимых импульсов токов на неплавящийся электрод является наиболее существенным в предлагаемом способе сварки и должно производиться следующим образом. Из таблицы 1 для каждого диаметра неплавящегося электрода можно найти отношение допустимых токов прямой обратной полярностей. Целесообразно ориентироваться на средние значения токов из таблицы 1. Например, для диаметра 4 мм для средних допустимых токов такое отношение составляет 295/40=7,38. Это означает, что мощность от дуги в неплавящийся вольфрамовый электрод на 1 А тока на прямой полярности примерно в 7,38 раза меньше, чем на обратной полярности. Назначив ϕ, например, ϕ=0,2, допустим, что дуга будет гореть только на обратной полярности. В этом случае допустимый ток прямоугольной формы в импульсе обратной полярности на неплавящийся электрод при однодуговой сварке 40/0,2=200 А. Аналогично, если действуют только импульсы прямой полярности такой дуги, то допустимое значение тока такого импульса 295/0,8=369 А. Данные токи для однодуговой сварки необходимо уменьшить в два раза, поскольку требуется, чтобы мощность, направляемая в электрод при использовании обеих полярностей, не превышала предельной мощности. Получаем, что при таком ϕ=0,2 допустимые токи при однодуговой сварке I_О=100 А и I_П≈185 А. Проверяем суммарную мощность в электрод. Ток обратной полярности умножаем на коэффициент 7,38.

100⋅0,2⋅7,38+185⋅0,8⋅1≈147,6+148≈290 А.

То есть получаем допустимую токовую нагрузку на прямой полярности. Токи прямой I_П и обратной полярности I_О отличаются примерно на 85 А. Такое регулирование возможно при работе со сварочными источниками питания, которые позволяют регулировать как ток импульсов, так и их длительность.

Полученные токи на неплавящийся электрод подходят для однодуговой сварки, но будут подходить и для неплавящегося электрода и по предлагаемому способу. В этом случае ток в неплавящемся электроде будет складываться из токов двух дуг. Для определения тока В; дугах по предлагаемому способу необходимо полученные токи уменьшить еще в два раза, так как на неплавящийся электрод идет нагрузка с двух дуг. Тогда будем иметь на неплавящийся электрод два анодных тока величиной по 50 А и два катодных тока величиной по 93 А.

Соответственно на плавящийся электрод будут действовать анодный ток в 93 А и катодный ток 50 А, каждый со своей длительностью в соответствии с выбранным значением ϕ. Средний ток за период на плавящийся электрод составит 93⋅0,8+50⋅0,2=74,4+10=84,4 А. Но определять скорость расплавления электрода следует не по среднему току, а по каждому току отдельно, так плавление анода и катода происходит с разной интенсивностью.

При назначении токов импульсов в случае, если источник питания позволяет устанавливать только одинаковые токи импульсов следует ориентироваться на минимальный из полученных токов или их среднее значение.

При использовании сварочных источников питания с равными токами импульсов необходимо определять значение коэффициента ϕ, которое может обеспечить данный источник питания, поскольку ϕ регулируется с некоторым шагом, дискретно. Наличие определенного диапазона допустимых токов на неплавящийся электрод в соответствии с данными таблицы 1 всегда позволяет это выполнить. Для этого коэффициент ϕ следует выбрать вначале ориентировочно как величину отношения допустимых токов обратной и прямой полярностей. Например, если используется электрод диаметром 5 мм, то согласно таблице 1 отношение средних допустимых токов 60/350=0,172. Ближайшее значение у источника будет ϕ=0,2. Далее подбор токов выполняется аналогично описанному выше, с возможностью некоторого разброса токов, допускаемого таблицей 1.

Рекомендуемые токи для плавящегося электрода на обратной полярности при однодуговой сварке известны. Они имеют определенный диапазон. Поэтому для заданного диаметра вольфрамового электрода можно подобрать диаметр плавящегося электрода, при котором будет получена необходимая производительность расплавления электрода П=α_PI.

Регулирование времени протекания токов дуг прямого и косвенного действия необходимо для создания дополнительных технологических возможностей связанных с выбором оптимального переноса капель электродного металла и давлением дуг на сварочную ванну, регулирования соотношения между проплавлением основного металла и расплавлением электродного металла, эффективного разрушения окисной пленки алюминия на изделии и электроде.

На фиг. 7 показана схема заполнения сварного шва с V-образной разделкой свариваемых кромок по предлагаемому способу при сварке алюминиевого изделия 3. Неплавящийся электрод 2 и плавящийся электрод 7 располагаются вдоль направления сварки и движутся со скоростью V_C, причем неплавящийся электрод 2 располагается впереди по отношению к направлению сварки. Дуга прямого действия 5 с неплавящегося электрода 2 обеспечивает катодную очистку поверхности кромок и их проплавление. Свариваемое изделие 3 представляет собой стыковое соединение с V-образной разделкой кромок, притупление которого b. Толщина пластин стыкового соединения δ, высота разделки кромок (δ-b). Дуга с неплавящегося электрода 1, обеспечивает проплавление 100% притупления b. Вторая дуга косвенного действия (на фиг. 7 не показана), горит с плавящегося электрода 7 на неплавящийся электрод 2 и обеспечивает максимальное заполнение проплавление разделки кромок жидким расплавленным металлом. При действии дуги косвенного действия, происходит катодная очистка плавящегося электрода 7 от окисной пленки алюминия, когда он является катодом. В связи с высокой скоростью расплавления плавящегося электрода 7 на обратной и прямой полярности дуги происходит заполнение V-образной разделки кромок на значительную высоту. При сравнительно небольшой толщине соединяемых деталей δ≤10 мм возможно полное заполнение разделки за один проход.

Пример 1. Проектировали наплавку по предлагаемому способу электродной проволокой Св- АМц на пластину из алюминиевого сплава АМц толщиной δ=6 мм. Дуга прямого действия между неплавящимся электродом диаметром d_Э=4 мм сварочной горелки и изделием, горящая в среде аргона. Дуга питалась от сварочного источника питания с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы типа TIG200P AC/DC. Источник питания позволяет использовать импульсы с частотой 60 Гц. Номинальный ток источника питания 200 А. Технические характеристики источника питания приведены в таблице 5.

Данные приведены в паспорте и руководстве по эксплуатации установок для аргоно-дуговой сварки универсальных инверторных фирмы «Brima Welding International, 22 с. С. 6. Издательство «Тиберис». Сайт: www.tiberis.ru/katalog-brendov/brima/ Дата обращения 04.09.19 г.

Источник питания позволяет изменять долю протекания тока обратной полярности и соответственно прямой полярности при установке равных токов импульсов прямой и обратной полярности. Источник питания снабжен высокочастотным возбудителем импульсов дуги.

Дуга между неплавящимся электродом и плавящимся электродом питалась от второго такого же источника питания. Наплавку выполняли с помощью сварочного полуавтомата сварочной установки FastMig MXF 65 фирмы Кемпи, держатель которого устанавливали на сварочный автомат АДСВ-6.

Баланс обратной полярности в дуге прямого действия был выбран ϕ=0,2, затем подбирались равные токи импульсов прямой и обратной полярности. Для неплавящегося электрода диаметром 4 мм по таблице 1 выбираем средний рекомендуемый ток прямой полярности при однодуговой сварке I_СП=295 А, для обратной полярности I_СО=40 А. Отношение допустимых токов I_СО/I_СП=40/295=0,136. Выбираем ближайшее значение ϕ=0,2, обеспечивающее катодное разрушение окисной пленки на изделии. При использований только импульса тока обратной полярности при однодуговой сварке ток в импульсе I_ПО=40/0,2=200 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_ПП=295/0,8≈368 А. В связи с тем, что разные токи на источнике установить нельзя, принимаем для неплавящегося электрода средний ток импульсов I_ПО=I_ПП=284 А. При действии одновременно двух видов импульсов данный ток нужно разделить на 2. Получаем токи импульсов на неплавящийся электрод при однодуговой сварке I_НК=I_НА=142 А. При действии по предлагаемому способу импульсов от дуг прямого и косвенного действия токи дуг на неплавящийся электрод необходимо уменьшить еще в 2 раза. Получаем I_ПО=I_ПП≈71 А. Аналогично для дуги косвенного действия оба тока останутся равными I_КК=I_KA≈71 А.

Проверяем стойкость вольфрамового электрода

71⋅7,38⋅0,2+71⋅0,8≈162 А.

Это меньше среднего допустимого тока прямой полярности на неплавящийся электрод 162 А < 295 А.

Для данного среднего тока дуги косвенного действия 71 А по таблице 4 можно выбрать проволоку диаметром 0,8 мм.

Рассчитывали по формуле (6) скорость расплавления электродной проволоки. Поскольку импульсы токов дуги косвенного действия равны, то эффективный коэффициент расплавления за период α_РЭ можно определить по формуле

где α_РА - коэффициент расплавления электродной проволоки, когда она является анодом в дуге прямого действия (обратная полярность), г/(А⋅ч);

α_РК - коэффициент расплавления электродной проволоки, когда она является катодом в дуге прямого действия (прямая полярность), г/(А⋅ч).

Значение α_РА можно принять установленным в опыте с дугой обратной полярности α_РА=8,72 г/(А⋅ч), так как коэффициент расплавления на алюминиевой проволоке мало зависит от диаметра. Значение α_РК принимаем α_РК=19,33 г/(А⋅ч) по опытам с дугой прямой полярности. Получаем

α_РЭ=8,72⋅0,8+19,33⋅0,2=10,85 г/(А⋅ч).

Получили, что коэффициент расплавления электродной проволоки повысился почти на 24% по сравнению с дугой обратной полярности при однодуговой сварке. Производительность расплавления электрода при токе 71 А составит 71⋅10,85=770 г/час.

Несмотря на малую долю тока на плавящийся электрод-катод приращение скорости достаточно велико из-за высокой скорости расплавления катода. Действительная скорость подачи при сварке составила V_Э=15,0 см/с при расчетной по формуле (6) 15,9 см/с.

Оценивали проплавляющую способность дуги прямого действия по формулам (4) и (5) путем расчета удельной эффективной мощности при таком сочетании полярностей с учетом значения ϕ=0,2.

q_Э=4,86+1,15⋅10^-2⋅71⋅0,8+7,94+2,38⋅10^-2⋅71⋅0,2≈13,8 Вт/А.

Полная мощность в изделие

q_И=13,8⋅71=980 Вт.

В результате наплавки на скорости сварки V_С=0,3 см/с при расходе аргона 10 л/мин получили ширину валика шва 7 мм, площадь поперечного сечения наплавленного металла F_H=75 мм², площадь поперечного сечения проплавления основного металла F_O=7 мм². Доля участия основного металла в металле шва 9,3%, что является хорошим результатом из-за малого перемешивания основного и наплавляемого металла. При этом происходила хорошая очистка изделия и алюминиевой проволоки от окисной пленки алюминия, количество окисных включений в шве уменьшилось по сравнению с однодуговой наплавкой плавящимся электродом на обратной полярности.

Пример 2. С целью определения мощности источников питания необходимых для осуществления предлагаемого способа при использовании вольфрамового электрода диаметром 6 мм при ϕ=0,3 рассчитывали допустимый ток на неплавящийся электрод.

Для неплавящегося электрода диаметром 6 мм по таблице 1 допускается средний ток прямой полярности при однодуговой сварке I_СП=400 А, для обратной полярности I_СО=80 А. Отношение допустимых токов I_МП/I_МО=400/80=5. Обратная величина составляет ϕ=1/5=0,2. Большинство источников питания позволяют получить значение ϕ, кратное 0,1. Ближайшее значение, кратное 0,1 составляет 0,3. Принимаем последнее значение.

При использовании только импульса тока обратной полярности при однодуговой сварке ток в импульсе I_ПО=80/0,3≈267 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_ПП=400/0,7≈570 А. В связи с тем, что разница токов токи на источнике достаточно велика, необходимо подбирать источники питания, обеспечивающие регулирование токов в импульсах с номинальным током на 600/2/2=150 А и регулирование длительности протекания импульсов. К таким источникам относится источник серии TIG200P AC/DC.

Пример 3. Для условий примера 1 использовали диаметр вольфрамового электрода 5 мм.

Баланс обратной полярности в дуге прямого действия был выбран ϕ=0,3, затем подбирались равные токи импульсов прямой и обратной полярности. Для неплавящегося электрода диаметром 5 мм по таблице 1 допускается средний ток прямой полярности при однодуговой сварке I_СП=350 А, для обратной полярности I_СО=60 А. Отношение допустимых токов I_МП/I_МО=350/60=5,83. Обратная величина составляет ϕ=1/(5,83)=0,17. Источники питания позволяет получать значение ϕ=0,3. При использовании только импульса тока обратной полярности при однодуговой сварке ток в импульсе I_ПО=60/0,3=200 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_ПП=350/0,7=500 А. В данном случае расчетные токи отличаются почти в 2 раза. Принимаем за основу средний ток 350 А. При действии двух видов импульсов одновременно токи нужно уменьшить в 2 раза, до 175 А. При действии импульсов от дуг прямого и косвенного действия токи дуг на неплавящийся электрод необходимо уменьшить еще в 2 раза. Получаем I_ПО=I_ПП≈87,5 А.

Проверяем стойкость неплавящегося электрода, приведенную к прямой полярности

(87,5⋅0,3⋅5,83+87,5⋅0,7)⋅2=428 А.

Это несколько больше среднего допустимого тока прямой полярности на неплавящийся электрод, который составляет 350 А и максимального 400 А. Можно оставить полученные токи импульсов, так как мы ориентировались на средние значения допустимого диапазона, а можно уменьшить токи импульсов, например до 90 А и снова выполнить проверку.

Аналогично для дуги косвенного действия I_КК=I_KA=87,5 А. Средний за период ток дуги на плавящийся электрод также 87,5 А.

Для тока в плавящийся электрод 87,5 А согласно таблице 4 подходит диаметр электродной проволоки 0,8 мм.

Рассчитывали по формуле (6) скорость расплавления электродной проволоки. Поскольку токи дуг равны, то эффективный коэффициент расплавления период α_РЭ можно определить по формуле (8). Коэффициент расплавления электродной проволоки мало зависит от ее диаметра. Поэтому, как и в примере 1, получаем α_РЭ≈10,85 г/(А⋅ч).

Расчетная скорость подачи проволоки 20 см/с, опытная 19,5 см/с. Производительность расплавления при токе в плавящийся электрод 95 А составит П=10,85⋅87,5=949 г/час.

На данном режиме можно выполнять сварку значительной толщины с заполнением разделки кромок. При этом скорость сварки подбирается такой, чтобы при данном токе обеспечить полное проплавление притупления. Подходящую скорость сварки можно выбирать При однодуговой сварке по притуплению, так как установлено, что жидкий электродный металл практически не влияет на проплавление изделия. При сварке комбинацией дуг будет происходить максимальное заполнение разделки кромок электродным металлом плавящегося электрода.

Доказательство того, что мощность с электродного металла слабо влияет на проплавление основного металла приводятся в монографии В.П. Сидорова «Расчеты параметров сварки плавлением». Тольятти. - Изд-во ТГУ, 2017. - 250 с., С. 229-237.

Пример 4. Для условий примера 3 определяли производительность расплавления электрода, при условии, что источник позволяет выбирать различные токи импульсов, а доля обратной полярности ϕ=0,5. Для однодуговой сварки определили, как и в примере 3, для действия одного импульса I_ПО=60/0,5=120 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_ПП=350/0,5=700 А. В случае действия одновременно разных импульсов токи однодуговоцй сварки нужно уменьшить в 2 раза I_ПО=60 А, I_ПП=350 А. При сварке по предлагаемому способу токи дуг следует уменьшить еще в 2 раза. I_КК=I_ПО=30А и I_KA=I_ПП=175 А, Проверяем стойкость неплавящегося электрода (30⋅0,5⋅5,83+175⋅0,5)2=350 А=350 А, допустимых в среднем для прямой полярности.

Среднее значение тока на плавящийся электрод и в изделии

I_СП=30⋅0,5+175⋅0,5=15+87,5≈102,5 А.

Для данного тока согласно таблице 4 подбираем электродную проволоку диаметром 0,8 мм. Поскольку токи дуг не равны, то эффективный коэффициент расплавления период α_РЭ можно определить по формуле (8), но с учетом величины и длительности протекания тока. Коэффициент расплавления электродной проволоки мало зависит от ее диаметра. Поэтому, значения коэффициентов расплавления принимаем, как в примерах 1 и 3.

α_РЭ≈(8,72⋅0,5⋅175+19,33⋅0,5⋅30)/102,5=(763+290)/102,5=10,3 г/(А⋅ч).

Рассчитывали по формуле (6) скорость расплавления электродной проволоки 22,7 см/с Производительность расплавления при среднем токе в плавящийся электрод 102,5 А составит П=10,3⋅102,5=1056 г/час.

Оценивали проплавляющую способность дуги прямого действия по формулам (4) и (5) путем расчета удельной эффективной мощности при таком сочетании полярностей с учетом значения ϕ=0,5.

q_Э=4,86+1,15⋅10^-2175⋅0,5+7,94+2,38⋅10^-2⋅30⋅0,5≈14,17 Вт/А.

Удельная эффективная мощность по сравнению с примером 1 изменилась незначительно. Полная мощность в изделие

q_И=102,5⋅14,17=1452 Вт.

Способ может быть реализован с помощью выпускаемых промышленностью полуавтоматов и автоматов для механизированной и автоматической сварки в инертных газах с подачей присадочной проволоки совместно с выпускаемыми серийно сварочными источниками питания разнополярных импульсов тока. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.

Claims (1)

1. Способ механизированной сварки и наплавки алюминиевых сплавов комбинацией дуг в среде инертного газа, включающий зажигание дуги прямого действия между неплавящимся электродом и изделием и зажигание дуги косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами, при этом плавящийся электрод из алюминиевого сплава непрерывно подают в дугу прямого действия, а питание дуг прямого и косвенного действия осуществляют от двух источников питания, причем неплавящийся электрод подключают к полюсу первого источника питания, второй полюс которого подключают к изделию, а плавящийся электрод подключают к полюсу второго источника питания, второй полюс которого подключают к неплавящемуся электроду, при этом обеспечивают периодическую пульсацию токов дуг с одинаковой частотой, отличающийся тем, что дуги питают от источников разнополярных импульсов тока, причем во время пропускания импульса тока обратной полярности дуги прямого действия пропускают ток дуги косвенного действия с отрицательного плавящегося электрода на неплавящийся электрод, а в период пропускания импульса тока прямой полярности дуги прямого действия пропускают ток дуги косвенного действия с отрицательного неплавящегося электрода на положительный плавящийся электрод, при этом отношение длительности пропускания тока обратной полярности к длительности периода выбирают в пределах 0,2…0,5, величину токов импульсов на неплавящийся электрод выбирают в соответствии с токами прямой и обратной полярности, рекомендуемыми при однодуговой сварке, из условия обеспечения его стойкости, а среднее за период значение тока, подаваемого на плавящийся электрод, принимают в соответствии с рекомендуемым током для однодуговой сварки на обратной полярности с учетом выбора необходимого количества наплавленного металла и глубины проплавления.

Images