CC BY
27
УДК 621.791.75.01:537.523
Управление первоначальным зажиганием дуги при сварке в защитных газах Е. Н. Вару ха
(Донской государственный технический университет),
М. X. Сундетов
(Астраханский государственный университет),
И. С. Морозкин
(Ростовский государственный университет путей сообщения)
Предложен способ управления первоначальным зажиганием сварочной дуги в защитных газах, основанный на ограничении тока короткого замыкания после нагрева проходящим током металла вылета проволоки до пластического состояния на время подхода места перегорания вылета на расстояние от изделия, не превышающее разрывную длину дуги. Экспериментально исследованы и аналитически определены зависимости, описывающие условия, необходимые и достаточные для надёжного установления процесса сварки после первого касания проволоки с изделием.
Ключевые слова: управление первоначальным зажиганием дуги, сварка в защитных газах, сварочные проволоки разных марок.
Введение. В соответствии с классификацией способов контактного первоначального зажигания дуги при сварке в защитных газах проволоками малого диаметра [1] одним из перспективных способов управления процессом является ограничение тока первоначального короткого замыкания на время, достаточное для перемещения места перегорания проволоки к поверхности изделия на расстояние, не превышающее разрывную длину дуги при заданных установках напряжения [2]. Несмотря на очевидные достоинства такого способа, он может не вполне отвечать предъявляемым к нему требованиям.
Так, время короткого замыкания при ограничении тока сильно затягивается по сравнению с естественным процессом. Кроме того, из-за неуправляемого искривления проволоки на вылете место её перегорания может располагаться то ближе, то дальше от поверхности изделия, что не обеспечивает 100 % установления процесса сварки после начального короткого замыкания проволоки с изделием. И, что особо неприемлемо, возможна полная потеря управляемости процессом при проскальзывании подающих роликов по проволоке при длительном её контакте с изделием.
Для устранения этих несовершенств в настоящей работе предложен новый подход к управлению процессом первоначального зажигания дуги, основанный на ранее не изученных особенностях нагрева вылета при первом коротком замыкании проволоки с изделием. Эти особенности выявляются при детальном рассмотрении изменения тока короткого замыкания в процессе естественного короткого замыкания (рис. 1), в которых можно выделить две отчётливые фазы процесса.
Фазы процесса. Первая фаза длительностью наблюдается от начала короткого замыкания и до достижения током 1Ю своего максимального значения 1ун. Проволока в этой фазе остаётся неподвижной на вылете, поскольку, несмотря на нагрев проволоки проходящим током, она ещё продолжает сохранять свои упругие свойства. При этом продолжающаяся подача проволоки подающими роликами приводит к искривлению проволоки внутри ствола горелки или в канале направляющего шланга.
Вторая фаза длительностью Ь = (ЬКЗ-ЬН) наступает в тот момент, когда металл вылета проволоки под действием нагрева проходящим током теряет свои упругие свойства, и проволока,
1594
изгибаясь на вылете, начинает ускоренно выдвигаться из токоподводящего наконечника, выбирая образовавшийся в 1-й фазе изгиб проволоки в стволе горелки. В результате увеличения длины выдвигающейся проволоки на вылете и продолжающегося её нагрева проходящим током возрастает сопротивление на промежутке между токоподводящим наконечником и изделием, ток короткого замыкания в этой фазе снижается. Заканчивается 2-я фаза короткого замыкания перегоранием проволоки по элементу ограниченной длины Дх [1], который в 1-й фазе процесса находился в месте неподвижного токоподводящего контакта с наконечником горелки (рис. 2).
Ах
<7,71
«72
Ядж
Ябп
Рис. 1. Осциллограмма тока I и напряжения и при первоначальном коротком замыкании
Рис. 2. Схема нагрева и потерь тепла в элементе вылета Ах при выдвижении проволоки из наконечника при коротком замыкании
Способ управления первоначальным зажиганием дуги. Основываясь на установленном явлении, стало возможным реализовать способ управления процессом, который свободен от выше перечисленных недостатков. Заключается он в том, что сразу по достижении током короткого замыкания величины 1ун следует провести ограничение тока короткого замыкания до величины 10 на время 5) (рис. 3), за которое можно было бы приблизить элемент йх к изделию на расстояние, не превышающее разрывную длину дуги при напряжении сварки.
Рис. 3. Схема ускоренного способа зажигания дуги с ограничением тока короткого замыкания: 10 и 6 — ток и время ограничения; 1ун — максимальное значение тока короткого замыкания перед началом ограничения тока
Если затем, по истечении времени &, снять ограничение тока короткого замыкания, то после перегорания проволоки по элементу йхсразу же установится процесс сварки.
Исследование условий зажигания дуги и их аналитическое описание. Очевидно, что время ограничения тока короткого замыкания & задаётся следующим неравенством:
1595
(1)
где /7 и 1/„ — вылет и скорость подачи сварочной проволоки, в м и м/с соответственно. Величина разрывной длины дуги 1р принималась по расчётным данным работы [2].
Расчёт 5) возможен, если будет известно время неподвижности электрода на вылете при коротком замыкании. Для его определения были рассмотрены закономерности нагрева вылета электрода в 1-й фазе короткого замыкания.
При нагреве проходящим током неподвижного вылета проволоки /7 за время происходит приращение энтальпии электродного металла на величину АНВ (Дж/кг), что может быть записано в виде:
где Рэ — площадь поперечного сечения электрода, м2; у — плотность электродного металла, кг/м3; р(ґ) — текущее значение удельного сопротивления металла вылета неподвижного
электрода при коротком замыкании, Ом м; Ікз (ґ) — текущее значение тока короткого замыкания, А.
Выразим интеграл выражения (2) в следующем виде:
где р'ф — фиктивное постоянное удельное сопротивление элемента Лх за время которое могло
бы быть, если бы ток короткого замыкания был постоянным, равным 1ун.
Решая совместно уравнения (2) и (3) относительно получаем:
Для вычисления по уравнению (4) необходимо знать величину отношения аНб/р'ф ■ с
целью определения этого отношения были проведены опыты по сварке током обратной полярности проволоками Св-08, Св-08Г2С, Св-06Х19Н9Т и Св-БрКМЦЗ-1 различного диаметра. Исследования проводились в диапазоне скоростей подачи проволоки 100—500 м/ч и вылетов 15—40 мм. Для сварки использовали преобразователь ПСГ-500 с жёсткой вольт-амперной характеристикой. Регулировка тока короткого замыкания осуществлялась с помощью переменного резистора, включённого последовательно в сварочную цепь. Процесс первоначального зажигания дуги регистрировался с помощью скоростной киносъёмки (кинокамера СКС-1М) и синхронного осциллографиро-вания (осциллограф Н-115). По полученным осциллограммам измерялись длительность и ток 1ун первоначального короткого замыкания (рис. 4).
Обработка экспериментальных данных с помощью метода наименьших квадратов (по программе Б1ай8йка) показала, что отношение Д/Ув/р^, является практически постоянной величиной,
которая не зависит от тока процесса, скорости подачи, вылета и диаметра проволоки, а определяется исключительно свойствами металла сварочной проволоки (табл. 1).
Расчёт времени по формуле (4) с использованием значений, приведённых в табл. 1, показывает, что с увеличением 1ун и диаметра проволоки время неподвижности проволоки на вылете ^ уменьшается (рис. 4, а). Причём для материалов проволоки, имеющих меньшее удельное сопротивление, график функции tн=f (1ун) при одинаковых токах 1ун смещается в область больших значений времени (рис. 4, б).
У^/7Д^=-М^(ґ)-р(ґНґ,
'э О
(2)
Г.
(3)
=у{1=э/1ун)2 АНв/р'ф .
(4)
1596
Таблица 1
Расчётные значения отношения АНв/р'ф , полученные при обработке экспериментальных данных
Марка сварочной проволоки &Нв/р'ф , хЮ12 А2-с/(кг-м)
Св-БрКМц 3-1 1,22
Св-08 0,75
Св-08Г2С 0,68
СВ-06Х19Н9Т 0,68
<103 с 100
во
60
40
20
0
Св-08, \/п = 300 м/ч
= 2,0 мм, /7= 25 мм
V А
п\. 4 = □ /7=2 1,2 мм i 0 мм
4 &
х103с
100
75
50
25
\ 1,111 — Св-06 Х19Н9Т 2, О — Св-08П2С
\ у о ^ 3 \ тол 0 А 4 V А 4, Д — Св-4 = 2,0 БрКМЦ мм
■V > \ А А \ А А \ &
п т □ ®Г*С1о АЬ 6 64 4а о4
300
500
700
а)
900
1100 1ун, А
500
750
1000 1250
б)
1500 1ун,Ь
Рис. 4. Изменение времени & неподвижности проволоки на вылете при коротком замыкании от величины тока 1ун\ а — для разных диаметров с/э; 6 — для разных материалов проволоки. Точки — экспериментальные данные
Очевидно, что ток ограничения 10 должен принимать значения в пределах, задаваемых неравенством 0 < /0 < /0тах.
Максимальный ток ограничения 10тах должен соответствовать предельному значению времени ограничения 10тт, определяемому следующим уравнением:
^0тт
1/
(5)
А при /0 = 0 время ограничения должно задаваться левой частью неравенства (1).
Значение /отах может быть получено из условия, что нагрев участка вылета Ах проходящим током при его перемещении на вылете обеспечивает повышение температуры этого участка от температуры Тн, которую он приобрёл в неподвижном контакте с токоподводящим наконечником, до температуры плавления Тпл. Это условие может быть записано в виде:
Курз (Нпл -Н„)=К-р'- ^ ^Отах ' ^Отах " Я'п ' (6)
где Нн — энтальпия металла элемента Ах, при его выходе из токоподводящего наконечника, Дж/кг; q'п =дп1 +дп2 — суммарные потери мощности из элемента Ал-в прилегающие к нему с обеих сторон менее нагретые участки вылета проволоки за время &, Вт; р' — среднее удельное сопротивление нагретого металла вылета проволоки в интервале температур Тн-Тпл, Омм.
Энтальпия металла участка Ал-в начале его выдвижения из токоподводящего наконечника складывается из энтальпии Нм, обусловленной процессом теплопередачи в проволоку от контакт-
1597
ного перехода, и энтальпии Н873 от нагрева металла до температуры 600 °С (873 К), при которой сталь теряет упругие свойства [3], т. е.
Нн=Нн+Не7 3. (7)
Энтальпию Нм можно выразить в виде:
нС,п -103,
(8)
уруп - АХ
где цм — мощность, поступившая в элемент Лхот контактного перехода с токоподводящим наконечником за время ґн, Вт; цп — суммарные потери мощности из элемента Лхэа счёт теплопроводности за время ґн, Вт.
Для упрощения расчётов примем ц'п =0. Тогда, решая совместно уравнения (6) и (8) относительно /отах, получаем:
Ц и Ум У п
П пп — По-,-, —
пл 873
■ ю-
Vі
р--і
V К
(9)
У?УП-АХ
Значения у и Нпл для электродов разного химического состава были приняты по данным работы [4]. Расчёт значений р' и Н873 по данным работы [5] показывает, что для стальных электродов р' изменяется незначительно (от 118 ■ 10“8 до 120 ■ 10“8 Ом м) и может быть принята постоянной, равной 120 ■ 10“8 Ом м, а энтальпии Н8?з имеют значения, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Значения энтальпии металла проволок различных марок при температуре 873 К
Марка сварочной проволоки На73, кДж/кг
Св-08 352
Св-08Г2С 348
Св-06Х19Н9Т 318
Рис. 5. Осциллограммы процесса ускоренного зажигания дуги с ограничением тока короткого замыкания:
Практическая реализация способа управления процессом. Осциллограммы процесса, иллюстрирующие разработанный способ первоначального зажигания дуги при условии /0 < /0тах и /0 = 0, приведены на рис. 5, а, б.
1598
Изучение кинограмм рассматриваемого процесса позволило установить, что отличительной особенностью предложенного способа является перемещение элемента Ах по прямой между токоподводящим наконечником и изделием, поскольку проволока на участке, расположенном выше этого элемента, не успевает нагреться током ограничения 10 до пластического состоянии. По этой причине обеспечивается строгая повторяемость условий подхода места перегорания на вылете проволоки к поверхности изделия. Кроме того, время разогрева вылета проволоки до пластического состояния tH в предлагаемом способе на порядок меньше, чем в ранее предложенном способе с ограничением тока короткого замыкания [2]. В результате проскальзывание подающих роликов по проволоке в процессе короткого замыкания становится практически невозможным, что обеспечивает надёжное установление процесса сварки после первого касания проволоки с изделием.
Заключение. Предложенный способ управления первоначальным зажиганием сварочной дуги в защитных газах обеспечивает повышение надёжности и ускорение установления процесса сварки проволоками различного химического состава диаметром не более 2,5 мм и может найти применение в схемах управления сварочными автоматами и сварочными роботами. Библиографический список
1. Варуха, Е. Н. Классификация способов контактного зажигания дуги при сварке проволоками малого диаметра / Е. Н. Варуха // Сварочное производство. — 2007. — № 3. — С. 15—19.
2. Варуха, Е. Н. Установление процесса сварки с ограничением тока при первоначальном коротком замыкании сварочной проволоки с изделием / Е. Н. Варуха // Сварка и диагностика. — 2008. — № 2. — С. 7—13.
3. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике: Справочник / под ред. Б. Е. Неймарк. — Москва: Ленинград: Энергия, 1967. — 471 с.
4. Походня, И. К. Теплосодержание капель электродного металла при дуговой сварке в защитных газах / И. К. Походня, А. М. Суптель // Автоматическая сварка. — 1967. — № 2. — С. 13-18.
5. Сварка и свариваемые материалы. В 3-х т. Т. 1: Свариваемость материалов. Справ, изд. / под ред. Э. Л. Макарова. — Москва: Металлургия, 1991. — 528 с.
Материал поступил в редакцию 05.12.2011.
References
1. Varuxa, Е. N. Klassifikaciya sposobov kontaktnogo zazhiganiya dugi pri svarke provolokami malogo diametra / E. N. Varuxa // Svarochnoe proizvodstvo. — 2007. — # 3. — S. 15—19. — In Russian.
2. Varuxa, E. N. Ustanovlenie processa svarki s ogranicheniem toka pri pervonachal'nom korotkom zamy'kanii svarochnoj provoloki s izdeliem / E. N. Varuxa // Svarka i diagnostika. — 2008. — # 2. — S. 7—13. — In Russian.
3. Fizicheskie svojstva stalej i splavov, primenyaemy'x v e'nergetike: Spravochnik / pod red. В. E. Nejmark. — Moskva: Leningrad: E'nergiya, 1967. — 471 s. — In Russian.
4. Poxodnya, I. K. Teplosoderzhanie kapel' e'lektrodnogo metalla pri dugovoj svarke v zashhitny'x gazax / I. K. Poxodnya, A. M. Suptel' // Avtomaticheskaya svarka. — 1967. — # 2. — S. 13—18. — In Russian.
5. Svarka i svarivaemy'e materialy'. V 3-x t. T. 1: Svarivaemost' materialov. Sprav. izd. / pod red. E'. L. Makarova. — Moskva: Metallurgiya, 1991. — 528 s. — In Russian.
1599
INITIAL ARC IGNITION CONTROL IN GAS-SHIELDED WELDING E. N. Varukha
(Don State Technical University),
M. K. Sundetov (Astrakhan State University),
I. S. Morozkin
(Rostov State Transport University)
The control method of the initial arc ignition in the gas-shielded welding is offered. It is based on the short-circuit current limitation after heating the wire stick-out with the metal passing current to the plastic state for the time of the wire burnout approach point at the stick-out-to-work distance not exceeding the arc breaking length. The dependences describing the conditions necessary and sufficient for the reliable establishment of the welding process after the first wire-work contact are experimentally investigated and analytically determined.
Keywords: control of initial arc ignition, gas-shielded welding, hybrid filler wire.
1600
