 |
Способ сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений
|
|
|
|
Описание изобретения
Номер патента: 2381092
Класс(ы) патента: В23К9/095
Автор(ы): Князьков А.Ф., Бирюкова О.С., Князьков С.А.
Патент Российской Федерации
Дата публикации: 01.2006
Изобретение относится к способу сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений и может быть использовано при сварке во всех пространственных положениях. Дугу питают импульсами сварочного тока с параметрами тока, обеспечивающими горение дуги в динамическом режиме. Дуга, горящая в динамическом режиме, обладает высокой физической устойчивостью в процессе горения, при концентрированном вводе тепла в изделие. Способ обеспечивает управление тепловложением путем плавного изменения частоты следования импульсов, установочного изменения амплитуды импульсов тока путем изменения напряжения источника питания и ступенчатого изменения их длительности в обратно пропорциональной зависимости от отклонения среднего значения напряжения на дуге от заданного. Способ позволяет получать сквозное проплавление металла с образованием технологического отверстия в виде замочной скважины. Обеспечивается формирование корневого слоя с обратным валиком в различных пространственных положениях сварочной ванны.
Изобретение относится к области электродуговой сварки и может быть использовано для сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа для выполнения корневых слоев сварных соединений в различных пространственных положениях.
Известен способ сварки корневого слоя неплавящимся электродом, при котором горение дуги осуществляется в импульсном режиме. Для перемещения электрода используется пошаговое движение сварочной горелки. Образование сварочной ванны происходит во время импульса тока, величина которого зависит от толщины свариваемого изделия. При проплавлении кромок значение сварочного тока снижается на 20-30% от максимального. Сварочная ванна во время паузы частично кристаллизуется, а электрод перемещается на заданную величину, обеспечивающую качественное сплавление металла соседних зон (Шефель В.В. Автоматическая сварка трубопроводов атомных электростанций. // Автоматическая сварка. - 1987. - №2. - С.45-50).
|
|
|
Недостатком данного способа является применение пошагового перемещения электрода. Это приводит к увеличению длительности выполнения корневого слоя. Режимы импульсного питания, предлагаемые в данном способе, не позволяют получить сварочную ванну малых размеров из-за длительного протекания импульса через дуговой промежуток. Во время импульса сварочная ванна увеличивается до предельных размеров, что приводит к увеличению ее жидкотекучести от излишнего перегрева. Недостатком данного способа является снижение тока на 20-30% от максимального значения, тогда как оптимальное снижение тока в период паузы составляет 70-80%.
Известен способ сварки корневого слоя труб неплавящимся острозаточенным электродом в среде аргона, при котором дугу прямой полярности питают импульсами тока, обеспечивающими сквозное проплавление металла изделия. Образование сквозного проплавления металла происходит за счет импульсов тока. Перемещение сварочной головки происходит непрерывно (Гарбуль А.Ф., Канашкин Ю.П. Сварка корня шва неповоротных стыков труб проникающей дугой острозаточенным вольфрамовым электродом в полевых условиях. // Сварочное производство. - 1985. - №6. - С.2-4).
Недостатком данного способа сварки является то, что сварка ведется на больших токах острозаточенным электродом с целью концентрации теплового потока, вводимого в изделие. Большие токи приводят к быстрому нарушению рабочей поверхности электрода и, как следствие, к нарушению формирования корневого слоя. Также к недостаткам относится и незначительное снижение импульса тока 15-25% от максимального значения. Тогда как известно, что оптимальное снижение тока в период паузы составляет 70-80% от значения тока импульса.
|
|
|
Задачей изобретения является повышение качества корневого слоя сварного соединения за счет питания дуги кратковременными импульсами тока, позволяющими перевести стационарную дугу в динамический режим, со сквозным проплавлением металла изделия и образованием технологического отверстия в виде замочной скважины.
Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе сварки корневого слоя труб неплавящимся электродом в защитных газах дугу прямой полярности, горящую между неплавящимся электродом и изделием, питают импульсами тока. Импульсы тока обеспечивают сквозное проплавление металла при непрерывном движении сварочной головки. При этом форма импульсов тока близка к прямоугольной, а длительность импульсов тока ограничивают величиной, обеспечивающей горение дуги во время импульса тока в динамическом режиме. Амплитуду импульсов тока изменяют установочно - изменением напряжения источника питания. Частоту следования импульсов тока - плавно. Длительность импульсов тока - ступенчато, в обратно пропорциональной зависимости от отклонения среднего значения напряжения на дуге от заданного при изменении скрытой составляющей длины дуги.
Эпюра импульсов тока и напряжения представлена на фиг.1. Эпюра изменения частоты следования импульсов при изменении напряжения на дуговом промежутке представлена на фиг.2. Эпюра изменения длительности импульса от изменения напряжения на дуговом промежутке представлена на фиг.3. На фиг.1 представлены кривые тока и напряжения при питании дуги импульсами тока предлагаемого способа. На интервале времени t1-t2 горит дежурная дуга при минимальном значении тока 5-15 А. В этот период происходит стабилизация процессов в столбе дуги. На интервале времени t2-t3 действует импульс тока и напряжения, что приводит к изменению состояния квазинейтральности в столбе дуги. Всплеск напряжения на данном интервале времени связан с компенсацией недостатка термической эмиссии электронов. Термическая эмиссия электронов с катода не соответствует текущим значениям тока вследствие тепловой инерции столба дуги. Длительность импульса тока ограничивается величиной, обеспечивающей горение дуги во время импульса в динамическом режиме. В период времени t3-t4 дуга горит при максимальном значении тока. Непосредственно вслед за быстрым нарастанием, когда ток дуги перестал изменяться, дуга находится в неравновесном тепловом состоянии и стремится перейти к статическому состоянию. Длительность промежутка времени настолько мала, что столб дуги и процессы, протекающие в нем, не успевают принять значения, соответствующие максимальным значениям тока и напряжения. В начале периода стабилизации процессов происходит отключение тока импульса. Спад значения тока наблюдается на промежутке времени t4-t1 до значений, соответствующих значениям тока дежурной дуги.
|
|
|
Интервал времени t4-t1 по длительности в три-четыре раза больше, чем интервал времени t2-t 3. Это связанно с исключением эффекта «захлопывания» столба сварочной дуги, связанным с быстрым спадом тока импульса.
Благодаря динамическому режиму столб дуги контрагирован, соответственно меньше размеры анодного пятна, через которое вводится тепловой поток в изделие. Давление динамической дуги при среднем значении тока, соответствующем непрерывному току, существенно выше, что обеспечивает сквозное проплавление металла, с образованием технологического отверстия в виде замочной скважины и выходом на обратную сторону сварного шва ионизированного газового потока. Это позволяет визуально наблюдать процесс формирования шва. При достижении параметров дежурной дуги и окончании паузы между импульсами тока цикл повторяется. Среднее значение тока, которое позволяет определить размеры сварочной ванны, складывается из средней мощности, вводимой в изделие за период импульса. Средняя мощность определяется по формуле
|
|
|
где Т - период;u (t) - значение тока в импульсе; 
. .(t) - значения тока дежурной дуги;u - время длительности импульса.
Регулирование тепловой мощности осуществляют 3 способами:
путем плавного изменения частоты следования импульсов тока в зависимости от дугового промежутка (автоматически) - фиг.2;
путем ступенчатого регулирования длительности импульсов (автоматически) - фиг.3;
путем изменения напряжения источника питания (установочно).
Осуществление предлагаемого способа с питанием дуги кратковременными импульсами тока и сквозным проплавлением позволяет улучшить формирование корневого слоя в различных пространственных положениях и устранить возникновение дефектов.
Пример.
В лаборатории проведены исследования качества корневого слоя сварного соединения при сварке в стык пластин из стали 09Г2С толщиной 8 мм с V-образной разделкой кромок. Сварку осуществляют иттрированным вольфрамовым электродом диаметром 4 мм, заточенным под углом 45° и диаметром притупления торца 0,6 мм. В качестве защитного газа использовали аргон. Сварочный ток изменяют в диапазоне от 270 до 320 А, а частоту следования импульсов - от 750 Гц до 3000 Гц. Длительность импульсов равна 60 мкс, а время паузы варьируется от частоты импульсов.
Образцы собирают в зажимном приспособлении манипулятора, позволяющем производить сварку в различных пространственных положениях (нижнее, вертикальное, потолочное). Зазор в стыке изменяют от 0 до 1,5 мм. Сварка осуществляется на весу, без специальных устройств, позволяющих формировать обратную поверхность шва.
В результате исследования установили, что сварка дугой, питаемой кратковременными импульсами тока, обеспечивает сквозное проплавление корневого слоя сварного шва во всех пространственных положениях. Отсутствие дефектов (поры, газовые полости, непровары) и формирование шва, отвечающего нормативным документам, гарантируется при условии образования технологического отверстия в виде замочной скважины. Усиление шва со стороны, обратной воздействию дуги, находится в допустимых пределах и составляет: в нижнем положении 0,4-0,5 мм; в вертикальном положении 0-0,2 мм; в потолочном положении 0 (не имеет вогнутости). Ширина шва не превышает 4-4,5 мм.
Анализ изобретения
Производят сварку неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений во всех пространственных положениях. Дугу питают импульсами сварочного тока с параметрами тока, обеспечивающими горение дуги в динамическом режиме. Дуга, горящая в динамическом режиме, обладает высокой физической устойчивостью в процессе горения, при концентрированном вводе тепла в изделие. Известен способ сварки корневого слоя неплавящимся электродом, при котором горение дуги осуществляется в импульсном режиме. Для перемещения электрода используется пошаговое движение сварочной горелки. Образование сварочной ванны происходит во время импульса тока, величина которого зависит от толщины свариваемого изделия. При проплавлении кромок значение сварочного тока снижается на 20-30% от максимального. Сварочная ванна во время паузы частично кристаллизуется, а электрод перемещается на заданную величину, обеспечивающую качественное сплавление металла соседних зон.
|
|
|
Известен способ сварки корневого слоя труб неплавящимся острозаточенным электродом в среде аргона, при котором дугу прямой полярности питают импульсами тока, обеспечивающими сквозное проплавление металла изделия. Образование сквозного проплавления металла происходит за счет импульсов тока. Перемещение сварочной головки происходит непрерывно.
Таким образом можно сформулировать следующие технические противоречия.
Техническое противоречие 1 - Из за пошагового перемещения электрода происходит увеличение длительности выполнения корневого слоя. Режимы импульсного питания не позволяют получить сварочную ванну малых размеров из-за длительного протекания импульса через дуговой промежуток. Во время импульса сварочная ванна увеличивается до предельных размеров, что приводит к увеличению ее жидкотекучести от излишнего перегрева.
Техническое противоречие 2 - Так как сварка ведется на больших токах острозаточенным электродом с целью концентрации теплового потока, вводимого в изделие, большие токи приводят к быстрому нарушению рабочей поверхности электрода и, как следствие, к нарушению формирования корневого слоя.
Проведенный анализ позволяет обнаружить следующее физическое противоречие.
Физическое противоречие - Применение оптимального режима для сварки приводит к незначительным снижениям импульса тока 15-30% от максимального значения. Тогда, как известно, что оптимальное снижение тока в период паузы составляет 70-80% от значения тока импульса.
Авторы решили данные проблемы используя прием «вынесения» и прием «динамичности». Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе сварки корневого слоя труб неплавящимся электродом в защитных газах дугу прямой полярности, горящую между неплавящимся электродом и изделием, питают импульсами тока. Импульсы тока обеспечивают сквозное проплавление металла при непрерывном движении сварочной головки. При этом форма импульсов тока близка к прямоугольной, а длительность импульсов тока ограничивают величиной, обеспечивающей горение дуги во время импульса тока в динамическом режиме. Амплитуду импульсов тока изменяют установочно - изменением напряжения источника питания. Частоту следования импульсов тока - плавно. Длительность импульсов тока - ступенчато, в обратно пропорциональной зависимости от отклонения среднего значения напряжения на дуге от заданного при изменении скрытой составляющей длины дуги.
|
|
|
