RU2772563C1

RU2772563C1 - Method for arc welding and welding with consumable electrode in shielding gas environment

Info

Publication number: RU2772563C1
Application number: RU2021128187A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Сидоров; Дмитрий Эдуардович Советкин
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-05-23

Abstract

FIELD: welding.

SUBSTANCE: method can be used in arc welding or consumable electrode surfacing in a shielding gas to obtain the required content of the main alloying element. Welding or surfacing is carried out using an arc with bipolar current pulses with a frequency of at least 40 Hz. The specified content of the electrode metal ψ_e in the weld is obtained by choosing the duration of the current pulses depending on the ratio ϕ of the average current of direct polarity pulses to the average arc current for the welding period in the range ϕ=0.1-0.9. Preliminarily, two seams are made with a consumable electrode at the current recommended for its given diameter with incomplete penetration of the plate at ϕ values for each of the seams that differ from each other by at least Δϕ=0.4. The cross-sections of the obtained welds are measured, according to which the value of ψ_e is determined for each of the welds and the coefficients of the linear dependence ψ_e=f(ϕ) are calculated, and the choice of the duration of the current pulses during welding or surfacing is carried out taking into account the calculated value ψ_e closest to its specified content.

EFFECT: method allows to obtain the optimal content of the necessary alloying element in the metal to obtain the desired properties of the deposited weld.

1 cl, 10 dwg, 4 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано при нанесении износостойких, жаропрочных, жаростойких и коррозионно-стойких слоев металла на низкоуглеродистые стали, алюминиевые и другие сплавы и для сварки швов стыковых соединений.The invention relates to the field of welding and can be used for applying wear-resistant, heat-resistant, heat-resistant and corrosion-resistant metal layers on low-carbon steels, aluminum and other alloys and for welding butt joints.

Известен способ электродуговой наплавки износостойких покрытий на поверхность деталей из низкоуглеродистых или низколегированных сталей, включающий использование в качестве присадочного материала проволоки из алюминия или его сплавов, при котором процесс наплавки проводят в среде аргона при режимах, обеспечивающих получение наплавленного слоя с содержанием алюминия по массе в пределах 20-40% (см. патент РФ № 2 327 551. Опубл. 27.06.2008. Бюл. № 18). A known method of electric arc welding of wear-resistant coatings on the surface of parts made of low-carbon or low-alloy steels, including the use of aluminum wire or its alloys as a filler material, in which the welding process is carried out in an argon atmosphere under modes that provide a deposited layer with an aluminum content by weight in the range 20-40% (see RF patent No. 2 327 551. Published on June 27, 2008. Bull. No. 18).

Важной технической особенностью данного способа наплавки является то, что получение заданных свойств шва по износостойкости происходит непосредственно в процессе формирования сварочной ванны при взаимодействии металлов с сильно отличающимися физическими свойствами: алюминием и сталью. Два материала с низкой твердостью при взаимодействии за счет образования интерметаллидных фаз создают твердый и износостойкий металл шва. Важным свойством данного способа получения износостойкого шва является дешевизна и доступность присадочного материала. Потребность в подобных вариантах наплавки велика и будет возрастать. An important technical feature of this method of surfacing is that obtaining the desired properties of the weld in terms of wear resistance occurs directly in the process of formation of the weld pool during the interaction of metals with very different physical properties: aluminum and steel. Two materials with low hardness, when interacting due to the formation of intermetallic phases, create a hard and wear-resistant weld metal. An important property of this method of obtaining a wear-resistant seam is the low cost and availability of filler material. The need for such variants of surfacing is great and will continue to grow.

Основной технической проблемой данного способа является низкая производительность наплавки, которая обусловлена тем, что к проволоке не подводится ток, она является присадочной и нагревается только теплопередачей от столба дуги. Производительность наплавки не менее чем в 2-3 раза меньше, чем при использовании плавящегося электрода в дуге обратной полярности. Для проплавления изделия используется дуга прямой полярности в аргоне с вольфрамовым электродом, которая имеет минимальную проплавляющую способность по сравнению с другими видами дуг. Расчеты же показывают, что при данном уровне содержания алюминия из-за низкой плотности алюминия по сравнению со сталью в наплавленном металле площади поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла должны быть примерно равными, то есть для получения износостойкого сплава в шве требуются более высокие скорости расплавления алюминиевой проволоки.The main technical problem of this method is the low productivity of surfacing, which is due to the fact that no current is supplied to the wire, it is a filler wire and is heated only by heat transfer from the arc column. The productivity of surfacing is not less than 2-3 times less than when using a consumable electrode in an arc of reverse polarity. To melt the product, an arc of direct polarity in argon with a tungsten electrode is used, which has a minimum melting ability compared to other types of arcs. Calculations show that at a given level of aluminum content, due to the low density of aluminum compared to steel in the deposited metal, the cross-sectional areas of penetration of the base metal and the deposited metal should be approximately equal, that is, to obtain a wear-resistant alloy in the weld, higher melting rates are required. aluminum wire.

Скорость расплавления проволоки регулируется только мощностью дуги прямого действия и местом подачи проволоки в дугу. Мощность дуги прямого действия в большей степени влияет на проплавление основного металла, чем плавление присадочного. Т.о., способ технологически недостаточно гибок.The speed of wire melting is regulated only by the power of the direct arc and the place where the wire is fed into the arc. The power of the direct action arc affects the penetration of the base metal to a greater extent than the melting of the filler metal. Thus, the method is not technologically flexible enough.

Другой технической проблемой данного способа является сложность обеспечения точного количества содержания алюминия в шве, при котором обеспечиваются оптимальные эксплуатационные характеристики наплавленного слоя, что показывает широкий диапазон допустимого изменения содержания в нем алюминия. Сложность обусловлена низкой стабильностью скорости расплавления присадочного металла, который подается в виде проволоки в столб дуги. На скорость плавления проволоки влияют мощность дуги, диаметр проволоки и другие факторы, которые сложно регулировать и стабилизировать. Так добавки легирующих элементов в проволоку, таких как кремний, влияют на твердость и износостойкость наплавки. Исследования данного способа показали, что оптимальное содержание алюминия в шве по массе в этом случае составляет 20% (о влиянии кремния на твердость при наплавке см. статью Ковтунов А.И. и др. Влияние кремния на процессы формирования и свойства наплавленных сплавов системы Fe-Al. Международный научный журнал «Символ науки» №11-3/2016, С. 86-91, ISSN 2410-700X). Поэтому содержание основного легирующего элемента в сварном шве должно поддерживаться с достаточно высокой точностью.Another technical problem of this method is the difficulty of providing the exact amount of aluminum content in the weld, which provides optimal performance characteristics of the deposited layer, which shows a wide range of allowable changes in the content of aluminum in it. The complexity is due to the low stability of the melting rate of the filler metal, which is fed in the form of a wire into the arc column. The melting rate of the wire is affected by the arc power, wire diameter and other factors that are difficult to control and stabilize. So the addition of alloying elements to the wire, such as silicon, affect the hardness and wear resistance of the deposit. Studies of this method have shown that the optimal content of aluminum in the weld by weight in this case is 20% (on the effect of silicon on hardness during surfacing, see the article Kovtunov A.I. and others. Effect of silicon on the formation processes and properties of deposited alloys of the Fe- Al. International scientific journal "Symbol of Science" No. 11-3/2016, pp. 86-91, ISSN 2410-700X). Therefore, the content of the main alloying element in the weld must be maintained with a sufficiently high accuracy.

Обеспечить высокую точность содержания алюминия в шве в данном способе весьма сложно. Следствием обеих технических проблем является то, что подбор режимов и условий наплавки для такого способа является весьма трудоемким, а их поддержание во время наплавки нестабильно и сопряжено с трудностями.It is very difficult to ensure high accuracy of the aluminum content in the seam in this method. The consequence of both technical problems is that the selection of modes and conditions of surfacing for such a method is very laborious, and their maintenance during surfacing is unstable and fraught with difficulties.

Известен способ восстановления наплавкой поверхностей катания, при котором осуществляют автоматическую наплавку плавящимся электродом, наплавку выполняют в среде защитных газов плавящимся электродом аустенитного класса с подачей дополнительной разогретой до пластического состояния присадки, которую вводят в кристаллизующуюся часть наплавочной ванны на расстоянии В от плавящегося электрода, равном (0,3-0,5)L, где L - длина наплавочной ванны, мм, при этом дополнительную присадку вводят в количестве 20 - 40% от массы плавящегося электрода. ( см, патент РФ № 2143962. Опубл. 10.01.2000 г., Бюл. № 1).A known method of restoring tread surfaces by surfacing, in which automatic surfacing with a consumable electrode is carried out, surfacing is performed in a shielding gas environment with a consumable austenitic electrode with the supply of an additional additive heated to a plastic state, which is introduced into the crystallizing part of the surfacing pool at a distance B from the consumable electrode, equal to ( 0.3-0.5)L, where L is the length of the surfacing pool, mm, while an additional additive is introduced in an amount of 20 - 40% by weight of the consumable electrode. (see, patent of the Russian Federation No. 2143962. Published on January 10, 2000, Bull. No. 1).

Данный способ может использоваться для наплавки плоских изделий, а также сварки швов стыковых соединений пластин с разделкой кромок.This method can be used for surfacing flat products, as well as welding seams of butt joints of plates with grooves.

Технической проблемой данного способа является низкая технологическая гибкость процесса наплавки в отношении плавящегося электрода, проявляющаяся в узком диапазоне возможного регулирования доли участия электродного металла в металле шва. Низкая технологическая гибкость обусловлена однонаправленным влиянием тока дуги или скорости наплавки на площадь поперечного сечения проплавления основного металла и площадь поперечного сечения наплавленного металла. Например, при увеличении скорости сварки происходит уменьшение как площади поперечного сечения проплавления основного металла, так и аналогичной площади наплавленного металла. Вследствие этого данные основные режимы наплавки мало влияют на долю участия электродного металла в металле шва, что затрудняет получение наплавленного шва с заданным содержанием основного легирующего элемента. Это приводит к высокой трудоемкости и стоимости экспериментального выбора параметров сварки, при которых обеспечивается приемлемый диапазон содержания основного легирующего элемента в шве. О низкой технологической гибкости способа свидетельствует то, что в нем для получения требуемого химического состава шва используется подогретая до пластического состояния присадочная проволока, разброс подачи которой по массе составляет ±50% от среднего значения. Такой высокий разброс подтверждает низкую стабильность расплавления присадочной проволоки даже при условии ее подогрева, который способствует повышению стабильности расплавления.The technical problem of this method is the low technological flexibility of the surfacing process in relation to the consumable electrode, which manifests itself in a narrow range of possible regulation of the share of participation of the electrode metal in the weld metal. Low technological flexibility is due to the unidirectional effect of the arc current or deposition rate on the cross-sectional area of penetration of the base metal and the cross-sectional area of the deposited metal. For example, with an increase in the welding speed, both the cross-sectional area of penetration of the base metal and the similar area of the deposited metal decrease. As a result, these main modes of surfacing have little effect on the share of the electrode metal in the weld metal, which makes it difficult to obtain a weld with a given content of the main alloying element. This leads to high labor intensity and cost of experimental selection of welding parameters, which provide an acceptable range of the content of the main alloying element in the weld. The low technological flexibility of the method is evidenced by the fact that in order to obtain the required chemical composition of the weld, a filler wire heated to a plastic state is used, the feed spread of which by weight is ±50% of the average value. Such a high spread confirms the low melting stability of the filler wire, even if it is heated, which contributes to an increase in the melting stability.

Следствием этого является сложность известного способа наплавки, требующего дополнительного механизма подачи присадочной проволоки и специального источника питания подогрева проволоки, точного ее позиционирования, контроля за тем, чтобы на присадочную проволоку не загоралась дуга и зависимость производительности расплавления проволоки и ее растворения в сварочной ванне от ряда случайных факторов. Вследствие нарушений скорости расплавления проволоки может нарушаться процесс наплавки. Отрицательное влияние на процесс также оказывает магнитное взаимодействие токов цепи сварочной дуги и цепи проволоки.The consequence of this is the complexity of the known method of surfacing, which requires an additional mechanism for feeding the filler wire and a special power source for heating the wire, its precise positioning, control that the arc does not light up on the filler wire, and the dependence of the productivity of melting the wire and its dissolution in the weld pool on a number of random factors. Due to violations of the wire melting rate, the surfacing process can be disturbed. The process is also negatively affected by the magnetic interaction of the currents of the welding arc circuit and the wire circuit.

Предлагается способ наплавки на пластину или сварки шва стыкового соединения плавящимся электродом с использованием дуги обратной полярности в среде защитного газа, при котором задана доля участия наплавленного металла в шве ψ_Эпо массе, для наплавки используют дугу с разнополярными импульсами тока с частотой не менее 40 Гц при регулировании отношения среднего тока импульсов прямой полярности за период к среднему току дуги за период в пределах ϕ=0,1-0,9, предварительно, на рекомендуемом для сварки для данного диаметра электрода токе дуги обратной полярности в условиях наплавки или сварки, выполняют два шва при различных значениях ϕ, определяют площади поперечного сечения швов и наплавленного металла, вычисляют для них ψ_Э, определяют коэффициенты линейной зависимости для ψ_Э от отношения ϕ и наплавку или сварку ведут при расчетном значении ϕ обеспечивающем значение ψ_Э,ближайшее к заданному.A method is proposed for surfacing on a plate or welding a butt joint seam with a consumable electrode using an arc of reverse polarity in a shielding gas environment, in which the proportion of the deposited metal in the seam ψ is set_Eby weight, for surfacing an arc with bipolar current pulses with a frequency of at least 40 Hz is used while adjusting the ratio of the average current of direct polarity pulses per period to the average arc current per period within ϕ = 0.1-0.9, previously, at the recommended for welding for a given diameter of the electrode current of the reverse polarity arc in the conditions of surfacing or welding, perform two seams at different values of ϕ, determine the cross-sectional areas of the welds and the deposited metal, calculate ψ for them_E, determine the coefficients of linear dependence for ψ_E from the ratio ϕ and surfacing or welding is carried out at the calculated value of ϕ providing the value of ψ_E,nearest to the given one.

По одному из вариантов способа значения ϕ в проводимых наплавках должны отличаться не менее чем на 0,4.According to one of the variants of the method, the values of ϕ in the surfacings to be carried out must differ by at least 0.4.

Технический результат заявляемого способа наплавки заключается в обеспечении возможности значительного расширения диапазона отношения доли участия электродного металла в металле шва ψ_Э, создание возможности получения требуемого содержания в наплавленном шве основного легирующего элемента при использовании качестве источника тепла высокопроизводительной, и одновременно гибкой и стабильной дуги с разнополярными импульсами тока с частотой свыше 40 Гц за счет предложенного экспериментально- расчетного подхода к определению оптимального отношения средних токов импульсов прямой полярности к среднему току импульсов за период при минимуме выполняемых экспериментов. Соответственно обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики наплавленного шва.The technical result of the proposed method of surfacing is to provide the possibility of significantly expanding the range of the ratio of the proportion of participation of the electrode metal in the weld metal ψ _E , creating the possibility of obtaining the required content in the weld weld of the main alloying element when using a high-performance, and at the same time flexible and stable arc with multipolar pulses as a heat source current with a frequency above 40 Hz due to the proposed experimental-computational approach to determining the optimal ratio of the average currents of pulses of direct polarity to the average current of pulses over a period with a minimum of experiments performed. Accordingly, high performance characteristics of the deposited weld are ensured.

Другим техническим результатом является повышение производительности расплавления электродного металла, что приводит к повышению производительности сварки при заполнении разделки кромок и наплавке.Another technical result is an increase in the productivity of the melting of the electrode metal, which leads to an increase in the productivity of welding when filling the groove and surfacing.

Кроме того, упрощается выполнение наплавки или сварки и устраняется магнитное взаимодействие токов и проволоки.In addition, surfacing or welding is simplified and the magnetic interaction of currents and wire is eliminated.

На фиг. 1 показано поперечное сечение наплавленного шва, на фиг. 2 - поперечное сечение сварного шва, на фиг. 3 циклограмма импульсов при преобладании тока прямой полярности; на фиг. 4 - циклограмма импульсов при преобладании тока обратной полярности; на фиг. 5 - зависимости рекомендуемых плотностей тока на плавящийся электрод, на фиг. 6 - зависимости площадей шва и наплавки от тока, на фиг. 7 - зависимости площадей шва и наплавки от скорости сварки, на фиг. 8 - диаграмма коэффициентов расплавления для стальных проволок, на фиг. 9 - диаграмма коэффициентов расплавления для алюминиевых проволок, на фиг. 10 - схема определения оптимального значения ϕ.In FIG. 1 shows a cross section of the weld, Fig. 2 is a cross section of the weld, in Fig. 3 cyclogram of impulses with the predominance of direct polarity current; in fig. 4 - cyclogram of pulses with the predominance of reverse polarity current; in fig. 5 - dependencies of the recommended current densities per consumable electrode, in Fig. 6 - dependence of the areas of the seam and surfacing on the current, in Fig. 7 - dependences of the areas of the seam and surfacing on the welding speed, in Fig. 8 is a chart of melting coefficients for steel wires, FIG. 9 is a chart of melting ratios for aluminum wires, FIG. 10 - scheme for determining the optimal value of ϕ.

На фиг. 1 приведена схема процесса наплавки и поперечное сечение наплавленного шва после дуговой автоматической наплавки на пластину плавящимся электродом в среде защитного газа. Наплавка шва 1 на пластину 2 толщиной δ, производится сварочной дугой 3 прямого действия с разнополярными импульсами тока электродной проволокой 4. Наплавленный шов 1, представляющий сплав основного металла с электродным, можно условно разделить на площадь поперечного сечения проплавления основного металла 5 и площадь поперечного сечения наплавленного металла 6. На пластине 1 их разделяет пунктирная линия, проходящая по лицевой поверхности пластины 1. Ширина наплавленного шва 1 Е, глубина проплавления (провар) Н. Площадь поперечного сечения проплавления основного металла 5 обозначим F_O, она определяется как разность между площадью поперечного сечения шва 1, равной F_Ш и площадью поперечного сечения наплавленного металла 6, равной F_H In FIG. Figure 1 shows the scheme of the surfacing process and the cross section of the weld after automatic arc surfacing on the plate with a consumable electrode in a shielding gas. Welding of weld 1 on plate 2 with thickness δ is carried out by direct action welding arc 3 with bipolar current pulses and electrode wire 4. Weld weld 1, which is an alloy of the base metal with the electrode, can be conditionally divided into the cross-sectional area of penetration of the base metal 5 and the cross-sectional area of the deposited metal 6. On the plate 1, they are separated by a dotted line passing along the front surface of the plate 1. The width of the deposited seam 1 E, the penetration depth (penetration) H. The cross-sectional area of penetration of the base metal 5 will be _denoted F weld 1 equal to F _W and the cross-sectional area of the deposited metal 6 equal to F _H

F_O =F_Ш - F_H. (1)F _O \u003d F _W - F _H. (one)

Площади F_Ши F_H можно определить опытным путем на пластине по макрошлифу поперечного сечения шва. В случае сварки и наличия зазора или разделки кромок площадь поперечного сечения наплавленного металла можно определить по разнице масс образца до и после сварки и длине шва.The areas F _W and F _H can be determined empirically on the plate from the macro section of the weld cross section. In the case of welding and the presence of a gap or groove, the cross-sectional area of the deposited metal can be determined from the difference in the masses of the sample before and after welding and the length of the weld.

Площадь проплавления поперечного сечения основного металла F_Oможет также быть определена с необходимой точностью с помощью формул для распространения тепла в пластине по измерениям размеров сварного шва без изготовления шлифа поперечного сечения (см. например патент РФ № 2704676, Опубл. 30.10.2019, Бюл. № 31).The cross-sectional penetration area of the base metal F _O can also be determined with the required accuracy using formulas for heat propagation in the plate by measuring the dimensions of the weld without making a section of the cross section (see, for example, RF patent No. 2704676, Publ. 10.30.2019, Bull. No. 31).

При известных площадях поперечных сечений F_Oи F_Hможно определить важный параметр сварного шва - долю участия площади поперечного сечения электродного металла в площади поперечного сечения всего шва ψ_Э, который используется для расчета химического состава сварного шва по известным химическим составам наплавляемого и основного металлов. При одинаковых плотностях металла электродной проволоки и основного металлаWith known cross-sectional areas F _O and F _H , it is possible to determine an important parameter of the weld - the share of the cross-sectional area of the electrode metal in the cross-sectional area of the entire weld ψ _E , which is used to calculate the chemical composition of the weld from the known chemical compositions of the deposited and base metals. With the same density of the metal of the electrode wire and the base metal

ψ_Э = F_Э/F_Ш= (F_Ш-F_O)/F_Ш. (2)ψ _E \u003d F _E / F _W \u003d (F _W -F _O ) / F _W. (2)

Если задано требуемое отношение ψ_Эпо массе, то из выражения (2) можно найти необходимое для этого отношение F_O/F_Э. При наплавке разнородного металла, такого как алюминий на сталь, необходимо учитывать разные их плотности.If the required ratio ψ _E by weight is given, then from expression (2) it is possible to find the ratio F _O /F _E necessary for this. When surfacing a dissimilar metal, such as aluminum on steel, it is necessary to take into account their different densities.

Допустим, что требуемое содержание алюминия в наплавленном шве по массе ψ_Э=0,3. Тогда, при наплавке алюминиевой электродной проволоки на сталь, учитывая различную плотность этих металлов, можно записатьLet us assume that the required aluminum content in the deposited weld by weight ψ _E =0.3. Then, when surfacing aluminum electrode wire on steel, taking into account the different density of these metals, we can write

(ρ_AlF_H1)/(ρ_СF_O+ρ_AlF_H1) = 0,3, (3)(ρ _Al F _H1 )/(ρ _С F _O +ρ _Al F _H1 ) = 0.3, (3)

где ρ_Al - плотность алюминиевой проволоки, г/см³,where ρ _Al is the density of aluminum wire, g/cm ³ ,

F_H1 - площадь поперечного сечения наплавленного алюминия при условии отсутствия его перемешивания с основным металлом, см²,F _H1 - cross-sectional area of the deposited aluminum, provided that it is not mixed with the base metal, cm ² ,

ρ_С - плотность стальной проволоки, г/см³,ρ _С - steel wire density, g/cm ³ ,

F_O - площадь поперечного сечения проплавления основного металла, см², которую можно определить по шлифу поперечного сечения или расчетным путем по формулам распространения тепла при сварке.F _O - cross-sectional area of penetration of the base metal, cm ² , which can be determined from the section of the cross section or by calculation using the formulas for the spread of heat during welding.

В формуле (3) принято, что весь наплавленный металл имеет плотность алюминия, а основной металл - плотность низкоуглеродистой стали. Принимаем плотность стали ρ_С= 7,8 г/см³, плотность алюминия 2,7 г/см³. Тогда после преобразований получимIn formula (3), it is assumed that the entire deposited metal has the density of aluminum, and the base metal has the density of low-carbon steel. We take the density of steel ρ _C \u003d 7.8 g / cm ³ , the density of aluminum is 2.7 g / cm ³ . Then after transformations we get

(F_O/F_Н1) =0, 81. (4)(F _O /F _H1 ) = 0.81. (4)

Получили, что при соотношении ψ_Э=0,3 по массе алюминиевой проволоки, отношение площадей проплавления и наплавленной проволоки без ее перемешивания со стальным основным металлом 0,81. Такое соотношение очень сложно получить при использовании в качестве дополнительного металла присадочной проволоки из-за низкой скорости ее расплавления. Необходимо определить такие параметры процесса наплавки плавящимся алюминиевым электродом на сталь, в среде защитного газа аргона, которые обеспечивали бы именно такое отношение площадей, чтобы получить ψ_Э=0,3. Это можно обеспечить с помощью предлагаемого способа наплавки.Received that at a ratio of ψ _E =0.3 by weight of aluminum wire, the ratio of the areas of penetration and deposited wire without mixing with steel base metal 0.81. Such a ratio is very difficult to obtain when using filler wire as an additional metal due to its low melting rate. It is necessary to determine such parameters of the process of surfacing with a consumable aluminum electrode on steel, in an argon shielding gas environment, which would provide just such a ratio of areas in order to obtain ψ _E = 0.3. This can be achieved using the proposed surfacing method.

В таблицу 1 сведены данные расчетов отношения площадей поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла и наплавленного металла к площади поперечного сечения шва.Table 1 summarizes the calculation data for the ratio of the cross-sectional areas of penetration of the base metal and deposited metal and deposited metal to the cross-sectional area of the weld.

Таблица 1Table 1

_ψЭψE 0,150.15 0,200.20 0,300.30 0,400.40 F_O/F_Н1 F _O /F _H1 1,961.96 1,381.38 0,810.81 0,520.52 F_O/F_Ш F _O /F _W 0,850.85 0,800.80 0,700.70 0,600.60

Т.о., чтобы получить достаточно точное значение ψ_Эв указанном диапазоне необходимо при наплавке получить соответствующее отношение площадей F_O и площади сечения наплавленного металла без перемешивания F_Н1. Для этого при заданной толщине пластин следует получить зависимость данных величин от отношения длительности импульсов обратной полярности ϕ к длительности цикла. Достаточно получить два значения соотношения этих величин при разных ϕ, то есть предварительно наплавить два шва. Зависимость площади поперечного сечения основного металла в области проплавления пластины на глубину меньше 0,6 толщины δ будут близкий к линейной. Это же относится к площади поперечного сечения наплавленного металла. Для того, чтобы при выборе режимов ограничиваться этой областью можно использовать рекомендации по режимам сварки двухсторонних швов стыковых соединений без разделки кромок. Поскольку в шве металлы перемешаны, и плотность шва одинакова, то выражение (2) справедливо для любого шва для ψ_Э по массе и оно легко определяется по шлифу поперечного сечения. Для определения же массы алюминия, которое необходимо передать в шов следует использовать выражение (4) для F_O/F_H1.Thus, in order to obtain a sufficiently accurate value of ψ _E in the indicated range, it is necessary to obtain the corresponding ratio of the areas F _O and the cross-sectional area of the deposited metal without mixing F _H1 during surfacing. To do this, for a given thickness of the plates, it is necessary to obtain the dependence of these quantities on the ratio of the duration of pulses of reverse polarity ϕ to the duration of the cycle. It is enough to obtain two values of the ratio of these quantities at different ϕ, that is, to preliminarily weld two seams. The dependence of the cross-sectional area of the base metal in the area of penetration of the plate to a depth of less than 0.6 thickness δ will be close to linear. The same applies to the cross-sectional area of the deposited metal. In order to be limited to this area when choosing modes, you can use the recommendations on the modes of welding double-sided seams of butt joints without cutting edges. Since the metals are mixed in the weld, and the density of the weld is the same, then expression (2) is valid for any weld for ψ _E by weight and it is easily determined from the section of the cross section. To determine the mass of aluminum that must be transferred to the seam, expression (4) for F _O /F _H1 should be used.

Определить содержание какого-либо легирующего элемента в сварном шве С_Ш в % по массе без учета влияния химических реакций и испарения элемента можно по формуле смешенияTo determine the content of any alloying element in the weld C _W in% by weight without taking into account the influence of chemical reactions and evaporation of the element, you can use the mixing formula

С_Ш=С_Эψ_Э + С_О(1-ψ_Э), (5)C _W \u003d C _E ψ _E + C _O (1-ψ _E ), (5)

где С_Э - содержание данного элемента в наплавляемом металле в % по массе,where C _E - the content of this element in the deposited metal in% by weight,

С_О- содержание этого же элемента в основном металле в % по массе.C _O - the content of the same element in the base metal in% by weight.

Для достаточно точного определения доли участия ψ_Эпри изменении доли прямой полярности на данном токе импульсов предлагается провести две опытные наплавки или сварки швов при значениях ϕ, отстоящих достаточно далеко друг от друга, не менее, чем на Δϕ =0,4 и определить площади поперечного сечения шва F_Ши наплавленного металла F_Hи рассчитать два значения ψ_Э по массе. Затем необходимо определить коэффициенты прямой линии, проходящей через два полученных значения ψ_Э. Это можно сделать вручную с помощью решения системы двух линейных уравнений или то же самое при помощи стандартной компьютерной программы. После этого можно рассчитать требуемое значение отношения длительности импульсов прямой полярности, необходимое для получения обеспечивающее наиболее близкое значение ψ_Эк требуемому. Слишком близкие значения ϕ в опытах будут увеличивать погрешность определения искомых коэффициентов линейной зависимости. Использование граничных значений ϕ=0,1 и ϕ =0,9 может увеличить погрешность определения ψ_Эпри средних значениях ϕ=0,4-0,6. Поэтому значения ϕ нужно выбирать отстоящими друг от друга не менее чем на 0,4.For a fairly accurate determination of the share of participation ψ _E when changing the share of direct polarity at a given pulse current, it is proposed to carry out two experimental surfacings or welds at values of ϕ that are far enough apart, not less than Δϕ = 0.4 and determine the area of the transverse section of the weld F _W and deposited metal F _H and calculate two values of ψ _E by weight. Then it is necessary to determine the coefficients of the straight line passing through the two obtained values ψ _E . This can be done manually by solving a system of two linear equations, or the same can be done using a standard computer program. After that, you can calculate the required value of the ratio of the duration of pulses of direct polarity, necessary to obtain the one that provides the closest value of ψ _E to the required one. Too close values of ϕ in the experiments will increase the error in determining the desired linear dependence coefficients. The use of boundary values ϕ=0.1 and ϕ=0.9 can increase the error in determining ψ _E at average values ϕ=0.4-0.6. Therefore, the values of ϕ must be chosen at least 0.4 apart from each other.

На фиг. 2 приведена схема процесса автоматической сварки плавящимся электродом в среде защитного газа и поперечное сечение сварного шва на пластинах с V-образной разделкой свариваемых кромок. Сварка корневого слоя шва 1 на пластинах 2 толщиной δ, производится сварочной дугой 3 прямого действия с разнополярными импульсами тока электродной проволокой 4. Сварной шов 1, представляющий сплав основного металла с электродным, можно условно разделить на площадь поперечного сечения проплавления основного металла 5 и площадь поперечного сечения наплавленного металла 6. Ширина сварного шва со стороны разделки кромок Е, высота шва Н. Площадь поперечного сечения проплавления основного металла 5 обозначим F_O и также как на фиг. 1 определяется как разность между площадью поперечного сечения шва 1, равной F_Ш и площадью поперечного сечения наплавленного металла 6, равной F_H. Общую площадь поперечного сечения шва можно определить по макрошлифу, а площадь поперечного сечения наплавленного металла можно определить по разнице масс образца до и после сварки и длине шва.In FIG. 2 shows a diagram of the process of automatic welding with a consumable electrode in a shielding gas environment and the cross section of the weld on plates with a V-shaped groove of the edges to be welded. Welding of the root layer of the weld 1 on plates 2 with a thickness of δ is carried out by a direct action welding arc 3 with bipolar current pulses and an electrode wire 4. section of the deposited metal 6. The width of the weld from the side of the groove E, the height of the weld H. The cross-sectional area of the penetration of the base metal 5 will be denoted F _O and also as in Fig. 1 is defined as the difference between the cross-sectional area of the weld 1 equal to F _W and the cross-sectional area of the deposited metal 6 equal to F _H . The total cross-sectional area of the weld can be determined from the macro section, and the cross-sectional area of the deposited metal can be determined from the difference in the masses of the sample before and after welding and the length of the weld.

На фиг. 3 представлена циклограмма тока дуги при наплавке или сварке плавящимся электродом разнополярными импульсами тока прямоугольной формы при преобладании по времени импульсов обратной полярности. Токи во время импульсов одинаковы. Время импульсов прямой полярности обозначено t_EN,а обратной полярности t_EP. Общее время цикла t_C. Средний ток дуги обратной полярности I_EPC за периодIn FIG. Figure 3 shows the cyclogram of the arc current during surfacing or welding with a consumable electrode with bipolar rectangular current pulses with the predominance of reverse polarity pulses in time. The currents during the pulses are the same. The time of pulses of direct polarity is designated t _EN, and reverse polarity t _EP . Total cycle time t _C . Average reverse polarity arc current I _EPC per period

I_EPC= I_EP(1-ϕ), (6) _IEPC = _IEP (1-ϕ), (6)

где I_EP- средний ток дуги обратной полярности в импульсе, Аwhere I _EP is the average reverse polarity arc current per pulse, A

ϕ - доля по времени тока импульсов прямой полярности за период.ϕ is the time fraction of the current of pulses of direct polarity per period.

В предлагаемом способе значение ϕ предлагается выбирать в пределах ϕ=0,1-0,9, а частоту импульсов не менее 40 Гц. Предлагаемый диапазон изменений ϕ позволяет максимально расширить диапазон возможных значений ψ_Э. Значения ϕ меньше 0,1 не следует применять, так как возможно нарушение устойчивости повторных зажиганий дуги, а также тем, что выпускаемые промышленностью установки позволяют изменять ϕ с шагом не менее 0,1. Значения ϕ больше 0,9 не следует применять по причине возможного нарушения стабильности скорости расплавления электродной проволоки. Использование частоты импульсов не менее 40 Гц обеспечивает высокую пространственную устойчивость дуги и высокую стабильность скорости расплавления электродной проволоки.In the proposed method, the value of ϕ is proposed to be chosen within ϕ=0.1-0.9, and the pulse frequency is not less than 40 Hz. The proposed range of changes ϕ allows you to maximize the range of possible values ψ _E . Values of ϕ less than 0.1 should not be used, since a violation of the stability of re-ignition of the arc is possible, as well as the fact that installations manufactured by the industry allow changing ϕ in increments of at least 0.1. Values of ϕ greater than 0.9 should not be used due to a possible violation of the stability of the melting rate of the electrode wire. The use of a pulse frequency of at least 40 Hz ensures high spatial stability of the arc and high stability of the rate of melting of the electrode wire.

Средний ток дуги прямой полярности I_ENC за периодAverage straight polarity arc current I _ENC per period

I_ENC= I_ENϕ, (7)I _ENC = I _EN ϕ, (7)

где I_EP- средний ток дуги прямой полярности в импульсе, А.where I _EP is the average current of the arc of direct polarity in the pulse, A.

Средний ток дуги I_C за периодAverage arc current I _C per period

I_C= I_EPC+ I_ENC. (8)I _C = I _EPC + I _ENC . (eight)

Средние токи полярностей дуги за период I_ENCи I_EPCопределяют производительность расплавления электрода этой полярностью за период.The average currents of the arc polarities per period I _ENC and I _EPC determine the melting performance of an electrode with that polarity per period.

На фиг. 4 представлена циклограмма тока дуги при сварке разнополярными импульсами тока прямоугольной формы при преобладании по времени импульсов прямой полярности. Токи импульсов также одинаковы. Обозначения на фиг. 4 аналогичны обозначениям на фиг. 3. Формулы (6)-(8) справедливы и в этом случае.In FIG. Figure 4 shows the cyclogram of the arc current during welding with rectangular current pulses of different polarity with the predominance of direct polarity pulses in time. The pulse currents are also the same. The designations in Fig. 4 are similar to those in FIG. 3. Formulas (6)-(8) are also valid in this case.

На фиг. 5 представлены зависимости плотностей тока при сварке алюминиевой электродной проволокой в дуге обратной полярности в аргоне от ее диаметра d. Для каждого диаметра проволоки плотность тока может изменяться в достаточно большом диапазоне. Она уменьшается с увеличением диаметра проволоки. Верхняя кривая на фиг. 5 представляет максимально рекомендуемые плотности тока, а нижняя - минимальные. Кривые плотности тока рассчитаны по данным, приведенным в книге Мельниченко Н.Т. Монтаж и сварка конструкций из нержавеющей стали и алюминия. Л.: Машиностроение. 1968. 208 с. на стр. 96, в таблице 25. Аналогичные данные достаточно широко приводятся в специальной литературе.In FIG. Figure 5 shows the dependences of the current densities in welding with an aluminum electrode wire in an arc of reverse polarity in argon on its diameter d. For each wire diameter, the current density can vary over a fairly large range. It decreases with increasing wire diameter. The top curve in Fig. 5 represents the maximum recommended current densities and the bottom one represents the minimum. The current density curves are calculated according to the data given in the book by Melnichenko N.T. Assembly and welding of stainless steel and aluminum structures. L.: Mechanical engineering. 1968. 208 p. on page 96, in table 25. Similar data are quite widely given in the specialized literature.

В этой же таблице 25 приведены данные по скорости подачи электродной проволоки. По этим данным были рассчитаны коэффициенты расплавления электродной проволоки по формулеThe same table 25 shows data on the feed rate of the electrode wire. Based on these data, the melting coefficients of the electrode wire were calculated using the formula

α_Р=V_Эρ/j, (9)α _R =V _E ρ/j, (9)

где V_Э- скорость расплавления (подачи) электродной проволоки, см/с,where V _e is the melting speed (feed) of the electrode wire, cm/s,

ρ - плотность металла проволоки, г/см³,ρ - wire metal density, g / cm ³ ,

j - плотность тока в поперечном сечении электрода, А/см².j - current density in the cross section of the electrode, A/cm ² .

Размерность α_Рв этом случае г/(А⋅с) и для перевода в г/(А⋅ч) необходимо значение умножить на 3600 с. Результаты расчета α_Рприведены в таблице 2.The dimension of α _R in this case is g/(A⋅s) and to convert to g/(A⋅h) it is necessary to multiply the value by 3600 s. The calculation results for α _P are shown in Table 2.

Таблица 2table 2

d, ммd, mm 1,21.2 1,61.6 2,02.0 2,52.5 3,03.0 4,04.0 I, AI, A Токи, АCurrents, A 100100 250250 150150 300300 200200 350350 250250 400400 280280 450450 400400 500500 α_Р,
г/(А⋅ч)α _P ,
g/(A⋅h) 7,47.4 10,210.2 8,88.8 12,012.0 10,310.3 10,210.2 13,013.0 12,012.0 8,38.3 10,310.3 10,410.4 12,512.5 Δ, %Δ, % 17,317.3 15,415.4 00 4,04.0 11,011.0 8,8 8.8

В последней строке таблицы 2 приведено относительное отклонение полуразности граничных значений α_Р для диапазона токов к среднему значению.The last row of Table 2 shows the relative deviation of the half-difference of the boundary values α _R for the current range to the average value.

Из таблицы 2 следует некоторая небольшая тенденция по увеличению коэффициента расплавления с увеличением плотности тока. Это может быть связано с различной степенью нагрева электрода в вылете. Коэффициент наплавки α_Н несложно определить взвешиванием по разнице масс наплавляемого образца до и после наплавки для конкретного тока дуги и измерением тока и времени наплавки или с помощью α_Р, и известного коэффициента потерь на угар и разбрызгивание. Таблицы 2 следует невысокая точность определения коэффициента α_Р и, следовательно, связанного с ним коэффициента наплавки α_Н, который необходим для расчета производительности расплавления электродной проволоки г/с.From Table 2, there is a slight trend towards an increase in the melting factor with increasing current density. This may be due to the different degree of heating of the electrode in the extension. The surfacing coefficient α _H is easy to determine by weighing the difference in the masses of the deposited sample before and after surfacing for a specific arc current and measuring the current and surfacing time or using α _P , and the known loss coefficient for waste and spatter. Table 2 follows the low accuracy of determining the coefficient α _P and, consequently, the associated deposition coefficient α _N , which is necessary to calculate the melting performance of the electrode wire g/s.

П= α_Н I. (10)П= α _Н I. (10)

Коэффициент наплавки в формуле (10) должен использоваться в г/(А⋅с).The deposition coefficient in formula (10) should be used in g/(A⋅s).

Сравнение коэффициентов расплавления стальной и алюминиевой электродных проволок при одинаковых токах показывает, что коэффициент расплавления алюминиевой проволоки в одинаковых условиях примерно в 1,5-1,7 раза меньше, чем у стальной. Данные получены по зависимостям, приведенным в книге В.А. Ленивкина и др. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах (стр. 112, рис. 57 и 58). М.: Машиностроение, 1989 г., 264 с. Данные относятся к дуге обратной полярности. Это затрудняет получение достаточно большого количества алюминия в шве при наплавке алюминия на сталь по известному способу.Comparison of the melting coefficients of steel and aluminum electrode wires at the same currents shows that the melting coefficient of aluminum wire under the same conditions is approximately 1.5-1.7 times less than that of steel wire. The data were obtained according to the dependencies given in the book by V.A. Lenivkina and others. Technological properties of the welding arc in shielding gases (p. 112, Fig. 57 and 58). M.: Mashinostroenie, 1989, 264 p. The data refer to an arc of reversed polarity. This makes it difficult to obtain a sufficiently large amount of aluminum in the seam when surfacing aluminum on steel by a known method.

На фиг. 6 представлены зависимости площадей поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла и доли участия электродного металла в металле шва при наплавке стальной низкоуглеродистой сварочной проволоки на пластину из низкоуглеродистой стали швов в среде СО₂ от тока дуги. Зависимости приведены в книге Е.Н. Новожилова. Основы металлургии дуговой сварки в активных защитных газах. М.: Машиностроение. - 1972. - 167 с. и приведены на стр. 102 на рис. 57а. Коэффициент ψ_Эуменьшается при увеличении тока с 200 до 500 А с 0,55 до 0,35, то есть на 40%. Это происходит потому, что при определенном токе рост площади поперечного сечения проплавления основного металла начинает существенно опережать рост площади поперечного сечения наплавленного металла. Площади равны между собой при токе 250 А, то есть для этого тока F_O/F_H=1. Зависимости на фиг. 6 показывают, что в данных условиях изменение тока может в определенных пределах влиять на ψ_Эи содержание основного легирующего элемента в шве при сварке плавящимся электродом. Однако этого влияния недостаточно для обеспечения требуемого содержания основного легирующего элемента в шве. Изменение ψ_Э происходит примерно в пределах 20% от среднего значения 0,5.In FIG. Figure 6 shows the dependences of the cross-sectional areas of penetration of the base metal and the deposited metal and the proportion of the electrode metal in the weld metal during surfacing of a low-carbon steel welding wire on a plate of low-carbon steel of the welds in a CO ₂ environment on the arc current. Dependencies are given in the book by E.N. Novozhilov. Fundamentals of metallurgy of arc welding in active shielding gases. M.: Mashinostroenie. - 1972. - 167 p. and are shown on page 102 in fig. 57a. The coefficient ψ _E decreases with increasing current from 200 to 500 A from 0.55 to 0.35, that is, by 40%. This is because at a certain current, the growth of the cross-sectional area of penetration of the base metal begins to significantly outpace the growth of the cross-sectional area of the deposited metal. The areas are equal to each other at a current of 250 A, that is, for this current F _O /F _H =1. Dependencies in Fig. 6 show that under these conditions, a change in current can, within certain limits, affect ψ _e and the content of the main alloying element in the weld when welding with a consumable electrode. However, this effect is not enough to ensure the required content of the main alloying element in the weld. Change ψ _E occurs approximately within 20% of the average value of 0.5.

На фиг. 7 представлены зависимости площадей поперечного сечения проплавления основного металла и наплавленного металла и доли участия электродного металла в металле шва при наплавке стальной низкоуглеродистой сварочной проволоки на пластину из низкоуглеродистой стали швов в среде СО₂ от скорости сварки. Зависимости приведены по тому же источнику, что и для фиг. 6.In FIG. Figure 7 shows the dependences of the cross-sectional areas of penetration of the base metal and the deposited metal and the proportion of the electrode metal in the weld metal during surfacing of a low-carbon steel welding wire on a plate of low-carbon steel of the welds in a CO ₂ environment on the welding speed. Dependencies are given from the same source as for Fig. 6.

Зависимость показывает отсутствие влияния скорости сварки на ψ_Э, что характеризует низкую технологическую гибкость известного способа наплавки.The dependence shows the absence of influence of the welding speed on ψ _e , which characterizes the low technological flexibility of the known surfacing method.

На фиг. 8 представлена диаграмма коэффициентов расплавления α_Р для стальных проволок для прямой и обратной полярностей тока дуги при наплавке в аргоне проволокой Св-08Г2С диаметром 2 мм. Диаграмма построена по данным, приведенным в монографии В.А. Ленивкина и др. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989. - 264 с. (табл. 20 на стр. 115). Вылет электрода составил 1,54 см.In FIG. Figure 8 shows a diagram of the melting coefficients α _P for steel wires for direct and reverse polarity of the arc current when surfacing in argon with wire Sv-08G2S with a diameter of 2 mm. The diagram was built according to the data given in the monograph by V.A. Lenivkina et al. Technological properties of the welding arc in shielding gases. M.: Mashinostroenie, 1989. - 264 p. (Table 20 on page 115). The electrode overhang was 1.54 cm.

Опытные данные свидетельствуют, что при одинаковом токе дуги 340 А коэффициент расплавления электродной проволоки на обратной полярности EP составляет α_Р=13,0 г/(А⋅ч), а на прямой полярности EN α_Р=22,1 (г/А⋅ч), т.е. на прямой полярности α_Р в 1,7 раза больше. Это объясняется двумя причинами - большей мощностью в электрод от катодной области дуги, чем от анодной и меньшим теплосодержанием капель электродного металла на прямой полярности.Experimental data show that at the same arc current of 340 A, the melting coefficient of the electrode wire at reverse polarity EP is α _P =13.0 g/(A⋅h), and at straight polarity EN α _P =22.1 (g/A⋅ h), i.e. on direct polarity α _P is 1.7 times greater. This is due to two reasons - a greater power into the electrode from the cathode region of the arc than from the anode region and a lower heat content of the electrode metal drops at direct polarity.

Для различных защитных газов соотношение коэффициентов расплавления для прямой и обратной полярности приводится в справочнике «Сварка в машиностроении», Т. 1, 1978 г. на стр. 238, табл. 36. Для диаметра электродной проволоки 1,6 мм среднее значение при токе 350 А на прямой полярности 26,1 г/(А⋅ч), а на обратной 15,5 г/(А⋅ч), то есть на прямой полярности в 1,68 раза больше.For various shielding gases, the ratio of melting coefficients for direct and reverse polarity is given in the reference book "Welding in Mechanical Engineering", Vol. 1, 1978 on page 238, table. 36. For an electrode wire diameter of 1.6 mm, the average value at a current of 350 A at direct polarity is 26.1 g / (A⋅h), and at the reverse 15.5 g / (A⋅h), that is, at direct polarity in 1.68 times more.

Коэффициент наплавки α_Нотличается от коэффициента расплавления α_Р только небольшим процентом потерь на угар и разбрызгивание, которые не влияют на общую картину соотношения производительности наплавки на разных полярностях.The surfacing coefficient α _H differs from the melting coefficient α _P only by a small percentage of losses due to waste and spatter, which do not affect the overall picture of the ratio of surfacing productivity at different polarities.

На фиг. 9 приведена аналогичная диаграмма для наплавки алюминиевой электродной проволоки диаметром 1,2 мм на алюминиевую пластину при токе 200 А дугой в аргоне. Коэффициент расплавления электродной проволоки на обратной полярности составляет 8,72 г/(А⋅ч), а на прямой полярности 19,33 (г/А⋅ч), т.е. на прямой полярности в 2,16 раза больше. Данный результат описан в статье В.П. Сидорова и др. О плавлении алюминиевого электрода аргоновой дугой прямой полярности. Вектор науки ТГУ, 2019. №4(50). С. 52-57.In FIG. 9 shows a similar diagram for surfacing aluminum electrode wire with a diameter of 1.2 mm on an aluminum plate at a current of 200 A with an arc in argon. The melting coefficient of the electrode wire at reverse polarity is 8.72 g/(A⋅h), and at straight polarity 19.33 (g/A⋅h), i.e. on direct polarity 2.16 times more. This result is described in the article by V.P. Sidorova et al. On the melting of an aluminum electrode by an argon arc of direct polarity. Vector of Science TSU, 2019. No. 4(50). pp. 52-57.

Однако на прямой полярности сварку и наплавку дугой в защитных газах плавящимся электродом не ведут из-за низкой стабильности скорости расплавления электродной проволоки и низкой пространственной устойчивости дуги. Это объясняется особенностями поведения катодного пятна на стержневом электроде.However, in direct polarity, welding and surfacing with an arc in shielding gases with a consumable electrode is not carried out due to the low stability of the melting rate of the electrode wire and the low spatial stability of the arc. This is explained by the peculiarities of the behavior of the cathode spot on the rod electrode.

Применение разнополярной дуги с частотой импульсов тока не менее 40 Гц для наплавки и сварки плавящимся электродом в защитных газах позволяет повысить стабильность, как скорости расплавления электрода, так и пространственную устойчивость дуги. В то же время из-за существенной разницы в интенсивности проплавлении электрода и изделия этот вид дуги позволяет за счет регулирования доли полярностей в периоде регулировать соотношение площадей проплавления основного и наплавленного металла в очень широких пределах.The use of a bipolar arc with a current pulse frequency of at least 40 Hz for surfacing and welding with a consumable electrode in shielding gases makes it possible to increase the stability of both the electrode melting rate and the spatial stability of the arc. At the same time, due to a significant difference in the intensity of penetration of the electrode and the product, this type of arc allows, by controlling the proportion of polarities in the period, to control the ratio of the areas of penetration of the base and deposited metal in a very wide range.

Повышение стабильности происходит вследствие того, что изменение полярности с достаточно высокой частотой подавляет блуждание катодного пятна сварочной дуги, как на изделии, так и на электроде. Стабильность повторных зажиганий обеспечивается высокой скоростью перехода тока через ноль и встроенными в сварочные установки высокочастотными возбудителями дуг.The increase in stability is due to the fact that a change in polarity with a sufficiently high frequency suppresses the wandering of the cathode spot of the welding arc, both on the product and on the electrode. The stability of re-ignitions is ensured by the high current zero crossing rate and the high-frequency arc exciters built into the welding machines.

Для дуги с разнополярными импульсами тока можно записать формулу для коэффициента наплавки αFor an arc with bipolar current pulses, we can write the formula for the deposition coefficient α

α = (1-ϕ) α_EP +α_EN⋅ϕ, (11)α = (1-ϕ) α _EP + α _EN ⋅ϕ, (11)

где α_EP- коэффициент наплавки для дуги обратной полярности постоянного тока,where α _EP is the deposition rate for a DC reverse polarity arc,

α_EN- коэффициент наплавки для дуги прямой полярности постоянного тока.α _EN is the deposition factor for a DC direct polarity arc.

Обозначим отношение (α_EN/α_EP) = М >1. ТогдаDenote the ratio (α _EN /α _EP ) = М >1. Then

α = (1-ϕ) α_EP + α_EP М⋅ϕ.α = (1-ϕ) α _EP + α _EP М⋅ϕ.

После преобразований получимAfter transformations, we get

α = α_EP - ϕ α_EP + α_EP М⋅ϕ = α_EP[1- ϕ +M⋅ϕ]. (12)α = α _EP - ϕ α _EP + α _EP М⋅ϕ = α _EP [1- ϕ + M⋅ϕ]. (12)

При ϕ = 0,1 преобладает обратная полярность, при М = 2 получим α = 1,1 α_EP, а при ϕ = 0,9 преобладает прямая полярность, и при М = 2 получим α = 1,9 α_EP. Т.е., при увеличении отношения длительности импульсов прямой полярности к длительности периода, по предлагаемому способу можно изменить коэффициент наплавки на 73%. Одновременно будет уменьшаться аналогичный коэффициент проплавления основного металла, который можно обозначить α_О. Он будет изменяться в меньшей степени, однако в целом диапазон возможного изменения доли участия электродного металла в шве будет значительно шире, чем у известного способа. Противоположная направленность изменения площадей проплавления основного и наплавленного металлов с изменением ϕ позволяет в очень широких пределах изменять ψ_Э. Коэффициент проплавления основного металла, аналогичный коэффициенту наплавки для электродной проволоки можно определить по формулеAt ϕ = 0.1, reverse polarity prevails, at M = 2 we get α = 1.1 α _EP , and at ϕ = 0.9, direct polarity prevails, and at M = 2 we get α = 1.9 α _EP . That is, with an increase in the ratio of the duration of pulses of direct polarity to the duration of the period, according to the proposed method, it is possible to change the deposition coefficient by 73%. At the same time, a similar coefficient of penetration of the base metal will decrease, which can be denoted α _O . It will change to a lesser extent, however, in general, the range of possible changes in the proportion of the electrode metal in the weld will be much wider than that of the known method. The opposite direction of change in the areas of penetration of the base and deposited metals with a change in ϕ allows you to change ψ _e in a very wide range. The coefficient of penetration of the base metal, similar to the coefficient of welding for electrode wire, can be determined by the formula

α_О = (F_O⋅ρ_O⋅V_C)/I, (13)α _О = (FO _{⋅ρ O} _⋅V _C )/I, (13)

где ρ_O - плотность основного металла, г/см³,where ρ _O is the density of the base metal, g / cm ³ ,

I - средний ток дуги, А,I - average arc current, A,

V_C - скорость сварки, см/с.V _C - welding speed, cm / s.

Размерность α_О при использовании указанных единиц измерения г/(А⋅с).Dimension α _О when using the indicated units of measurement g/(A⋅s).

В таблице 3 представлены расчетные зависимости отношения коэффициентов наплавки α электрода для дуги с разнополярными импульсами тока от ϕ для различных значений М по формуле (11). Значения М могут изменяться в зависимости от диаметра электрода и тока дуги. Коэффициент в таблице показывает во сколько раз коэффициент наплавки при данных М и ϕ больше аналогичного коэффициента на обратной полярности дуги.Table 3 shows the calculated dependences of the ratio of the deposition coefficients α of the electrode for an arc with current pulses of different polarities on ϕ for various values of M according to formula (11). The values of M may vary depending on the diameter of the electrode and the arc current. The coefficient in the table shows how many times the deposition coefficient for given M and ϕ is greater than the similar coefficient for the reverse polarity of the arc.

Таблица 3Table 3

МM ϕϕ 0,10.1 0,20.2 0,30.3 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,70.7 0,80.8 0,90.9 1,61.6 1,061.06 1,121.12 1,181.18 1,241.24 1,301.30 1,361.36 1,421.42 1,481.48 1,541.54 1,81.8 1,081.08 1,161.16 1,241.24 1,321.32 1,401.40 1,481.48 1,561.56 1,641.64 1,721.72 2,02.0 1,11.1 1,21.2 1,31.3 1,41.4 1,51.5 1,61.6 1,71.7 1,81.8 1,91.9

Площадь проплавления основного металла в формуле (13) изменяется при увеличении ϕ противоположным образом - она уменьшается. Это связано с тем, что мощность, вводимая катодной областью в изделие существенно больше, чем анодной областью. Мощность, передаваемая изделию жидким электродным металлом мало влияет на проплавление основного металла. Т.о., площади проплавления основного металла F_O и электродного металла F_H изменяются при изменении ϕ противоположно, что позволяет регулировать ψ_Э в широких пределах. Соответственно, в очень широких пределах будет регулироваться и химический состав шва.The area of penetration of the base metal in formula (13) changes with an increase in ϕ in the opposite way - it decreases. This is due to the fact that the power introduced into the product by the cathode region is significantly greater than by the anode region. The power transmitted to the product by the liquid electrode metal has little effect on the penetration of the base metal. Thus, the areas of penetration of the base metal F _O and the electrode metal F _H change in the opposite direction with a change in ϕ, which allows you to adjust ψ _E over a wide range. Accordingly, the chemical composition of the weld will be regulated within a very wide range.

На фиг. 10 представлена схема определения требуемого ϕ. Линейная зависимость ψ_Э =f(ϕ) была получена для точек ϕ=0,3 и ϕ=0,7. Допустим, что для получения необходимого содержания легирующего элемента требуется как на фиг. 10, чтобы было ψ_Э=0,35. Нужно из требуемого значения на оси ψ_Э необходимо провести перпендикуляр к прямой ψ_Э=f(ϕ) и из точки пересечения опустить перпендикуляр к оси ϕ. Выпускаемые промышленностью сварочные установки для сварки разнополярными импульсами обычно обеспечивают регулирование ϕ с шагом 0,1. При получении промежуточного значения ϕ, не кратного 0,1 следует выбрать ближайшее кратное 0,1 значение ϕ. Например, если расчетное значение ϕ получили ϕ=0,53, то следует выбрать значение ϕ=0,5. А если получили, например, расчетное значение ϕ=0,57, то следует выбрать ϕ =0,6. В будущем возможен выпуск сварочных установок с регулированием ϕ с шагом 0,05.In FIG. 10 shows a scheme for determining the required ϕ. The linear dependence ψ _E =f(ϕ) was obtained for the points ϕ=0.3 and ϕ=0.7. Let us assume that in order to obtain the required content of the alloying element, it is required, as in FIG. 10 to be ψ _E =0.35. It is necessary from the required value on the axis ψ _E to draw a perpendicular to the straight line ψ _E =f(ϕ) and from the point of intersection to lower the perpendicular to the axis ϕ. Commercially available multi-pulse welders typically provide ϕ control in steps of 0.1. When obtaining an intermediate value of ϕ that is not a multiple of 0.1, one should choose the nearest multiple of 0.1 value of ϕ. For example, if the calculated value of ϕ received ϕ=0.53, then the value ϕ=0.5 should be selected. And if you get, for example, the calculated value ϕ=0.57, then you should choose ϕ=0.6. In the future, it is possible to produce welding machines with ϕ control in increments of 0.05.

После этого уточняется значение доли участия электродного металла ψ_Э, производится расчет содержания основного и других легирующих элементов в шве. Это позволит прогнозировать эксплуатационные свойства шва.After that, the value of the share of participation of the electrode metal ψ _E is specified, the content of the main and other alloying elements in the weld is calculated. This will allow predicting the operational properties of the seam.

Для реализации способа можно использовать и установки, обеспечивающие не только регулирование ϕ, но и токи импульсов. В этом случае будут справедливы и могут использоваться формулы для средних токов за период.To implement the method, you can also use installations that provide not only the regulation of ϕ, but also the pulse currents. In this case, formulas for average currents over a period will be valid and can be used.

Режимы сварки электродной проволокой, обеспечивающие отсутствие проплавления пластин на глубину больше 0,6 их толщины можно выбирать на основе таблицы 4 и ей подобных для сварки стальными проволоками. Приэлектродные мощности дуг с плавящимися электродами мало зависят от материала электродной проволоки. Поэтому провар основного металла алюминиевой проволокой будет близок к провару швов, выполняемых алюминиевой проволокой.Welding modes with electrode wire, ensuring the absence of penetration of plates to a depth of more than 0.6 of their thickness, can be selected on the basis of Table 4 and the like for welding with steel wires. The near-electrode power of arcs with consumable electrodes depends little on the material of the electrode wire. Therefore, the penetration of the base metal with aluminum wire will be close to the penetration of seams made with aluminum wire.

Таблица 4Table 4

δ, ммδ, mm Число слоев Number of layers d_Э, мм d _E , mm Ток, АCurrent, A U_Д, ВU _D , V V_C, см/сV _C , cm/s 3-53-5 1-21-2 1,6-2,01.6-2.0 180-200180-200 28-3028-30 0,56-0,610.56-0.61 6-86-8 1-21-2 2,02.0 250-300250-300 28-3028-30 0,50-0,610.50-0.61 8-128-12 2-32-3 2,02.0 250-300250-300 28-3028-30 0,44-0,560.44-0.56

Сварка при большем числе слоев выполняется при меньших токах из таблицы 4 и более высоких скоростях сварки. Например, для наплавки пластин толщиной 8 мм ориентиром для выбора тока и скорости сварки являются ток 250 А и скорость сварки 0,5 см/с.Welding with more layers is performed at lower currents from table 4 and higher welding speeds. For example, for surfacing plates with a thickness of 8 mm, the guideline for choosing a current and welding speed is 250 A and a welding speed of 0.5 cm / s.

Пример 1. По предлагаемому способу производилась автоматическая наплавка алюминиевой проволоки А0 диаметром d_Э=1,2 мм дугой прямого действия в среде аргона на пластину толщиной 8 мм из низкоуглеродистой стали 20 с целью обеспечения оптимального содержания алюминия в шве ψ_Э=30% по массе. По формуле (3) было получено, что для этого отношение площади поперечного сечения проплавления основного металла к площади поперечного сечения наплавленного металла (без учета перемешивания) должно составлять F_O/F_H1=0,81.Example 1. According to the proposed method, automatic surfacing of aluminum wire A0 with a diameter of d _e = 1.2 mm was carried out with a direct arc in argon on a plate 8 mm thick made of low-carbon steel 20 in order to ensure the optimal aluminum content in the seam ψ _e = 30% by weight . According to formula (3), it was obtained that for this the ratio of the cross-sectional area of penetration of the base metal to the cross-sectional area of the deposited metal (excluding mixing) should be F _O /F _H1 = 0.81.

Наплавка выполнялась дугой с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы от специального источника питания установки DW-300. Частота импульсов составляла 50 Гц. Для наплавки алюминиевой электродной проволоки использовалась сварочная горелка для механизированной сварки от установки FastMigMXF 65, которая закреплялась на сварочном автомате АДСВ-6. Токи импульсов устанавливались одинаковыми для обеих полярностей I_EN=I_EP=200 А. Средний ток дуги за период был также 200 А. Были выполнены предварительно наплавки двух швов при отношении среднего тока импульсов прямой полярности к среднему току за период ϕ=0,2 и ϕ=0,8. Скорость наплавки в обеих опытах составляла V_C=0,3см/с. При наплавке на пластины обеспечивали длину наплавок L=80 мм. Наплавляемые пластины взвешивали с точностью до 0,1 г до и после наплавки. При проведении наплавки разнополярными импульсами тока при ϕ=0,2 средние за период токи EN_C=40 А. EP_C=160 А. При проведении наплавки разнополярными импульсами тока при ϕ=0,8 средние за период токи EN_C= 160 А. EP_C=40 А.Surfacing was performed by an arc with bipolar rectangular current pulses from a special power source of the DW-300 unit. The pulse frequency was 50 Hz. For surfacing aluminum electrode wire, a welding torch for mechanized welding from a FastMigMXF 65 unit was used, which was fixed on an ADSV-6 automatic welding machine. The pulse currents were set the same for both polarities I _EN =I _EP =200 A. The average arc current for the period was also 200 A. Preliminary surfacing of two welds was performed with the ratio of the average current of direct polarity pulses to the average current for the period ϕ=0.2 and ϕ=0.8. The deposition rate in both experiments was V _C =0.3 cm/s. When surfacing on the plates, the length of the surfacing was L=80 mm. The plates to be deposited were weighed with an accuracy of 0.1 g before and after surfacing. When surfacing with bipolar current pulses at ϕ=0.2, the average currents for the period EN _C =40 A. EP _C =160 A. When surfacing with bipolar current pulses at ϕ=0.8, the average currents for the period EN _C = 160 A. EP _C =40 A.

Для первого шва получили взвешиванием среднюю площадь поперечного сечения наплавленного металла без перемешивания F_H1= 0, 58 см², сечения шва F_Ш = 0,6 см², сечение наплавленного металла по шлифу F_H= 0, 13 см². Т.о, получили, что F_O= 0,47 см². Доля участия электродного металла в металле шва по площади поперечных сечений ψ_Э = 0,22.For the first weld, we obtained by weighing the average cross-sectional area of the deposited metal without mixing F _H1 = 0.58 cm ² , the weld section F _W = 0.6 cm ² , the cross-section of the deposited metal along the thin section F _H = 0.13 cm ² . Thus, we got that F _O = 0.47 cm ² . The share of participation of the electrode metal in the weld metal in terms of cross-sectional area ψ _E = 0.22.

Для второго шва получили F_H1= 0,87 см², F_Ш = 0,75 см², сечение наплавленного металла по шлифу F_H= 0, 3 см². F_O= 0,45 см², ψ_Э = 0,4. Была получена линейная зависимость ψ_Э = f(ϕ).For the second weld, F _H1 = 0.87 cm ² , F _W = 0.75 cm ² , the section of the deposited metal along the thin section F _H = 0.3 cm ² was obtained. F _O \u003d 0.45 cm ² , ψ _E \u003d 0.4. A linear dependence ψ _E = f(ϕ) was obtained.

ψ_Э = А+ Вϕ. (14)ψ _E \u003d A + Bϕ. (fourteen)

Используя полученные значения ψ_Э получили А = 0,16 , В = 0,3.Using the obtained values of ψ _E , we obtained A = 0.16, B = 0.3.

Для получения заданного ψ_Э = 0,3 подставляем это значение в (14). В результате необходимо значение ϕ≈0,47. Принимаем ближайшее кратное 0,1 ϕ = 0,5, то есть на данном токе 200 А необходимо использовать равные длительности импульсов. Тогда заданное значение ψ_Э= 0,3 будет выполнено с точностью (0,50-0,47)/0,47 = 6,4%, что, учитывая значительный разброс в низкоуглеродистой стали сопутствующих элементов (кремний, марганец, примеси) является хорошим результатом.To obtain a given ψ _E = 0.3, we substitute this value in (14). As a result, a value of ϕ≈0.47 is required. We take the nearest multiple of 0.1 ϕ = 0.5, that is, at a given current of 200 A, it is necessary to use equal pulse durations. Then the set value ψ _E = 0.3 will be fulfilled with an accuracy of (0.50-0.47) / 0.47 = 6.4%, which, given the significant variation in low-carbon steel of accompanying elements (silicon, manganese, impurities) is good result.

Минимальное значение ψ_Эна данном режиме по предлагаемому способу при ϕ = 0,1 ψ_Э= 0,19. Максимальное значение ψ_Эна данном режиме при ϕ = 0,9 ψ_Э= 0,43. Среднее значение ψ_Э= 0,31. Диапазон регулирования ψ_Эсоставляет по отношению к среднему значению составляет ±39%, что создает очень высокие технологические возможности по регулированию и оптимизации химического состава швов.The minimum value of ψ _E in this mode according to the proposed method at ϕ = 0.1 ψ _E = 0.19. The maximum value of ψ _E in this mode at ϕ = 0.9 ψ _E = 0.43. The average value of ψ _E = 0.31. The range of regulation ψ _E is in relation to the average value is ± 39%, which creates very high technological possibilities for regulating and optimizing the chemical composition of the welds.

Пример 2. Определялся режим наплавки по предлагаемому способу на пластину из низкоуглеродистой стали 20 толщиной 12 мм, обеспечивающий в наплавленном шве содержания хрома по массе 13% при содержании хрома в электродной проволоке Св-Х25Т по ГОСТ 2246-70, при наплавке плавящимся электродом дугой в среде аргона . Содержание хрома в проволоке может изменяться в пределах 23-27% по массе. Для расчетов будем использовать среднее значение хрома 25%. При этом отклонение граничных значений хрома от средних значений в основном металле составляет ±4%. Содержание хрома в шве 13 % обеспечивает коррозионную стойкость шва в слабо агрессивных средах. Плотность хрома составляет 7,21 г/см³. Поскольку и в проволоке и в шве содержание хрома задано по массе, для содержания хрома в шве можно записатьExample 2. The surfacing mode was determined according to the proposed method on a plate of low-carbon steel 20 with a thickness of 12 mm, providing in the weld weld the chromium content by weight of 13% with a chromium content in the Sv-Kh25T electrode wire according to GOST 2246-70, when surfacing with a consumable arc electrode in argon environment. The content of chromium in the wire can vary within 23-27% by weight. For calculations, we will use the average value of chromium 25%. In this case, the deviation of the boundary values of chromium from the average values in the base metal is ±4%. The chromium content in the weld 13% ensures the corrosion resistance of the weld in slightly aggressive environments. The density of chromium is 7.21 g/cm ³ . Since the chromium content in both the wire and the weld is given by weight, the chromium content in the weld can be written as

F_H/F_Ш= F_H⋅0,25/( F_O+ F_H) = 0,13.F _H / F _W \u003d F _H ⋅ 0.25 / ( F _O + F _H ) \u003d 0.13.

В результате получаем F_O/F_H= 0,93. В этом случае ψ_Э= F_H/1,93 F_H= 0,52 .As a result, we get F _O / F _H = 0.93. In this case, ψ _E \u003d F _H / 1.93 F _H \u003d 0.52.

Диаметр электродной проволоки 2,0 мм , ток импульсов дуги 300 А, скорость сварки 0,5 см/с. Для наплавки использовалась то же оборудование, что и в примере 1.Electrode wire diameter 2.0 mm, arc pulse current 300 A, welding speed 0.5 cm/s. For surfacing, the same equipment was used as in example 1.

Для первого шва получили взвешиванием среднюю площадь поперечного сечения наплавленного металла F_H= 0, 35 см², сечения шва F_Ш = 0,85 см². Т.о, получили, что F_O= 0,5 см². Доля участия электродного металла в металле шва по площади поперечных сечений ψ_Э = 0,41.For the first weld, the average cross-sectional area of the deposited metal F _H = 0.35 cm ² was obtained by weighing, the weld cross section F _W = 0.85 cm ² . Thus, we got that F _O = 0.5 cm ² . The share of participation of the electrode metal in the weld metal in terms of cross-sectional area ψ _E = 0.41.

Для второго шва получили F_H= 0,44 см², F_Ш = 0,84 см², F_O= 0,40 см², ψ_Э = 0,52. Была получена линейная зависимость ψ_Э = f(ϕ).For the second seam, F _H \u003d 0.44 cm ² , F _W \u003d 0.84 cm ² , F _O \u003d 0.40 cm ² , ψ _E \u003d 0.52. A linear dependence ψ _E = f(ϕ) was obtained.

ψ_Э = 0,37+ 0,183ϕ.ψ _E = 0.37+ 0.183ϕ.

Для получения заданного ψ_Э = 0,52 подставляем это значение в последнее выражение. В результате необходимо значение ϕ≈0,8. Принимаем ближайшее кратное 0,1 ϕ = 0,8. Тогда требуемое значение ψ_Э= 0,52 и содержание хрома в шве 13% будет выполнено с более высокой точностью, чем разброс содержания хрома в электродной проволоке . Диапазон регулирования ψ_Эв данном случае составляет ±17% от среднего значения.To obtain the given ψ _E = 0.52, we substitute this value into the last expression. As a result, a value of ϕ≈0.8 is required. We accept the nearest multiple 0.1 ϕ = 0.8. Then the required value ψ _E = 0.52 and the chromium content in the weld 13% will be performed with higher accuracy than the spread of the chromium content in the electrode wire. The control range ψ _E in this case is ±17% of the average value.

При выполнении наплавки дугой обратной полярности (ϕ = 0) ψ_Э= 37% и потребовалась бы проволока с более высоким содержанием хрома , которая отсутствует в ГОСТ 2246-70. При наличии такой проволоки это повысило бы себестоимость получения сварного шва с заданными свойствами.When performing surfacing with an arc of reverse polarity (ϕ = 0), ψ _E = 37% and a wire with a higher chromium content would be required, which is not in GOST 2246-70. In the presence of such a wire, this would increase the cost of obtaining a weld with desired properties.

Данный способ может быть реализован посредством использования современного оборудования и оснастки: установок для сварки с разнополярными импульсами тока, сварочных горелок и сварочных автоматов. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.This method can be implemented through the use of modern equipment and accessories: installations for welding with bipolar current pulses, welding torches and automatic welding machines. Therefore, the method has industrial applicability.

Claims

A method for arc welding and surfacing with a consumable electrode in a shielding gas environment, including making a weld in which the content of the electrode metal ψ _e is controlled by mass, characterized in that welding or surfacing is carried out using an arc with bipolar current pulses with a frequency of at least 40 Hz, and the specified content of the electrode metal ψ _e by weight in the weld is obtained by choosing the duration of the current pulses depending on the ratio ϕ of the average current of direct polarity pulses to the average arc current for the welding period in the range ϕ=0.1-0.9, while preliminarily two seams are made with a consumable electrode at the current recommended for its given diameter with incomplete penetration of the plate at ϕ values for each of the seams that differ from each other by at least Δϕ = 0.4, then the cross sections of the obtained seams are measured, by which the value of ψ _e is determined for each of the seams and calculate the coefficients of the linear dependence ψ _e \u003d f (ϕ), and the choice of pulse duration in current during welding or surfacing is carried out taking into account the calculated value ψ _e closest to its specified content.