RU2763912C1 - Method for plasma surfacing and welding by combination of arcs - Google Patents
Method for plasma surfacing and welding by combination of arcs Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763912C1 RU2763912C1 RU2021108741A RU2021108741A RU2763912C1 RU 2763912 C1 RU2763912 C1 RU 2763912C1 RU 2021108741 A RU2021108741 A RU 2021108741A RU 2021108741 A RU2021108741 A RU 2021108741A RU 2763912 C1 RU2763912 C1 RU 2763912C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- arc
- welding
- compressed
- nozzle
- current
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
- B23K10/02—Plasma welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
- B23K9/173—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Arc Welding In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сварки и может использоваться для осуществления наплавки и сварки металлов во всех отраслях производства и услуг.The invention relates to the field of welding and can be used for surfacing and welding of metals in all industries and services.
Известен способ плазменной сварки с использованием тугоплавкой вставки из вольфрама, установленной в металлическое сопло плазмотрона. При превышении током сжатой дуги прямого действия прямой полярности порога аварийного двойного дугообразования на кромке выходного отверстия сопла плазменной горелки возникает шунтирующая дуга, которая, перемещаясь по этой кромке, достигает вставки, фиксируется на ней и в дальнейшем горит со вставки. На обрабатываемой детали обе дуги создают вытянутую вдоль направления сварки зону нагрева (см. АС №721273 СССР, опубл. 15.03.80 г., Бюл. №10).A known method of plasma welding using a refractory insert made of tungsten, installed in a metal nozzle of the plasma torch. When the direct-acting compressed arc current exceeds the threshold of emergency double arcing, a shunt arc arises at the edge of the outlet hole of the plasma torch nozzle, which, moving along this edge, reaches the insert, fixes on it, and then burns from the insert. On the workpiece, both arcs create a heating zone extended along the welding direction (see AS No. 721273 of the USSR, publ. 15.03.80, Bull. No. 10).
Техническими проблемами при использовании способа обработки изделия шунтированными дугами является нестабильность соотношения токов сжатой и свободной дуги и невозможность управления этим соотношением, малое значение тока сжатой дуги, а также то, что свободная дуга, как и сжатая, является дугой прямой полярности. При использовании сжатой дуги обратной полярности образование свободной шунтированной дуги приведет к появлению анодного пятна шунтирующей дуги на вольфрамовой вставке. Такая дуга вводит в вольфрамовый электрод, которым, при горении на нее дуги, является вставка, большую мощность, что при низкой стойкости вставки приводит к ее расплавлению или необходимости использовать очень малые токи.Technical problems when using the method of processing a product with shunted arcs are the instability of the ratio of the currents of the compressed and free arc and the impossibility of controlling this ratio, the low value of the current of the compressed arc, and the fact that the free arc, like the compressed one, is an arc of direct polarity. When using a compressed arc of reverse polarity, the formation of a free shunt arc will lead to the appearance of an anode spot of the shunt arc on the tungsten insert. Such an arc introduces a large power into the tungsten electrode, which, when the arc burns on it, is an insert, which, with a low resistance of the insert, leads to its melting or the need to use very low currents.
Известен способ плазменной 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 и через балластное сопротивление положительный полюс к соплу, используют плавящийся электрод, подключаемый через второе балластное сопротивление к положительному полюсу источника питания, зажигают дежурную дугу между неплавящимся электродом и соплом, с ее помощью зажигают сжатую дугу прямого действия прямой полярности между неплавящимся электродом и изделием, после чего дежурную дугу отключают, подают плавящийся электрод в дугу прямого действия, зажигая дугу косвенного действия между неплавящимся и плавящимся электродами (см. статью И.Е. Тавер, М.Х. Шоршоров «Сварка стали двойной плазменной струей», Сварочное производство, 1971 г, №10, С.26-28).A known method of plasma welding in an argon environment with a combination of arcs of direct and indirect action, through which the negative pole of the welding power source is connected to the non-consumable electrode, and the positive pole of the welding power source is connected to the product and through the ballast resistance the positive pole to the nozzle, using a consumable electrode connected through the second ballast resistance to the positive pole of the power source, a pilot arc is ignited between the non-consumable electrode and the nozzle, with its help a compressed arc of direct action of direct polarity is ignited between the non-consumable electrode and the workpiece, after which the pilot arc is turned off, the consumable electrode is fed into the direct arc, igniting the indirect arc between non-consumable and consumable electrodes (see the article by I.E. Taver, M.Kh. Shorshorov “Welding steel with a double plasma jet”, Welding production, 1971, No. 10, S. 26-28).
Данный способ является способом наплавки и сварки с использованием комбинации свободной косвенной и сжатой прямого действия дуг.This method is a surfacing and welding method using a combination of free indirect and compressed direct arcs.
Технической проблемой известного способа является его ограниченные технологические возможности по сварке металлов и сплавов с различными физическими свойствами, так как сжатой дугой выполняется сварка при подключении к изделию положительного полюса источника питания и так свариваются только стали. Противоположное подключение отрицательного полюса источника питания к изделию для сварки алюминия, а положительного полюса к неплавящемуся электроду приводит к высокой тепловой нагрузке на неплавящийся электрод и его низкой стойкости в сжатой дуге прямого действия, низкой мощности этой дуги. Подключение отрицательного полюса к плавящемуся электроду дуги косвенного действия приводит к тому, что он, становясь катодом, плавится с нестабильной скоростью.The technical problem of the known method is its limited technological capabilities for welding metals and alloys with different physical properties, since welding is performed with a compressed arc when the positive pole of the power source is connected to the product and only steels are welded in this way. The opposite connection of the negative pole of the power source to the product for aluminum welding, and the positive pole to the non-consumable electrode leads to a high thermal load on the non-consumable electrode and its low resistance in a compressed direct arc, low power of this arc. Connecting the negative pole to a consumable indirect arc electrode causes it to melt at an unstable rate as it becomes the cathode.
В связи с этим однодуговая сварка дугой обратной полярности с вольфрамовым электродом в аргоне и дуги с плавящимся электродом прямой полярности в защитных газах практическим не используются. Поэтому известный способ может использоваться при сварке алюминиевых сплавов толщиной не более миллиметра.In this regard, single-arc welding with an arc of reverse polarity with a tungsten electrode in argon and arcs with a consumable electrode of direct polarity in shielding gases are practically not used. Therefore, the known method can be used when welding aluminum alloys with a thickness of not more than a millimeter.
В то же время электродная проволока, являясь в известном способе анодом, имеет наиболее низкий коэффициент расплавления. Это снижает возможности повышения производительности сварки при заполнении разделки свариваемых кромок и при сварке угловых швов.At the same time, the electrode wire, being the anode in the known method, has the lowest melting factor. This reduces the possibility of increasing the productivity of welding when filling the groove of welded edges and when welding fillet welds.
Другой технической проблемой является наличие электрической связи между дугами прямого и косвенного действия, питаемых от одного сварочного источника питания, что при определенных соотношениях параметров дуг и сварочной цепи приводит к нарушению стабильности процесса, облегчает возникновение аварийной двойной дуги от сжатой дуги прямого действия. Свободная дуга косвенного действия в известном способе ответвляется от дуги прямого действия.Another technical problem is the presence of electrical connection between arcs of direct and indirect action, fed from one welding power source, which, at certain ratios of the parameters of the arcs and the welding circuit, leads to a violation of the stability of the process, facilitates the occurrence of an emergency double arc from a compressed arc of direct action. Free arc of indirect action in a known way branches off from the arc of direct action.
Кроме того, ток в столбе сжатой дуги внутри сопла плазмотрона равен сумме токов в изделие и в электродную проволоку. Возникновение аварийной двойной дуги происходит При достижении данным током некоторого предельного значения. Это ограничивает токи дуг прямого и косвенного действия. Регулирование токов дуг возможно только в пределах сохранения их суммарного тока. Это также ограничивает технологические возможности процесса сварки.In addition, the current in the compressed arc column inside the plasma torch nozzle is equal to the sum of the currents into the product and into the electrode wire. The occurrence of an emergency double arc occurs when this current reaches a certain limit value. This limits the currents of arcs of direct and indirect action. Regulation of arc currents is possible only within the limits of conservation of their total current. This also limits the technological possibilities of the welding process.
Помимо этого, сжатая дуга постоянного тока прямой полярности обеспечивает минимальные допустимые токи в канале сопла по отношению к другим видам дуг в отношении возникновения аварийной двойной дуги. Это обусловлено тем, что возникновение двойной дуги, как и других сварочных дуг, лимитируется возникновением катодной области дуги. На прямой полярности возникновение катодной области двойной дуги происходит в конце канала сопла, в котором толщина изолирующей прослойки между столбом сжатой дуги и стенкой сопла минимальна. Толщина прослойки минимальна из-за прогрева плазмообразующего газа по мере его движения по длине сопла. Это ограничивает мощность сжатой дуги и ее газокинетическое давление, которые зависят от силы тока.In addition, a straight polarity compressed DC arc provides the lowest allowable currents in the nozzle channel with respect to other types of arcs in relation to the occurrence of an emergency double arc. This is due to the fact that the occurrence of a double arc, like other welding arcs, is limited by the occurrence of the cathode region of the arc. At direct polarity, the occurrence of the double arc cathode region occurs at the end of the nozzle channel, in which the thickness of the insulating layer between the compressed arc column and the nozzle wall is minimal. The thickness of the interlayer is minimal due to the heating of the plasma-forming gas as it moves along the length of the nozzle. This limits the power of the compressed arc and its gas-kinetic pressure, which depend on the strength of the current.
В известном способе плазменной наплавки и сварки в среде инертного газа комбинацией сжатой дуги прямого действия и свободной дуги косвенного действия с плавящимся электродом, при котором к неплавящемуся электроду подключают полюс сварочного источника питания, а к изделию его второй полюс и, через балластное сопротивление, подключают второй полюс также к соплу, зажигают дежурную дугу между неплавящимся электродом и соплом, с ее помощью зажигают сжатую дугу прямого действия между неплавящимся электродом и изделием, плавящийся электрод подают непрерывно в направлении столба сжатой дуги прямого действия, для питания сжатой дуги используют сварочный источник питания с разнополярными импульсами тока частотой не менее 50 Гц, напряжение на дуговые промежутки между неплавящимся электродом плазмотрона и изделием и соплом подают постоянно, причем отношение среднего за период тока импульсов прямой полярности в сжатой дуге к среднему току за период выбирают в пределах 0,3-0,9, свободную дугу косвенного действия формируют от второго источника питания между неплавящейся вставкой, установленной в сопло плазмотрона и электродной проволокой.In the known method of plasma surfacing and welding in an inert gas environment, a combination of a compressed direct arc and a free arc of indirect action with a consumable electrode, in which the pole of the welding power source is connected to the non-consumable electrode, and its second pole is connected to the product and, through the ballast resistance, the second pole also to the nozzle, a pilot arc is ignited between the non-consumable electrode and the nozzle, with its help a compressed direct-acting arc is ignited between the non-consumable electrode and the workpiece, the consumable electrode is fed continuously in the direction of the direct-acting compressed arc column, to power the compressed arc, a welding power source with bipolar current pulses with a frequency of at least 50 Hz, the voltage across the arc gaps between the non-consumable electrode of the plasma torch and the product and the nozzle is constantly applied, and the ratio of the average current for the period of direct polarity pulses in the compressed arc to the average current for the period is selected within 0.3-0.9 , free arc indirectly long action is formed from the second power source between the non-consumable insert installed in the plasma torch nozzle and the electrode wire.
В данном способе первой может зажигаться сжатая дуга прямого действия, а второй свободная дуга косвенного действия, и наоборот или они могут зажигаться одновременно.In this method, the compressed arc of direct action can be ignited first, and the second free arc of indirect action, and vice versa, or they can be ignited simultaneously.
В данном способе в качестве второго сварочного источника питания для дуги косвенного действия может использоваться источник с разнополярными импульсами тока частотой не менее 50 Гц, причем отношение среднего за период тока импульсов с положительной тугоплавкой вставки сопла на отрицательную электродную проволоку к среднему току импульсов за период выбирают в пределах 0,2-0,6.In this method, as a second welding power source for an indirect arc, a source with bipolar current pulses with a frequency of at least 50 Hz can be used, and the ratio of the average pulse current per period from the positive refractory insert of the nozzle to the negative electrode wire to the average pulse current per period is chosen in within 0.2-0.6.
В качестве второго сварочного источника питания для дуги косвенного действия может использоваться источник однофазного переменного тока промышленной частоты.As a second welding power source for an indirect arc, a power frequency single-phase alternating current source can be used.
Помимо этого в способе в качестве второго сварочного источника питания для дуги косвенного действия может использоваться источник постоянного тока, отрицательный полюс которого подключают к соплу, а положительный к электродной проволоке.In addition, in the method, a direct current source can be used as a second welding power source for an indirect arc, the negative pole of which is connected to the nozzle, and the positive pole to the electrode wire.
На фиг.1 представлена схема реализации способа, на фиг.2 - циклограмма токов сжатой дуги, на фиг.3 - циклограмма токов свободной дуги, на фиг.4 - расположение дуг при сварке, на фиг.5 - зависимости допустимых токов на вольфрамовые электроды, на фиг.6 - зависимости для удельных эффективных мощностей дуг.Figure 1 shows a diagram of the implementation of the method, figure 2 - sequence diagram of the compressed arc currents, figure 3 - sequence diagram of the currents of the free arc, figure 4 - the location of the arcs during welding, figure 5 - dependence of the allowable currents on tungsten electrodes , figure 6 - dependencies for the specific effective power of the arcs.
На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа сварки при использовании в качестве сварочного источника питания свободной дуги косвенного действия источника разнополярных импульсов тока прямоугольной формы.Figure 1 shows a diagram of the implementation of the proposed method of welding when used as a welding power source of a free arc of indirect action of a source of bipolar rectangular current pulses.
В пространство между вольфрамовым электродом 1, установленным в медное сопло 2 плазмотрона и соплом 2 подается плазмообразующий инертный газ. Один полюс сварочного источника питания 3 разнополярных прямоугольных импульсов тока подключен к вольфрамовому электроду 1, а другой полюс к свариваемому изделию 4 через выключатель 5 и через регулируемое балластное сопротивление 6 и выключатель 7 к соплу 2 плазмотрона. Один из полюсов второго сварочного источника питания 8, генерирующего разнополярные прямоугольные импульсы тока, подключают к электродной проволоке 9. Второй Полюс источника питания 8 подключают к соплу 2 через выключатель 10. В сопло 2 плазмотрона с ее торца закрепляют тугоплавкую цилиндрическую вставку 11 из вольфрама. Вольфрамовая вставка 11 может выступать из сопла 2 на некоторое расстояние, как внутри сопла, так и снаружи. Она может также располагаться на боковой стороне сопла 2.In the space between the
Способ осуществляется следующим образом. Вначале включают выключатель 7 и зажигают дежурную дугу 12 между вольфрамовым электродом 1 и медным соплом 2 с помощью высокочастотного возбудителя дуги, встроенного в источник питания 3. Дежурная дуга 12 настроена по длительности импульсов аналогичную настройке сжатой дуги прямого действия, а ее ток ограничивают с помощью балластного сопротивления 6. Дежурная дуга 12 ионизирует дуговой промежуток между вольфрамовым электродом 1 и изделием 4. После этого включают выключатель 5 в цепи изделия 4 и под воздействием приложенного напряжения источника питания 3 к ионизированному промежутку между изделием 4 и электродом 1, зажигается рабочая сжатая дуга прямого действия 13 переменной полярности с прямоугольными импульсами тока. Выключатель 7 в процессе сварки или наплавки остается включенным и дежурная дуга 12 продолжает гореть в процессе горения рабочей дуги 13. Горение дежурной дуги 12 при смене полярности поддерживается высокочастотным возбудителем дуги, встроенным в источник питания 3, а сжатой дуги прямого действия 13 ионизирующим действием дежурной дуги 12. После зажигания с помощью дежурной дуги 12 сжатой дуги 13 включают с помощью выключателя 10 рабочее напряжение от второго источника питания 8 между соплом 2 и электродной проволокой 9. Вследствие растекания плазмообразующего газа из медного сопла 2 по изделию 4 и действия высокочастотного возбудителя дуги, встроенного во второй источник питания 8, между вставкой из вольфрама 11 и электродной проволокой 9 зажигается свободная дуга косвенного действия 14, питаемая разнополярными импульсами тока прямоугольной формы. Затем включают подающий механизм, приводящий в движение посредством подающих роликов 15 электродную проволоку 9 со скоростью, соответствующей скорости ее плавления Vэ. В сопле 2 могут выполняться отверстия 16 для защиты зоны вокруг тугоплавкой вольфрамовой вставки 11 от воздуха. Сварочный плазмотрон с медным соплом 2 перемещается вдоль стыка деталей свариваемого изделия 4 со скоростью сварки Vc. Капли электродного металла от расплавления электродной проволоки 9 попадают в сварочную ванну, образованную на изделии рабочей сжатой дугой прямого действия 13. Дуга косвенного действия 14 благодаря вольфрамовой вставке 11 и нестационарному во времени режиму горения, а также действию защитного газа, проходящего через отверстия 16, обладает высокой пространственной устойчивостью. Это позволяет располагать плоскость, проходящую через оси вольфрамового электрода 1 и вольфрамовой вставки 11 под различными углами к направлению сварки и поворачивать эту плоскость на угол от нуля до 180 градусов, в зависимости от технологических потребностей процесса. В первую очередь расположение дуги косвенного действия 14 должно обеспечить попадание капель с электродной проволоки 9 в сварочную ванну. Регулировка импульсов тока в сварочном источнике питания 8 осуществляется в диапазоне отношения среднего за период тока с положительной вольфрамовой вставки 11 к полному среднему току этой дуги за период от μ=0,6-0,2, что обеспечивает разрушение окисных пленок на электродной проволоке 9 и одновременно повышает до 1,5 раз скорость ее расплавления, по сравнению с однодуговой сваркой на обратной полярности, и в известном способе. С учетом независимого регулирования токов дуг от разных источников питания 3 и 8, ток в дуге косвенного действия 14 может быть увеличен почти неограниченно, что еще в несколько раз может повысить производительность наплавки. Это свойство способа особенно необходимо при заполнении разделки кромок стыковых соединений и при сварке угловых швов, а также при наплавке.The method is carried out as follows. First, the
Разрушение окисных пленок на электродной проволоке 9 происходит в то время, когда на нее подается отрицательный потенциал относительно вольфрамовой вставки 11. Это является одним из факторов, повышающих стабильность скорости расплавления электродной проволоки 9. Другим важным фактором является изменение полярности дуги 14 с достаточно высокой частотой, что ограничивает возможности блуждания катодного пятна свободной дуги косвенного действия 14 на электродной проволоке 9.The destruction of the oxide films on the
Зажигание сжатой дуги 13 и свободной дуги 14 может производиться и в обратной последовательности, что обусловлено наличием в источнике разнополярных импульсов тока 8 высокочастотного возбудителя дуг. То есть сначала может зажигаться свободная дуга косвенного действия 14 между неплавящейся вставкой 11 и электродной проволокой 9, а затем подключается сопло 2 к источнику питания 3 через выключатель 7 и с помощью высокочастотного возбудителя источника питания 3 зажигается дежурная дуга 12 и потом сжатая дуга прямого действия 13.The ignition of the
В качестве тугоплавкой вставки 11 сопла могут использоваться как все марки вольфрамовых электродов, так и комбинированные электроды, используемые, например, при воздушно-плазменной резке. Тугоплавкая вставка 11 может устанавливаться в сопло 2 как заподлицо с поверхностью сопла 2, так и выступать из нее. Она также может устанавливаться в сопло 2 в сквозное отверстие и выступать из внутренней поверхности сопла 2 или быть заподлицо с внутренней поверхностью сопла. В этом случае дежурная дуга 12 может гореть на эту вставку, что повысит стойкость сопла 2.As a
При сварке дуга косвенного действия 14 может располагаться как впереди по отношению к направлению сварки, так и позади, а также под любым углом, при котором обеспечивается оптимальное попадание капель электродного металла с электродной проволоки 9 в сварочную ванну.When welding, the arc of
Частоту импульсов в дуге косвенного действия 14 не следует выбирать меньше 50 Гц, так как это привело бы к значительным затратам при изготовлении источника питания, не обеспечив технологических преимуществ. Частота 50 Гц соответствует частоте сети переменного тока, что облегчает производство и использование необходимых для реализации способа источников питания. Современные источники питания, обеспечивающие генерацию разнополярных импульсов тока, используют частоты 50-150 Гц. При этом установлено, что изменение частоты в пределах 150-400 Гц не влияет на технологические свойства дуги. В диапазоне 50-150 Гц такое влияние также невелико. Данные о слабом влиянии частоты на технологические свойства дуги приведены в монографии Савинова А.В. и др. Дуговая сварка неплавящимся электродом. Μ.: Машиностроение, 2011, 477 с, стр. 276-277. Частота 50 Гц и выше обеспечивает равномерное расплавление сварочной проволоки, поскольку инерция тепловых процессов в проволоке намного больше, чем инерция энергетических характеристик дуги.The pulse frequency in the
Частота импульсов сварочных источников питания 3 и 8 может быть как одинаковой, так и различной.The pulse frequency of the
Нестационарность во времени сжатой дуги прямого действия приводит к повышению предельных токов по отношению к аварийному режиму токов. Происходит периодическая смена зоны возникновения на металле сопла наиболее проблемной для аварийной дуги катодной области. Дополнительным фактором повышения предельных токов является наличие импульсов тока обратной полярности, во время протекания которых катодная область аварийной дуги возникает в начальном сечении канала, толщина изолирующей прослойки газа в котором максимальна.Non-stationarity in time of a compressed arc of direct action leads to an increase in the limiting currents in relation to the emergency mode of currents. There is a periodic change in the zone of occurrence on the metal of the nozzle, the most problematic for the emergency arc of the cathode region. An additional factor in increasing the limiting currents is the presence of current pulses of reverse polarity, during which the cathode region of the emergency arc occurs in the initial section of the channel, in which the thickness of the insulating gas layer is maximum.
Обе дуги питаются независимо от своих источников. При этом отсутствует электрическая связь между дугами. Токи в каждой дуге не влияют на ток другой дуги. Это позволяет повысить предельные токи, как сжатой дуги, так и свободной дуги косвенного действия.Both arcs are powered independently of their sources. In this case, there is no electrical connection between the arcs. The currents in each arc do not affect the current in the other arc. This allows you to increase the limiting currents of both the compressed arc and the free arc of indirect action.
Важными являются несколько параметров предлагаемого способа сварки. Для варианта с использованием двух источников питания разнополярных импульсов тока они следующие.Several parameters of the proposed welding method are important. For the option using two power supplies of bipolar current pulses, they are as follows.
Основными параметрами сжатой дуги прямого действия являются ее средние токи импульсов за период, частота импульсов, диаметр вольфрамового электрода, параметры его заточки, диаметр и длина цилиндрического участка сопла, расход плазмообразующего газа, расстояние от торца электрода до цилиндрического канала сопла, диаметр вольфрамового электрода, длина открытого участка столба дуги, напряжение дуги, расход защитного газа, средние токи импульсов дежурной дуги.The main parameters of a compressed arc of direct action are its average pulse currents per period, pulse frequency, diameter of the tungsten electrode, parameters of its sharpening, diameter and length of the cylindrical section of the nozzle, plasma gas flow rate, distance from the end of the electrode to the cylindrical channel of the nozzle, diameter of the tungsten electrode, length open area of the arc column, arc voltage, shielding gas consumption, average currents of pilot arc pulses.
Для свободной дуги косвенного действия между вольфрамовой вставкой сопла и электродной проволокой основными параметрами являются средние токи импульсов дуг за период, частота импульсов, диаметр вставки, напряжение дуги, расход защитного газа, вылет электрода, диаметр и скорость расплавления электродной проволоки, длина (напряжение дуги).For a free arc of indirect action between the tungsten insert of the nozzle and the electrode wire, the main parameters are the average arc pulse currents per period, pulse frequency, insert diameter, arc voltage, shielding gas consumption, electrode stick-out, diameter and melting rate of the electrode wire, length (arc voltage) .
Общими параметрами процесса наплавки комбинацией сжатой дуги прямого действия и свободной дуги косвенного действия являются скорость сварки, расстояние между осью сопла плазмотрона и тугоплавкой вставкой сопла, начальная температура свариваемого изделия.The general parameters of the surfacing process by a combination of a compressed arc of direct action and a free arc of indirect action are the welding speed, the distance between the axis of the plasma torch nozzle and the refractory insert of the nozzle, and the initial temperature of the workpiece to be welded.
В качестве сварочного источника питания дуги косвенного действия может использоваться сварочный источник постоянного тока. В этом случае отрицательный полюс источника питания должен подключаться к соплу, а положительный полюс к электродной проволоке. Это обеспечит максимальную стойкость вольфрамовой вставки и позволит получить высокую производительность расплавления электродной проволоки. Характеристики плавления и свойства плавящегося электрода такой дуги будут аналогичны свойствам плавящегося электрода при однодуговой сварке в среде аргона на обратной полярности. Источник питания постоянного тока дуги косвенного действия должен быть снабжен высокочастотным возбудителем дуги для ее начального зажигания.A direct current welding source can be used as an indirect arc welding power source. In this case, the negative pole of the power supply must be connected to the nozzle, and the positive pole to the electrode wire. This will provide maximum durability of the tungsten insert and will allow to obtain a high performance of melting the electrode wire. The melting characteristics and properties of the consumable electrode of such an arc will be similar to the properties of the consumable electrode in single arc welding in argon at reverse polarity. An indirect arc DC power supply must be provided with a high frequency arc starter for the initial ignition of the arc.
В качестве источника питания свободной дуги косвенного действия может служить сварочный трансформатор однофазного переменного тока промышленной частоты, оснащенный высокочастотным возбудителем для обеспечения смены полярности. В связи с разными теплофизическими свойствами тугоплавкой вставки сопла и электродной проволоки проявится вентильный эффект в дуге косвенного действия и напряжения дуг в импульсах будут различными. Появится постоянная составляющая тока с преобладанием импульса тока с отрицательной неплавящейся вставки на положительную электродную проволоку. Это благоприятно скажется на стойкости неплавящейся вставки. При этом коэффициент расплавления электродной проволоки будет иметь промежуточное значение между значениями при однодуговой сварке на обратной и прямой полярности.As a power source for a free arc of indirect action, a welding transformer of single-phase alternating current of industrial frequency, equipped with a high-frequency exciter to ensure polarity reversal, can serve. Due to the different thermophysical properties of the refractory insert of the nozzle and the electrode wire, the valve effect will appear in the indirect arc and the arc voltages in the pulses will be different. A direct current component will appear with a predominance of a current pulse from the negative non-consumable insert to the positive electrode wire. This will favorably affect the durability of the non-consumable insert. In this case, the melting factor of the electrode wire will have an intermediate value between the values for single-arc welding at reverse and direct polarity.
Предлагаемый способ, благодаря увеличению параметров процесса и диапазонов их изменения, обеспечивает возможности регулирования в широких пределах теплового и силового воздействия дуг на изделие и позволяет отыскивать наиболее благоприятное их сочетание. Таким образом, способ имеет большое число изменяемых параметров, что определяет высокую гибкость технологических процессов, реализуемых с его помощью. Под гибкостью понимается возможность одновременного поддержания на заданном уровне не одного, а двух и более показателей качества наплавленного или сварного шва.The proposed method, due to the increase in process parameters and ranges of their change, provides the ability to control the thermal and force effects of arcs on the product over a wide range and allows you to find the most favorable combination of them. Thus, the method has a large number of variable parameters, which determines the high flexibility of technological processes implemented with its help. Flexibility is understood as the possibility of simultaneously maintaining at a given level not one, but two or more indicators of the quality of the deposited or welded seam.
На фиг.2 представлена циклограмма тока сжатой дуги между вольфрамовым электродом плазмотрона и свариваемым изделием. Весь период цикла горения дуги обозначен tC, время горения импульса прямой полярности обозначен tENc, время импульса обратной полярности tEpc. Средний ток импульса прямой полярности обозначен Ienc, средний ток импульса обратной полярности обозначен Iерс. В общем случае токи импульсов и время их действия различны. Средний ток протекания прямой полярности Iens за период можно определить по формулеFigure 2 shows the cyclogram of the current of the compressed arc between the tungsten electrode of the plasma torch and the welded product. The entire period of the arc burning cycle is indicated by t C , the burning time of the direct polarity pulse is indicated by t ENc , the time of the reverse polarity pulse is t Epc . The average current of a pulse of direct polarity is designated I enc , the average current of a pulse of reverse polarity is designated I ers . In the general case, the pulse currents and their duration are different. The average straight polarity current Iens per period can be determined by the formula
Средний ток протекания обратной полярности Ieps за период можно определить по формулеThe average reverse polarity current I eps per period can be determined by the formula
Полный средний ток дуги за период Is равен сумме средних токов прямой и обратной полярностейThe total average arc current for the period I s is equal to the sum of the average currents of direct and reverse polarity
Средние напряжения дуг разных полярностей и среднее напряжение за период определяются по аналогичным формулам.The average voltages of arcs of different polarities and the average voltage for the period are determined by similar formulas.
В специальной литературе приводятся данные, что для хорошей очистки алюминиевых сплавов от окисной пленки необходимо, чтобы относительная длительность импульса тока обратной полярности быть в пределах от длительности периода 0,1875-0,375 (см. статью А.В. Савинова и др. «Проплавляющая способность дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов». Известия ВолГТУ, Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Волгоград. 2015. №2 (181) С.135-141). Соответственно относительная длительность импульса прямой полярности должна составлять 0,8125-0,625. По данным обзорной статьи Гринюк А.А. и др. «Основные тенденции развития плазменно-дуговой сварки алюминиевых сплавов». Автоматическая сварка. 2015. №11. С.39-50 (рис. 4, стр. 423) значение относительной длительности обратной полярности к длительности цикла для сжатой дуги лежит в диапазоне 0,136-0,174. То есть это значительно ниже значений указанных в предыдущей работе. Таким образом, оценивать интенсивность катодной очистки алюминия от окисной пленки и энергетические характеристики дуги с разнополярными импульсами тока следует не отношением длительности импульсов к длительности периода тока, а отношением среднего тока импульса к общему среднему току. Также по средним токам следует оценивать и проплавляющую способность дуг с импульсами разной полярности.The special literature provides data that for a good cleaning of aluminum alloys from an oxide film, it is necessary that the relative duration of the current pulse of reverse polarity be in the range of the duration of the period 0.1875-0.375 (see the article by A.V. Savinov et al. arcs of alternating current with a rectangular shape of pulses". Izvestiya VolGTU, Series Problems of Materials Science, Welding and Strength in Mechanical Engineering. Volgograd. 2015. No. 2 (181) P. 135-141). Accordingly, the relative duration of a pulse of direct polarity should be 0.8125-0.625. According to the review article Grinyuk A.A. et al. “Main Trends in the Development of Plasma-Arc Welding of Aluminum Alloys”. Automatic welding. 2015. No. 11. P.39-50 (Fig. 4, p. 423) the value of the relative duration of the reverse polarity to the duration of the cycle for a compressed arc lies in the range of 0.136-0.174. That is, it is significantly lower than the values indicated in the previous work. Thus, the intensity of the cathodic purification of aluminum from the oxide film and the energy characteristics of the arc with bipolar current pulses should be evaluated not by the ratio of the pulse duration to the duration of the current period, but by the ratio of the average pulse current to the total average current. Also, according to the average currents, the melting ability of arcs with pulses of different polarity should also be evaluated.
Достаточно ясно, что диапазон режимов, удовлетворяющих условию очистки от окисной пленки алюминиевых сплавов Нельзя характеризовать только относительной длительностью полярности или током этой полярности. Комплексным показателем интенсивности очистки окисной пленки за период является отношение среднего Тока обратной полярности к среднему току за период.It is quite clear that the range of regimes that satisfy the condition of cleaning aluminum alloys from the oxide film cannot be characterized only by the relative duration of the polarity or the current of this polarity. A complex indicator of the intensity of the cleaning of the oxide film for a period is the ratio of the average current of reverse polarity to the average current for the period.
Согласно данному способу режим сварки сжатой дугой должен отвечать условиюAccording to this method, the compressed arc welding mode must meet the condition
Это позволит обеспечить достаточную стойкость вольфрамового электрода и катодное разрушение окисной пленки алюминия при сварке алюминиевых сплавов. При ϕ близких к 0,9 будет обеспечен режим, близкий к однодуговой сварке на прямой полярности, и его можно использовать при сварке высоколегированных сталей и титановых сплавов. Режим при ϕ=0,3 также может быть востребован для вольфрамовых электродов плазмотрона достаточно большого диаметра 6-8 мм. В этом случае вследствие высокой удельной эффективной мощности на 1 А тока на изделие импульса обратной полярности также может быть получено выравнивание эффективных мощностей полярностей.This will ensure sufficient resistance of the tungsten electrode and cathodic destruction of the aluminum oxide film when welding aluminum alloys. At ϕ close to 0.9, a mode close to single-arc welding at straight polarity will be provided, and it can be used when welding high-alloy steels and titanium alloys. The mode at ϕ=0.3 can also be required for tungsten electrodes of a plasma torch with a sufficiently large diameter of 6-8 mm. In this case, due to the high specific effective power per 1 A of current per product of a pulse of reverse polarity, equalization of the effective powers of the polarities can also be obtained.
Некоторые современные источники питания для сварки разнополярными импульсами тока обеспечивают формирование, как формы прямоугольных импульсов, так и треугольных. Возможно также применение импульсов другой формы. Поэтому режим горения дуг целесообразнее всего характеризовать не только токами, частотой й длительностью импульсов, но и их средними токами за период. Регулирование среднего тока за период осуществляется в более простых конструкциях источников только соотношением длительности импульсов, в более сложных источниках также амплитудами токов. Поэтому средний ток импульса каждой полярности за период является наиболее полной энергетической характеристикой режима. В этом случае даже не является важным, при каком соотношении длительности импульсов они получены, поскольку инерционность тепловых процессов сварки в изделии намного больше, чем электрических в дуге при частотах импульсов 50-150 Гц. Оперирование средними токами импульсов за период облегчает выбор диаметров неплавящихся и плавящихся электродов, так как в этом случае можно ориентироваться на достаточно хорошо известные рекомендуемые токи при однодуговой сварке.Some modern power sources for welding with bipolar current pulses provide the formation of both rectangular and triangular pulse shapes. It is also possible to use pulses of a different shape. Therefore, it is most expedient to characterize the arc burning mode not only by currents, frequency and duration of pulses, but also by their average currents over a period. The regulation of the average current for the period is carried out in simpler designs of sources only by the ratio of the pulse duration, in more complex sources also by the amplitudes of the currents. Therefore, the average pulse current of each polarity for a period is the most complete energy characteristic of the regime. In this case, it is not even important at what ratio of pulse durations they are obtained, since the inertia of thermal welding processes in the product is much greater than that of electric processes in the arc at pulse frequencies of 50-150 Hz. Operating with average pulse currents over a period facilitates the choice of diameters of non-consumable and consumable electrodes, since in this case it is possible to focus on fairly well-known recommended currents for single-arc welding.
Зная зависимости эффективных мощностей дуг на каждой из полярностей от тока дуг при однодуговой сварке, можно определить эффективную мощность дуги с разнополярными импульсами тока по формулеKnowing the dependences of the effective arc powers at each polarity on the arc current in single-arc welding, it is possible to determine the effective arc power with current pulses of different polarities by the formula
где qen - эффективная мощность дуги прямой полярности при однодуговой сварке при токе, равном среднему току импульса прямой полярности за период;where q en is the effective power of the arc of direct polarity in single-arc welding at a current equal to the average current of the direct polarity pulse over the period;
ϕ - доля времени импульса прямой полярности в дуге с разнополярными импульсами тока по отношению к длительности периода;ϕ - time fraction of a direct polarity pulse in an arc with current pulses of different polarity in relation to the duration of the period;
qEP - эффективная мощность дуги обратной полярности при однодуговой сварке при токе, равном среднему току импульса обратной полярности за период.q EP - effective power of the arc of reverse polarity in single-arc welding at a current equal to the average current of the reverse polarity pulse over the period.
Первоначальное и повторное зажигание дуг при любой форме импульсов обеспечивается действием высокочастотных возбудителей дуг, встраиваемых в источники питания. Частота импульсов в таких источниках питания обычно не менее 50 Гц. Высокочастотное зажигание действует только короткое время после погасания очередного импульса тока, пока не произойдет новое зажигание дуги на другой полярности.The initial and re-ignition of arcs with any form of pulses is provided by the action of high-frequency arc exciters built into power sources. The pulse frequency in such power supplies is usually at least 50 Hz. High-frequency ignition is only active for a short time after the extinction of the next current pulse, until a new arc ignition occurs at a different polarity.
Циклограмма горения дежурной дуги на сопло плазмотрона аналогична циклограмме сжатой дуги прямого действия, но токи импульсов значительно меньше, так как ограничиваются сопротивлением балластного реостата.The cyclogram of the burning arc on duty at the plasma torch nozzle is similar to the cyclogram of the compressed arc of direct action, but the pulse currents are much less, since they are limited by the resistance of the ballast rheostat.
На фиг.3 представлена циклограмма тока дуги косвенного действия между вольфрамовой ставкой в сопло плазмотрона и электродной проволокой. Циклограмма приведена для варианта использования для питания дуги косвенного действия источника разнополярных импульсов тока. Весь период цикла горения дуги обозначен tK, время горения импульса с отрицательной вольфрамовой вставки на положительный плавящийся электрод обозначен tкEN, время импульса с положительной вольфрамовой вставки на отрицательный плавящийся электрод tкер. Ток импульса с отрицательной вольфрамовой вставки на положительный плавящийся электрод обозначен ΙкEN, ток импульса с положительной вольфрамовой вставки на отрицательный плавящийся электрод обозначен Iкep. В общем случае токи импульсов и время их действия в дуге косвенного действия различны и отличаются от соответствующих характеристик сжатой дуги прямого действия. Наиболее полной характеристикой режима дуги косвенного действия, также как и для сжатой дуги, являются средние токи импульсов за период. Они определяются по формулам аналогичным формулам (1), (2), (3). В общем случае частоты импульсов сжатой дуги и дуги косвенного действия могут быть различными и не совпадать по фазе. Согласно предлагаемому способу отношение среднего тока импульсов в дуге косвенного действия с положительной вольфрамовой вставки (анода) на отрицательную вольфрамовую вставку (катод) должно изменяться в диапазоне 0,2-0,6. Средние токи импульсов дуги косвенного действия определяют коэффициенты расплавления плавящегося электрода и стойкость вольфрамовой вставки. Этот диапазон обеспечивает достаточно высокую стойкость вольфрамовой вставки и в то же время повышение коэффициента расплавления электродной проволоки.Figure 3 shows the cyclogram of the indirect arc current between the tungsten rate in the plasma torch nozzle and the electrode wire. The cyclogram is given for the use case for supplying an indirect arc to a source of bipolar current pulses. The entire period of the arc burning cycle is indicated t K , the burning time of the pulse from the negative tungsten insert to the positive consumable electrode is indicated t kEN , the pulse time from the positive tungsten insert to the negative consumable electrode t ker . The pulse current from the negative tungsten insert to the positive consumable electrode is designated Ι kEN , the pulse current from the positive tungsten insert to the negative consumable electrode is designated I kep . In the general case, the pulse currents and their duration in an indirect arc are different and differ from the corresponding characteristics of a compressed direct arc. The most complete characteristic of the indirect arc mode, as well as for a compressed arc, is the average pulse currents per period. They are determined by formulas similar to formulas (1), (2), (3). In the general case, the pulse frequencies of the compressed arc and the arc of indirect action may be different and out of phase. According to the proposed method, the ratio of the average pulse current in the indirect arc from the positive tungsten insert (anode) to the negative tungsten insert (cathode) should vary in the range of 0.2-0.6. The average currents of the arc pulses of indirect action determine the melting coefficients of the consumable electrode and the resistance of the tungsten insert. This range provides a sufficiently high resistance of the tungsten insert and, at the same time, an increase in the coefficient of melting of the electrode wire.
Суммарный коэффициент расплавления плавящегося электрода αPO за период тока в дуге косвенного действия в дуге с разнополярными импульсами токаThe total coefficient of melting of the consumable electrode α PO for the period of current in the arc of indirect action in the arc with bipolar current pulses
где α1 - коэффициент расплавления электрода при однодуговой сварке на одной полярности при токе импульса равном току этой полярности, при одинаковых параметрах процесса, г/(А⋅ч);where α 1 is the coefficient of electrode melting in single-arc welding at one polarity at a pulse current equal to the current of this polarity, with the same process parameters, g / (A⋅h);
Ι1 - средний ток импульса данной полярности, А;Ι 1 - average pulse current of a given polarity, A;
t1 - время действия тока данного направления, с.t 1 - the duration of the current in this direction, s.
Индексы 2 в формуле (6) означают то же самое для противоположной полярности электрода.
При равных токах импульсов I1=I2=I формула (6) принимает видFor equal pulse currents I 1 =I 2 =I, formula (6) takes the form
t1+t2=tK представляет время цикла (периода) свободной дуги косвенного действия, с. t 1 +t 2 =t K represents the cycle time (period) of a free arc of indirect action, s.
Данные по коэффициентам расплавления стальных и алюминиевых электродных проволок для дуги в инертных газах на обратной полярности αер приводятся в специальной литературе. Дуга прямой полярности в инертных газах практически не используется. В монографии В.А. Ленивкина и др. «Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах». М.: Машиностроение, 1989, - 264 с. на стр. 115, табл. 20 приводятся данные, что при однодуговой сварке стальной проволкой на прямой полярности αPEN=22,1 г/(А⋅ч), а на обратной αрер=13 (г/А⋅ч), то есть на прямой полярности в 1,7 раза больше. В статье Сидорова В.П. и др. «О плавлении алюминиевого электрода аргоновой дугой прямой полярности». - Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2019. №4(50) С.52-57 установлено, что для алюминиевой электродной проволоки αPEN=19,33 г/(А⋅ч), а αPEP=8,7 г/(А⋅ч). Таким образом, наличие отрицательного полюса на плавящемся электроде свободной дуги косвенного действия позволяет существенно повысить производительность его расплавления как для стальной проволоки, так и для алюминиевой.Data on the melting coefficients of steel and aluminum electrode wires for an arc in inert gases at reverse polarity α er are given in special literature. The arc of direct polarity in inert gases is practically not used. In the monograph by V.A. Lenivkina and others "Technological properties of the welding arc in shielding gases". M.: Mashinostroenie, 1989, - 264 p. on page 115, tab. 20 provides data that in single-arc welding with steel wire on straight polarity α PEN = 22.1 g / (A⋅h), and on reverse α rep = 13 (g / A⋅h), that is, on direct polarity of 1, 7 times more. In the article by Sidorov V.P. et al. “On the melting of an aluminum electrode with an argon arc of direct polarity.” - Vector of Science of Togliatti State University. 2019. No. 4(50) C.52-57 it was found that for aluminum electrode wire α PEN = 19.33 g/(A⋅h), and α PEP = 8.7 g/(A⋅h). Thus, the presence of a negative pole on a consumable free arc electrode of indirect action can significantly increase the productivity of its melting for both steel and aluminum wires.
При горении свободной дуги косвенного действия с разнополярными импульсами тока за счет высокой частоты тока устраняется явление блуждания катодного пятна по электроду, что стабилизирует скорость расплавления электродной проволоки и дает повышение производительности ее расплавления. Также стабилизации скорости расплавления электродной проволоки и в особенности алюминиевой проволоки, способствует разрушение окисных пленок за счет катодного распыления на поверхности проволок. Аналогичное явление происходит при использовании однофазного переменного тока промышленной частоты. При использовании для питания свободной дуги косвенного действия источника постоянного тока плавление электродной проволоки аналогично плавлению при однодуговой сварке на обратной полярности.When burning a free arc of indirect action with bipolar current pulses, due to the high frequency of the current, the phenomenon of wandering of the cathode spot along the electrode is eliminated, which stabilizes the melting rate of the electrode wire and increases the productivity of its melting. Also, the stabilization of the melting rate of the electrode wire and, in particular, aluminum wire, contributes to the destruction of oxide films due to cathode sputtering on the surface of the wires. A similar phenomenon occurs when using single-phase alternating current of industrial frequency. When using an indirect direct current source to power a free arc, the melting of the electrode wire is similar to melting in single-arc welding at reverse polarity.
На фиг.4 показано одно из возможных взаимных расположений дуг при сварке. Сопло 2 плазмотрона Перемещается в направлении сварки со скоростью Vc вдоль изделия 4. При сварке дуга косвенного действия 14 располагается позади по направлению сварки по отношению к дуге прямого действия 13. При этом мощность, передаваемая каплями электродного металла изделию 4, мало влияет на его проплавление, так как подавляющая часть этой мощности расходуется на расплавление электродной проволоки.Figure 4 shows one of the possible mutual arrangement of the arcs during welding.
Это позволяет практически независимо регулировать соотношение площади поперечного сечения проплавления основного металла и площадь поперечного сечения наплавляемого металла. В результате сварки образуется сварной шов 17. Токи дуг сжатой 13 и свободной 14 при сварке алюминиевых сплавов выбираются из условия разрушения окисной пленки, оптимальной глубины проплавления и соотношения масс наплавленного и расплавленного основного металлов. Соотношение ϕ целесообразно выбирать максимальным 0,9 при сварке высоколегированных сталей и титановых сплавов и порядка ϕ=0,3-0,5 при сварке алюминиевых сплавов. Режим сварки при ϕ=0,5 во многом соответствует однофазной аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов на переменном синусоидальном токе промышленной частоты.This makes it possible to almost independently control the ratio of the cross-sectional area of penetration of the base metal and the cross-sectional area of the deposited metal. As a result of welding, a
В качестве источника питания свободной дуги косвенного действия могут использоваться и сварочные трансформаторы, оснащенные высокочастотными возбудителями дуг при смене полярности.Welding transformers equipped with high-frequency arc exciters for polarity reversal can also be used as an indirect free arc power source.
На фиг.5 представлены зависимости допустимых токов на неплавящиеся вольфрамовые электроды на прямой и обратной полярности дуги и на синусоидальном переменном токе. Зависимости получены в статье В.П. Сидорова, Д.Э. Советкина, Г.М. Коротковой. «О допустимых токах на вольфрамовый электрод дуги с разнополярными импульсами тока». Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2020. - Т.22, №4. - С.5-12. DOI:10.15593/2224-9877/2020.4.01.Figure 5 shows the dependence of the allowable currents on non-consumable tungsten electrodes on the direct and reverse polarity of the arc and sinusoidal alternating current. Dependencies are obtained in the article by V.P. Sidorova, D.E. Sovetkina, G.M. Korotkova. "On admissible currents on a tungsten arc electrode with bipolar current pulses". Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science. - 2020. - V.22, No. 4. - P.5-12. DOI:10.15593/2224-9877/2020.4.01.
Средние токи импульсов сжатой дуги прямого действия в процессе их действия для электрода данного диаметра плазмотрона выбираются по верхней и нижней кривым на фиг.5. Ток обратной полярности выбирается по нижней кривой, а ток прямой полярности по верхней. При этом они должны быть меньше критических токов возникновения аварийных дуг на тех же полярностях.The average currents of pulses of a compressed arc of direct action during their action for an electrode of a given diameter of the plasma torch are selected according to the upper and lower curves in Fig.5. The reverse polarity current is selected along the lower curve, and the straight polarity current along the upper one. At the same time, they must be less than the critical currents for the occurrence of emergency arcs at the same polarities.
Средние допустимые токи импульсов свободной дуги косвенного действия за время их действия выбираются аналогично, так как они определяются стойкостью вольфрамовой неплавящейся вставки. При использовании для питания свободной дуги однофазного переменного тока промышленной частоты выбор среднего Тока в одном полупериоде может выполняться по средней кривой на фиг.5. Диапазон допустимых отклонений ΔΙ средних токов для свободной дуги приведен в таблице 1.The average allowable currents of indirect free arc impulses during their action are chosen similarly, since they are determined by the resistance of the tungsten non-consumable insert. When using a single-phase alternating current of industrial frequency to power a free arc, the choice of the average Current in one half-cycle can be performed according to the average curve in Fig.5. The range of permissible deviations ΔΙ of average currents for a free arc is given in table 1.
В таблице 1 приведены диапазоны допустимых диапазонов токов различных полярностей и процент отклонений предельных значений к среднему значению.Table 1 shows the ranges of permissible current ranges of various polarities and the percentage of deviations of the limit values from the average value.
На фиг.6 представлена зависимость удельных эффективных мощностей q1 сжатой аргоновой дуги на медном изделии от тока импульсов. Зависимости построены авторами на основе данных по калориметрированию сжатой дуги с разнополярными импульсами тока, опубликованных в статье F. Jiang, Ch. Li, Sh. Chen. Experimental investigation on heat transfer of different phase in variable polarity plasma arc welding. Welding in the World (2019) 63: 1153-1162 https://doi.org/10.1007/s40194-019-00722-3.Figure 6 shows the dependence of the specific effective power q 1 compressed argon arc on a copper product on the pulse current. Dependences are built by the authors on the basis of data on calorimetry of a compressed arc with current pulses of different polarity, published in the article by F. Jiang, Ch. Li, Sh. Chen. Experimental investigation on heat transfer of different phase in variable polarity plasma arc welding. Welding in the World (2019) 63: 1153-1162 https://doi.org/10.1007/s40194-019-00722-3.
Верхняя кривая показывает зависимость q1 для обратной полярности, а нижняя q1 для прямой полярности.The upper curve shows the dependence of q 1 for reverse polarity, and the lower q 1 for direct polarity.
Удельная эффективная мощность q1 - это мощность, приходящаяся на 1 А тока дугиSpecific effective power q 1 is the power per 1 A of arc current
где q - эффективная мощность дуги, Вт;where q is the effective arc power, W;
I - ток дуги, А.I - arc current, A.
q1 наиболее полно характеризует проплавляющую способность сварочных дуг. Если известна эта величина, то, не нужно знать напряжение сварочной дуги и использовать эффективный КПД для определения эффективной мощности q. Использование удельной эффективной мощности q1 обеспечивает более точный расчет температур в изделии при сварке. Наши расчеты по данным той же работы показали, что среднее алгебраическое отклонение относительных отклонений от средних значений (САО) удельной эффективной мощности по сравнению с эффективным КПД почти в 2 раза ниже. Согласно графикам на фиг.6 удельная эффективная мощность импульсов сжатой дуги обратной полярности намного выше, чем прямой полярности. В эту удельную эффективную мощность входит и мощность, передаваемая изделию плазмообразующим аргоном, однако такая мощность не зависит от полярности. Алюминиевое изделие как плавящийся электрод обладает близкими к меди физическими свойствами - низкой температурой плавления и высокой теплопроводностью. В связи с этим, несмотря на то, что допустимые средние за период токи обратной полярности на вольфрамовый электрод при сварке с РПИ намного меньше, чем прямой полярности, эффективные мощности в значительной степени выравниваются.q 1 most fully characterizes the penetration ability of welding arcs. If this value is known, then it is not necessary to know the voltage of the welding arc and use the effective efficiency to determine the effective power q. The use of specific effective power q 1 provides a more accurate calculation of temperatures in the product during welding. Our calculations based on the data of the same work showed that the average algebraic deviation of the relative deviations from the average values (RAO) of the specific effective power compared to the effective efficiency is almost 2 times lower. According to the graphs in Fig.6, the specific effective power of the pulses of the compressed arc of reverse polarity is much higher than that of direct polarity. This specific effective power also includes the power transferred to the product by plasma-forming argon, however, this power does not depend on polarity. An aluminum product as a consumable electrode has physical properties close to copper - a low melting point and high thermal conductivity. In this regard, despite the fact that the permissible average currents of reverse polarity to the tungsten electrode during welding with FIR are much less than those of direct polarity, the effective powers are largely equalized.
Пример 1. По предлагаемому способу выполняли автоматическую сварку одностороннего сварного шва стыкового соединения пластин без разделки кромок из алюминиевого сплава АМц толщиной 5 мм. Пластины собирали с зазором 1,5 мм. Сжатую дугу питали от сварочного источника типа TIG200P AC/DC разнополярных импульсов тока. Источник питания позволяет использовать импульсы с частотой 60 Гц. Один полюс источника питания подключали к вольфрамовому электроду плазмотрона, а второй к соплу плазмотрона через балластное сопротивление РБ-200 и к свариваемым деталям. В сопло плазмотрона устанавливали вставку из вольфрамового электрода ЭВЛ диаметром 4 мм. Расстояние между осью вставки и осью сопла составляло 12 мм. Диаметр и длина цилиндрического канала сопла для формирования сжатой дуги составляли 4 мм. Плазмотрон устанавливали на сварочный автомат АДСВ-6. Для подачи электродной проволоки использовали подающий механизм для подачи присадочной проволоки этого автомата.Example 1. According to the proposed method, automatic welding of a one-sided weld of a butt joint of plates without cutting edges from an aluminum alloy AMts with a thickness of 5 mm was performed. The plates were assembled with a gap of 1.5 mm. The compressed arc was fed from a TIG200P AC/DC welding source with bipolar current pulses. The power supply allows the use of pulses with a frequency of 60 Hz. One pole of the power source was connected to the tungsten electrode of the plasma torch, and the second pole was connected to the plasma torch nozzle through the RB-200 ballast resistance and to the parts to be welded. An insert made of an
Режимы горения сжатой дуги были следующие: частота импульсов 60 Гц, ток импульса прямой полярности Ien=160 А, продолжительность импульса tEN=12 мс, средний ток за период tENS=120 А, ток импульса обратной полярности Iep=160 А, продолжительность импульса tEP=4 мс, средний ток за период tEps=40 А. Средний ток дежурной дуги 50 А, расход плазмообразующего аргона 3 л/мин, расстояние от сопла до деталей 3 мм.The compressed arc burning modes were as follows: pulse frequency 60 Hz, direct polarity pulse current I en = 160 A, pulse duration t EN = 12 ms, average current over the period t ENS = 120 A, reverse polarity pulse current I ep = 160 A, pulse duration t EP = 4 ms, average current for the period t Eps = 40 A. Average pilot arc current 50 A, plasma-forming argon consumption 3 l/min, distance from nozzle to
Свободную дугу косвенного действия между вольфрамовой вставкой электродной проволокой питали от второго источника питания с прямоугольными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы типа TIG200P AC/DC. Технические характеристики источника питания приведены в таблице 2.A free arc of indirect action between the tungsten insert and the electrode wire was fed from a second power source with rectangular bipolar rectangular current pulses of the TIG200P AC/DC type. Specifications for the power supply are shown in Table 2.
Данные приведены в паспорте и руководстве по эксплуатации установок для аргонодуговой сварки универсальных инверторных фирмы «Brima Welding International, 22 с. С.6. Издательство «Тиберис» www.tiberis.ru. (Дата обращения 20.12.2020).The data are given in the passport and the operating manual for installations for argon-arc welding of universal inverter firms Brima Welding International, 22 p. C.6. Publishing house "Tiberis" www.tiberis.ru. (Accessed 12/20/2020).
Режимы горения свободной дуги были следующие: частота импульсов 60 Гц, диаметр алюминиевой электродной проволоки марки Св-АМц d=1 мм, ток импульса с отрицательного плавящегося электрода на положительную неплавящуюся вставку Ikep=150 А, продолжительность импульса tKΕΡ=6 мс, средний ток за период tEPs=56 А, ток импульса с отрицательной вольфрамовой вставки на плавящийся электрод IKEN=94 А, продолжительность импульса tKEP=10 мс, средний ток за период tENs=150 А. Отношение среднего за период тока с положительной вставки (анода) на плавящийся отрицательный электрод к полному среднему току составило ϕ=56/150≈0,37, что обеспечивает разрушение окисной пленки алюминия на проволоке и повышение коэффициента ее расплавления.The free arc burning modes were as follows: pulse frequency 60 Hz, diameter of Sv-AMts aluminum electrode wire d = 1 mm, pulse current from the negative consumable electrode to the positive non-consumable insert I kep = 150 A, pulse duration t KΕΡ = 6 ms, average current per period t EPs = 56 A, pulse current from the negative tungsten insert to the consumable electrode I KEN = 94 A, pulse duration t KEP = 10 ms, average current over the period t ENs = 150 A. The ratio of the average current over the period from the positive insert (anode) to the consumable negative electrode to the total average current was ϕ=56/150≈0.37, which ensures the destruction of the aluminum oxide film on the wire and an increase in the coefficient of its melting.
Впереди по отношению к направлению сварки располагалась сжатая дуга, которая очищала поверхность от окисной пленки алюминия и проплавляла изделие. После зажигания дежурной дуги высокочастотным источником зажигалась дуга прямого действия и после этого дежурная дуга оставалась действующей. После этого обеспечивалось зажигание свободной дуги от источника разнополярных импульсов, начинала подаваться электродная проволока и начиналось движение сварочного автомата со скоростью сварки Vc=0,4 см/с. Скорость подачи электродной проволоки Vэ=22 см/с. Это обеспечивало площадь поперечного сечения наплавленного металла 40 мм2.In front of the direction of welding, a compressed arc was located, which cleaned the surface of the aluminum oxide film and melted the product. After the pilot arc was ignited by a high-frequency source, a direct-acting arc was ignited, and after that the pilot arc remained active. After that, a free arc was ignited from a source of bipolar pulses, the electrode wire began to be fed, and the welding machine began to move at a welding speed V c =0.4 cm/s. The feed rate of the electrode wire V e =22 cm/s. This provided a cross-sectional area of the deposited metal of 40 mm 2 .
Совместное действие свободной и сжатой дуги обеспечило формирование выпуклого сварного шва с хорошим внешним видом с лицевой стороны и формирование обратного валика.The combined action of the free and compressed arc ensured the formation of a convex weld with a good appearance from the front side and the formation of a back bead.
Пример 2. По предлагаемому способу выполняли автоматическую сварку одностороннего сварного шва стыкового соединения пластин без разделки кромок из высоколегированной стали 08X18H10 толщиной 5 мм. Пластины собирали с зазором 1,5 мм. Сжатую дугу питали от сварочного источника типа TIG200P AC/DC разнополярных импульсов тока. Источник питания позволяет использовать импульсы с частотой 60 Гц. Один полюс источника питания подключали к вольфрамовому электроду плазмотрона, а второй к соплу плазмотрона через балластное сопротивление РБ-200 и к свариваемым деталям. В сопло плазмотрона устанавливали вставку из вольфрамового электрода ЭВЛ диаметром 4 мм. Расстояние между осью вставки и осью сопла составляло 12 мм. Диаметр и длина цилиндрического канала сопла для формирования сжатой дуги составляли 5 мм.Example 2. According to the proposed method, automatic welding of a one-sided weld of a butt joint of plates without cutting edges from high-alloy steel 08X18H10 5 mm thick was performed. The plates were assembled with a gap of 1.5 mm. The compressed arc was fed from a TIG200P AC/DC welding source with bipolar current pulses. The power supply allows the use of pulses with a frequency of 60 Hz. One pole of the power source was connected to the tungsten electrode of the plasma torch, and the second pole was connected to the plasma torch nozzle through the RB-200 ballast resistance and to the parts to be welded. An insert made of an
Режимы горения сжатой дуги были следующие. Частота импульсов 60 Гц, ток импульса прямой полярности Ien=200 А, продолжительность импульса tEN=14 мс, средний ток за период tENs=175 А, ток импульса обратной полярности Iep=200 А, продолжительность импульса tEP=2 мс, средний ток за период tEps=25 А. Средний ток дежурной дуги 60 А, расход плазмообразующего аргона 4 л/мин, расстояние от сопла до деталей 3 мм.The burning modes of the compressed arc were as follows. Pulse frequency 60 Hz, direct polarity pulse current I en = 200 A, pulse duration t EN = 14 ms, average current per period t ENs = 175 A, reverse polarity pulse current I ep = 200 A, pulse duration t EP = 2 ms , the average current for the period t Eps = 25 A. The average pilot arc current is 60 A, the consumption of plasma-forming argon is 4 l/min, the distance from the nozzle to the parts is 3 mm.
Свободную дугу косвенного действия между вольфрамовой вставкой и электродной проволокой питали от сварочного источника питания постоянного тока ВД-200. Отрицательный полюс источника подключали к соплу, а положительный к электродной сварочной проволоке Св- 09X19H9T диаметром 1 мм. Ток на проволоку составлял 100 А. Дугу косвенного действия зажигали после зажигания сжатой дуги с помощью сварочного осциллятора.The indirect free arc between the tungsten insert and the electrode wire was fed from a VD-200 DC welding power source. The negative pole of the source was connected to the nozzle, and the positive pole to the Sv-09X19H9T
Впереди по отношению к направлению сварки располагалась сжатая дуга, которой проплавлялось изделие. После зажигания дежурной дуги высокочастотным источником зажигалась дуга прямого действия и после этого дежурная дуга оставалась действующей. Токи ее импульсов были в 3 раза меньше, чем у рабочей дуги. После этого обеспечивалось зажигание свободной дуги начиналось движение сварочного автомата со скоростью сварки Vc=0,4 см/с. Скорость подачи электродной проволоки Vэ=23 см/с. Это обеспечивало площадь поперечного сечения наплавленного металла 43 мм2.Ahead in relation to the direction of welding was a compressed arc, which melted the product. After the pilot arc was ignited by a high-frequency source, a direct-acting arc was ignited, and after that the pilot arc remained active. The currents of its pulses were 3 times less than those of the working arc. After that, the ignition of the free arc was ensured, the movement of the welding machine began with the welding speed V c =0.4 cm/s. The feed rate of the electrode wire V e =23 cm/s. This provided a cross-sectional area of the deposited metal of 43 mm 2 .
Сжатая дуга обеспечивала проплавление изделия на всю толщину. Совместное действие свободной и сжатой дуги обеспечило формирование выпуклого сварного шва с хорошим внешним видом с лицевой стороны и формирование обратного валика.The compressed arc ensured the penetration of the product through its entire thickness. The combined action of the free and compressed arc ensured the formation of a convex weld with a good appearance from the front side and the formation of a back bead.
Предлагаемый способ обеспечивает сварку, как сталей, так и алюминиевых сплавов, повышение производительности сварки за счет повышения допустимых токов сжатой дуги или толщин, свариваемых без разделки кромок. При этом обеспечивается высокое качество сварных швов, как при сварке алюминиевых сплавов, так и высоколегированных сталей. Способ может быть реализован с помощью источников питания и других устройств, выпускаемых промышленностью. Высокочастотными возбудителями дуги снабжены все источники питания для сварки разнополярными импульсами тока и оснащается все больше сварочных выпрямителей. Сварочные плазмотроны не требуют значительной реконструкции. В качестве тугоплавкой вставки сопла могут использоваться любые неплавящиеся электроды. Поэтому способ обладает промышленной применимостью при данном уровне развития техники.The proposed method provides welding of both steels and aluminum alloys, increasing the productivity of welding by increasing the allowable currents of the compressed arc or thicknesses welded without cutting edges. This ensures high quality of welds, both when welding aluminum alloys and high-alloy steels. The method can be implemented using power supplies and other devices manufactured by the industry. All power sources for welding with bipolar current pulses are equipped with high-frequency arc exciters, and more and more welding rectifiers are being equipped. Welding plasma torches do not require significant reconstruction. Any non-consumable electrodes can be used as a refractory nozzle insert. Therefore, the method has industrial applicability at this state of the art.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021108741A RU2763912C1 (en) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | Method for plasma surfacing and welding by combination of arcs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021108741A RU2763912C1 (en) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | Method for plasma surfacing and welding by combination of arcs |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2763912C1 true RU2763912C1 (en) | 2022-01-11 |
Family
ID=80040255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021108741A RU2763912C1 (en) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | Method for plasma surfacing and welding by combination of arcs |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2763912C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807974C1 (en) * | 2023-03-03 | 2023-11-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" | Direct compressed arc ignition method |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1703328A1 (en) * | 1989-06-01 | 1992-01-07 | Предприятие П/Я Р-6564 | Plasma-arc welding method and plasma-arc welding burner |
| JP2010069494A (en) * | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Daihen Corp | Two-wire welding method |
| RU2598715C1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-09-27 | Автономная Некоммерческая Организация "Головной Аттестационный Центр по сварочному производству Средне-Волжского региона" | Method of welding by arc combination |
| RU2646302C1 (en) * | 2017-02-13 | 2018-03-02 | Владимир Петрович Сидоров | Method of welding by arc combination |
-
2021
- 2021-03-30 RU RU2021108741A patent/RU2763912C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1703328A1 (en) * | 1989-06-01 | 1992-01-07 | Предприятие П/Я Р-6564 | Plasma-arc welding method and plasma-arc welding burner |
| JP2010069494A (en) * | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Daihen Corp | Two-wire welding method |
| RU2598715C1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-09-27 | Автономная Некоммерческая Организация "Головной Аттестационный Центр по сварочному производству Средне-Волжского региона" | Method of welding by arc combination |
| RU2646302C1 (en) * | 2017-02-13 | 2018-03-02 | Владимир Петрович Сидоров | Method of welding by arc combination |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТАВЕР И.Е. и др. "Сварка стали двойной плазменной струей", журнал Сварочное производство, 1971, N10, с.26-28. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807974C1 (en) * | 2023-03-03 | 2023-11-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" | Direct compressed arc ignition method |
| RU2815965C1 (en) * | 2023-07-26 | 2024-03-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method of plasma surfacing and welding by combination of arcs |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2598715C1 (en) | Method of welding by arc combination | |
| US10052706B2 (en) | Method and system to use AC welding waveform and enhanced consumable to improve welding of galvanized workpiece | |
| Pardal et al. | Laser stabilization of GMAW additive manufacturing of Ti-6Al-4V components | |
| RU2646302C1 (en) | Method of welding by arc combination | |
| US4058698A (en) | Method and apparatus for DC reverse polarity plasma-arc working of electrically conductive materials | |
| CN106563870A (en) | Twin-tungsten-electrode electronic swing arc (ESA) argon arc welding | |
| CN110497065B (en) | Variable-polarity three-wire gas-shielded indirect arc welding method and device and application thereof | |
| JP5987737B2 (en) | Narrow groove welding method for steel | |
| RU2763912C1 (en) | Method for plasma surfacing and welding by combination of arcs | |
| RU2739308C1 (en) | Method of arc welding of aluminium alloys with combination of non-consumable and consumable electrodes | |
| CN109202216B (en) | AC pulse argon arc welding machine | |
| RU2763808C1 (en) | Welding method by combination of compressed and free arcs | |
| RU2451584C2 (en) | Method of welding by three-phase arc | |
| RU2548542C2 (en) | Method of arc welding with three-phase arc and device for arc welding | |
| RU2649351C1 (en) | Method of mechanized deposition welding by the combination of arcs | |
| Otani | Titanium welding technology | |
| RU2728144C1 (en) | Method of aluminium alloys welding by combination of arcs | |
| RU2639586C1 (en) | Method of arc mechanized two-electrode welding | |
| GB2365810A (en) | Reverse polarity dc plasma arc welding | |
| RU2292256C2 (en) | Method of plasma-arc welding of aluminium alloys | |
| RU2705847C1 (en) | Plasmatron for plasma-selective frying of metal powders | |
| CN115703163A (en) | Multi-electrode single-side submerged arc welding method | |
| RU2653027C1 (en) | Method for arc welding with two electrodes | |
| RU2758357C1 (en) | Method for welding, surfacing and soldering by a combination of direct and indirect arcs | |
| RU2648618C1 (en) | Method of automatic welding by the combination of arcs |