О распределении тока по пластине в зоне импульсно-дуговой сварки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Приведены сведения о распределении тока по пластине в зоне импульсно-дуговой сварки, применительно к проблеме повышения качества формирования швов при сварке с повышенной скоростью

УДК 621.791

О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ТОКА ПО ПЛАСТИНЕ В ЗОНЕ ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ

СВАРКИ

Б. В. Ситников

кандидат технических наук, доцент доцент кафедры сварочного производства Украинской инженерно-педагогической академии Контактный тел.: 8 (057) 733-79-21

Магнитогидродинамические процессы, протекающие в системе «сварочная дуга — ванна» и, как следствие, формирование шва в значительной степени зависят от магнитного поля сварочного контура, создаваемого как током дуги, так и током, растекающимся по изделию в зоне сварки. Это подтверждается ухудшением формирования шва при магнитном дутье, а также влиянием формы электрода и места расположения токоподвода на образование подрезов при сварке с повышенной скоростью [1, 2].

В работе приведены результаты исследований распределения тока по пластине в зоне импульсно-дуговой сварки, а также особенностей процесса формирования шва в зависимости от скорости, длительности цикла и жесткости режима сварки.

Распределение тока по изделию при дуговой сварке с достаточной точностью может быть определено теоретически с помощью моделирования на электропроводной бумаге. В работе [1] решена конкретная задача распределения тока по пластине при дуговой сварке, однако не рассматривается картина растекания тока в сварочной ванне, хотя магнитные поля этих токов оказывают существенное влияние на процесс формирования шва. Более того, без рассмотрения растекания тока в высокотемпературной области нельзя получить достоверную картину распределения тока и в прилежащих участках основного металла. Между тем, моделирование на электропроводной бумаге позволяет с одинаковой точностью определять распределение тока по площади всех моделируемых зон свариваемого изделия — все зависит от масштаба модели и частоты нанесения определяемых линий равных потенциалов как при решении прямой, так и обратной задач.

Преимущество методов моделирования в ряде случаев бесспорно. Они позволяют подать информацию в наиболее точной и компактной форме, выявить общую принципиальную взаимосвязь явлений и т. д. Однако исследование распределения тока в зоне импульсно-ду-говой сварки методом электрических аналогий, путем построения достаточного количества моделей с учетом всех зон свариваемого изделия, каждая из которых соответствовала бы той или иной тепловой обстановке при сварке импульсной дугой, представляется нам практически трудно осуществимым.

Эксперименты проводились при сварке вольфрамовым электродом в аргоне пластин из стали 12Х18Н10Т толщиной 2 мм с полным проплавлением кромок на установке, состоящей из следующих основных узлов: источник питания сварочной дуги переменного тока, магнитная головка, электродвигатель, усилитель мощности и шлейфовый осциллограф. Магнитную головку крепили на торце вала электродвигателя с обратной стороны шва таким образом, чтобы при ее вращении один конец рабочего зазора головки совпадал с осью электрода, а другой описывал окружность в плоскости свариваемой пластины [3].

В ходе экспериментов магнитная головка устанавливалась в исходное положение, соответствующее значению угла ее поворота ф = 0, где с наступлением времени действия тока импульса ее выходной сигнал поступал на вход усилителя мощности, а затем регистрировался с помощью шлейфового осциллографа. Затем, в теченние времени действия тока паузы, головка поворачивалась на угол ф = я/12, где регистрация возобновлялась. При ф = 2п цикл измерений завершался. При этом разброс результатов измерений не превышал 5 %.

Зависимости распределения тока по пластине в зоне импульсно- дуговой сварки, характеризуемые отноше-

А(ф) ... нием й—, где А(ф) — амплитуда наведенной э.д.с. на

11А(Ф)11

обмотке магнитной головки при ее повороте на угол ф;

||А(ф)|| = тах|А(ф)|, 0 < ф < 2п, от скорости и жесткости

режима сварки, в момент окончания действия тока импульса, приведены на рис. 1. Как следует из рис. 1, по мере повышения скорости сварки Vсв, неравномерность распределения тока по пластине в зоне импульсно - дуговой сварки увеличивается. Так, при жесткости режима сварки G = 0 увеличение скорости сварки с 0,005 м/с до

ппч / А(180°)

0,02 м/с приводит к снижению величины от

11А(ф)11

0,58 (см. рис. 1,а) до 0,3 (см. рис. 1,г). Увеличение же жесткости режима, при постоянной длительности цикла Тц = 0,48 с, наоборот, способствует более равномерному распределению тока в зоне сварки. Так, при повышении

А(180°)

жесткости режима сварки от 0 до 3, величина воз-

11А(ф)||

02 ом о,б о,$ /о 0,8 о(б о4Ь о о,г о.в ю

г

в

а - 5 юЛс'1; 6 Ю^мс"1; в 1,5 КГЛкГ1; г = 2 Ю~2ио"ХС—0-<?= 0;©—О- = I; -®-Сг= 3.

Рисунок 1. Распределение тока по пластине в зоне импульсно-дуговой сварки

растает: при УСв = 0,005 м/с от 0,58 до 0,93 (см. рис. 1,а); при Усв = 0,01 м/с от 0,53 до 0,88 (см. рис. 1,б); при Усв = = 0,015 м/с от 0,43 до 0,84 (см. рис. 1,в); при Усв = 0,02 м/с от 0,30 до 0,80 (см. рис. 1,г). Последующие эксперименты, проведенные при Тц = 0,36 и Тц = 0,28, показали, что при одной и той же скорости и жесткости режима сварки характер распределения тока в зоне сварки меняется незначительно. Однако, дальнейшее уменьшение длительности цикла способствует концентрации тока в головной части сварочной ванны и при Тц = 0,1 его распределение становится близким к распределению тока при сварке непрерывно действующей дугой.

Перераспределение тока по пластине с изменением параметров режима дуговой сварки, при неизменно месте токоподвода, связано с изменением температурных полей в зоне сварки. При этом геометрия сварочной ванны, описываемая изотермой плавления, играет существенную роль [3]. Увеличение степени вытянутости ванны, связанное с повышением скорости сварки, должно привести к тому, что перед дугой, где жидкая прослойка металла уменьшается, концентрация тока увеличивается, а позади дуги, в силу обратного явления — уменьшается, что и показано на рис. 1.

При сварке импульсной дугой, когда в пластине наблюдается сложное нестационарное температурное поле, характер распределения тока в зоне сварки в течение времени 1;и действия тока импульса периодически меняется.

^ 0 А(180°)

Как следует из рис. 2, величина ^ в тече-

нии времени действия тока импульса, монотонно уменьшаясь, при выбранных параметрах режима сварки пробегает ряд значений от 0,83 до 0,67. При этом, как следует из рис. 1, интервал этих значений в большой степени зависит от жесткости режима сварки.

Ш= 2 1СГ21«Г1; Ту = 0,48с; = I; ©-© - Ь = 0;

©-Ь = Ь,ъЬа ; о-о- ь = Ьа

Рисунок 2. Распределение тока по пластине в зоне импульсно-дуговой сварки

Результаты исследований [4] тепловых процессов при сварке импульсной дугой позволяют объяснить это явление следующим образом. Изменение жесткости режима, как и скорости сварки, приводит к изменению геометрии сварочной ванны, тепловой обстановки как в твердом, так и в жидком металле, перераспределению его удельного сопротивления и, как следствие, тока по пластине.

Сравнение термических циклов сварки непрерывной и импульсной дугами показывает, что с увеличением жесткости режима сварки степень вытянутости ванны уменьшается [4]. Жестким режимам соответствует и более равномерное распределение тока (см. рис. 1). Таким образом, изменяя геометрию сварочной ванны, тепловую обстановку как в твердом, так и в жидком металле путем регулирования параметров режима импульсно-дуговой сварки, в зоне сварки можно получать то или иное распределение тока по изделию. При этом, сравнительно равномерное распределение тока при одинаковой скорости и длительности цикла наблюдается при наиболее жестких режимах. Поэтому увеличение жесткости режима при импульсно-дуговой сварке с повышенной скоростью должно способствовать предупреждению образования подрезов.

Изучение поперечных шлифов наплавленных валиков подтвердило это предположение. Как следует из рис. 3, увеличение жесткости режима сварки от G = 0 до G = 3 при длительности цикла Тц = 0,48 с и скорости сварки УСв = 0,015 м/с приводит к уменьшению величины

подреза, вплоть до его полного исчезновения при жесткости режима сварки С = 3.

в г

1,5 ХСГЧю"*1; Чу = 0,43с; а - От = 0; £ - 0- = I; & - в" -2; г —в* - 3

Рисунок 3. Влияние жесткости режима связи на форму шва

Выводы

1. Характер распределения тока по изделию в зоне импульсно-дуговой сварки меняется с периодом равным длительности цикла сварки и в значительной степени зависит от параметров ее режима.

2. Увеличение жесткости режима импульсно-дуго-вой сварки способствует уменьшению концентрации тока в головной части ванны, что позволяет избежать подрезов при существенном увеличении скорости сварки.

Литература

1. Райчук Ю. И. Распределение тока по пластине при дуговой сварке // Автоматическая сварка. — 1967. — № 4. — с. 19-22.

2. Щетинина В. И. Роль магнитного поля сварочного контура на образование подрезов // Сварочное производство. — 1989. — № 4. — с. 38-40.

3. Ситников Б. В. О распределении тока в зоне дуговой сварки // Восточно-европейский журнал передовых технологий. — 2007. — № 3/1(27). — с. 61-64.

4. Петров В. А. Вопросы дуговой сварки в среде защитных газов тонколистовых материалов: Дис. д-ра техн. наук: 05.04.05. — Защищена 29.06.69; Утв. 11.05.72. — М., 1969. — 338 с.