VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Способы управления переносом электродного металла имеют общие цели: улучшение устойчивости горения дуги; получение направленного переноса электродного металла во всех пространственных положениях; улучшение технологических характеристик сварочной дуги; улучшение формирования сварного шва; снижения разбрызгивания электродного металла. При сварке плавящимся электродом частота переноса электродного металла составляет в среднем от 30 до 100 Гц. В связи с этим, визуально, без каких-либо дополнительных технических средств, наблюдение за процессом переноса не представляется возможным.

В статье представлен исследовательский комплекс для изучения процесса дуговой сварки.

Существует несколько методов изучения процесса дуговой сварки:

- осциллографирование изменения тока и напряжения сварочной дуги;

- разделение капель по фракциям после расплавления электрода над быстровращающимся диском или валом из другого материала;

- скоростная рентгеносъемка дугового пространства;

- скоростная киносъемка дугового пространства.

Единственным сравнительно доступным методом исследования кинетики каплеобразования является метод скоростной киносъемки, который в настоящее время получил широкое распространение. При использовании скоростной киносъемки удается выяснить механизм многих важных процессов при сварке открытой дугой.

При непосредственном фотографировании дуги фотослой фиксирует изображение светящейся поверхности плазмы, а излучение внутренних ее слоев не достигает светочувствительного слоя. Поэтому капля, находящаяся внутри светящегося столба дуги, остается невидимой. Чтобы сделать ее видимой, освещают столб плазмы источником света, создающим более мощный световой поток, чем сварочная дуга. Источник света располагают непосредственно за дугой. С помощью оптической системы происходит фокусирование источника света, которым может являться угольная дуга или ксеноновая дугоразрядная лампа. Сфокусированный луч, проникая через дугу, дает теневое изображение капли и торца электрода. Для защиты оптической системы установки от высокой температуры со стороны лампы используют тепловые фильтры, а для защиты от брызг расплавленного металла со стороны дуги - защитное стекло.

Наилучшее качество изображения может быть достигнуто при определенном согласовании светочувствительности пленки со спектрами излучения столба дуги, источника света и плавящегося электродного металла. Но необходимые для этого экспериментальные данные о спектральном составе сварочных дуг отсутствуют, поэтому такое согласование производят опытным путем с применением светофильтров.

Скоростная киносъемка дугового межэлектродного пространства производится скоростной кинокамерой при специальном освещении дугового пространства мощным источником света (дуговым прожектором или ксеноновой лампой). Частота кадров в большинстве случаев от 500-1500 кадров в секунду. Следовательно, процесс образования отрыва и перехода каждой капли фиксируется на нескольких (10 и более) кадров, что позволяет получить обширную информацию. При анализе и обработке результатов скоростной киносъемки можно установить характер переноса электродного металла в сварочной дуге, а также время существования отдельных капель и частоту их перехода с электрода в сварочную ванну.

Кроме того, можно определить массу капли, а также установить характер разбрызгивания электродного металла (взрыв электродной капли, выброс капли за пределы сварочной ванны, полет капли до места контакта с поверхностью свариваемого изделия).

Экспериментальные исследования процесса плавления и переноса электродного металла можно производить на установках, аналогичных специальной установке (рис. 1), разработанной в научно-исследовательской лаборатории ЮТИ ТПУ. В состав установки входит:

- дуговой прожектор КПТ-2 с доработками под установку ксеноновой лампы;

- источник питания дугового прожектора с падающей внешней характеристикой;

- сварочный источник питания с жесткой внешней характеристикой ВДУ-504У3 (1);

- источник импульсов сварочного тока - модулятор ИРС-1200АД (2);

- скоростная кинокамера СКС-1М (6);

- светолучевой осциллограф С8-13 (7);

- сварочный стенд:

а) вращатель оригинальной конструкции (8),

б) сварочная головка ГСП-2 (4).

- сварочные кабели и измерительные провода (10);

- блок управления сварочными процессами БАРС-2В (3) с пультом управления (9);

- газовая аппаратура.

Рисунок. 1. Установка для исследования процесса сварки

Для исследований процесса переноса электродного металла в различных пространственных положениях установка вращается вокруг своей оси при этом оптическая ось остается неизменной.

Для определения параметров исследуемого импульса при помощи схемы управления производился однократный запуск осциллографа С8-13, с экрана которого он снимался фотоаппаратом. Одновременно подавался импульс на отметчик времени шлейфового осциллографа Н-145 и на неоновую лампочку кинокамеры СКС-1М. Таким образом, выделялся импульс, при котором исследовалась кинетика плавления и переноса капли электродного металла.

Для исследования влияния параметров импульсов на плавление и перенос электродного металла в среде углекислого газа проводили наплавку валиков на пластины стали Ст3, размерами 30015010мм, проволокой диаметром 1,2мм. Расход углекислого газа, вылет электрода и скорость сварки поддерживались постоянными и составляли соответственно 15л/мин, 16мм и 20-25м/ч.

Опытами было установлено, что импульсное питание сварочной дуги благоприятно сказывается на стабильности горения дуги и характере переноса электродного металла. На рисунке 2 показан наиболее характерный случай переноса капель электродного металла при импульсном питании в СО₂ длинной дугой.

На кадре 1 представлен электрод к концу паузы. На торце хорошо видна капля, образовавшаяся в результате следующей суммы: остаток капли плюс расплавленный металл за счет аккумулирования плюс расплавленный металл за время паузы дежурной дуги. Ток дежурной дуги составляет 30А, поэтому реактивное давление и электродинамическая сила не велики. За период времени t₁-t₂ под действием силы тяжести и поверхностного натяжения капля сформировалась на торце в виде сферы, занимающей соосное положение с электродом. Диаметр столба значительно меньше диаметра капли и электрода. С момента времени t₂ начинается увеличение тока импульса и величины сил, действующих на каплю. На кадрах 2-3 показан момент нарастания сварочного тока. За счет теплонасыщения столб дуги увеличивается, принимает бочкообразную форму, и стремиться обхватить каплю. Нарастание тока происходит плавно, поэтому капля не смещается на боковую поверхность электрода, а продолжает занимать соосное с ним положение.

Образование шейки между электродом и каплей представлено на 4-ом кадре. С нарастанием сварочного тока увеличивается и значение электродинамической силы, под действием которой капля втягивается в столб дуги и движется в сторону ванны. Шейка удлиняется и становится тоньше – 5 и 6 кадры. Происходит втягивание капли в направление ванны.

В момент времени t₃ происходит отрыв капли и ее ускорение в сторону сварочной ванны. На 7-ом кадре показана оторвавшаяся капля. После разрыва перемычки реактивное давление паров очень большое, поэтому капля сильно деформирована. При взрыве шейки и отрыве капли, дуга прыгает на электрод, обхватывая его, поэтому в этот момент диаметр столба имеет наибольшие размеры.

Переход капли в сварочную ванну представлен на кадрах 7-14. Сильно деформированная капля парит в направлении ванны. С момента времени t₄ ток уменьшается, и как следствие, сужение столба дуги. В отличие от сварки в аргоне, капля в СО₂ не имеет шарообразной формы, но ее направленный перенос неоспорим. На интервале времени t₄-t₁ осуществляется дозирование энергии на расплавление следующей капли.

На 15 кадре показана новая капля. При сравнении двух капель – кадры 1 и 15 – можно сделать вывод, что их размеры одинаковы.

Рис. 2. Осциллограмма и кинограмма процесса сварки в СО2 при импульсном питании дуги: Vпод = 650м/ч; Iи =480А; Iср =120А f = 45Гц; и = 8мс; Iдд = 30А (1кл – 80А; 7,2В; отметчик времени 1кл – 2мс) I – сварочный ток; U – напряжение дуги; t – время импульса

Таким образом, полную информацию о переносе и кинетике плавления электродного металла дает метод скоростной киносъемки, совмещенный с методом осциллографирования.

Код для цитирования: Скопировать