1.2. Сущность ручной дуговой сварки модулированным током

Для решения проблем, изложенных в п. 1.1, вместе с развитием теории управления и разработкой средств автоматизации технологических процессов были разработаны способы сварки модулированным током и средства их реализации. Впервые способ сварки модулированным током был предложен М. П. Зайцевым [24] для сварки неплавящимся электродом. До настоящего времени было разработано большое количество способов, в основе которых заложен процесс модуляции (изменения) тока сварки [1, 25, 26, 27, 28, 29].

Схема изменения силы тока при РД сварке покрытым электродом модулированным током приведена на рис. 1.4.

Сварка модулированным током, по сравнению с обычным процессом дуговой сварки электродами с покрытием постоянным током, имеет свои преимущества: улучшение формирования шва во всех пространственных положениях за счёт уменьшения размеров сварочной ванны и увеличения скорости кристаллизации [1, 2, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30]; повышение механических свойств, сварных соединений в связи с более равномерным, чем при сварке стационарной дугой распределением легирующих элементов, уменьшением зоны термического влияния и измельчением структуры металла [28, 31, 32, 33, 34]; улучшение дегазации сварочной ванны вследствие усиления гидродинамических процессов в расплавленном металле [35, 36, 37]; снижение сварочных деформаций [38, 39]; улучшение санитарно-гигиенических условий труда вследствие снижения перегрева металла шва и соответственно уменьшения выделения аэрозолей [40]; упрощается техника сварки в положениях, отличных от нижнего, [41, 42, 43]; предоставляется возможность сварки сверху вниз, в том числе и электродами с основным покрытием [42]; сокращается время обучения сварщика технике сварки в различных пространственных положениях; повышается производительность труда [44]; снижается расход электроэнергии [25, 38].

Рис. 1.4. Схема изменения тока при способах сварки модулированным током, применяемая для улучшения формирования металла шва во всех пространственных положениях за счёт уменьшения размеров сварочной ванны и увеличения скорости кристаллизации: Iи - ток импульса; Iп - базовый ток (паузы); Iср - средний ток; - продолжительность импульса; - продолжительность паузы; Tц - продолжительность цикла модуляции сварочного тока

Попытки реализации способов сварки модулированным током электродами с покрытием, которые позволяют управлять переносом металла, описаны в известных работах [45, 46, 47]. Однако время, прошедшее со дня вышеприведенных публикаций, а также результаты других работ показали, что управление переносом металла при сварке электродом с покрытием не осуществлено.

1.3. Методы модуляции сварочного тока

Один из первых вариантов импульсной модуляции сварочного тока при ручной дуговой сварке электродами с покрытием был предложен в работе [48] (рис. 1.5, а, б, в), при котором величины тока импульса и тока паузы регулируют изменением внешней характеристики источника питания. Длительности импульсов и пауз тока выбирают переменной продолжительности путём соответствующего удлинения и укорочения дуги. При этом напряжение дуги сравнивают с опорным напряжением.

Процесс осуществляется при сварке дугой номинальной длины и импульсе тока напряжении дуги . При достижении критического тепло-вложения в шов, сварщик увеличивает длину дуги, это приводит к увеличению напряжения дуги.

Рис. 1.5. Кривые напряжения и тока дуги.

При достижении величины заданного напряжения и длине дуги подается команда, которая переключает источник тока на характеристику . Тогда горение дуги происходит при длине дуги , напряжении и токе дуги .

Предлагаемый способ позволяет регулировать тепловложение в шов непосредственно в процессе сварки в зависимости от изменяющихся его параметров, что существенно повышает качество сварки вертикальных и потолочных швов, деталей различных толщин и корневых слоев стыковых соединений, завариваемых с одной стороны. В данном процессе очевидна низкая устойчивость горения дуги в период паузы, возможно «примерзание» электрода.

При удлинении дуги возможно образование пор при сварке электрода ми с основным покрытием. Реализация такого способа сварки утомительна для сварщика.

В работе [46] при ручной дуговой сварке модулированным током введён элемент автоматического управления тепловой мощностью дуги. При этом ток импульса и ток паузы задают программой, а их длительности выбирают переменной продолжительности в зависимости от параметров процесса сварки. Соотношением между длительностью импульсов и пауз определяется тепловложением в шов за данный цикл сварки. Чем больше требуется тепловложение, тем больше длительность импульса и меньше длительность паузы, и наоборот.

Продолжительность импульсов тока регулируют непосредственно в процессе сварки и прерывают ток импульса при достижении критического тепловложения в шов путём незначительного удлинения дуги, а длительность паузы устанавливают автоматически в обратной зависимости от длительности предшествующего импульса тока (рис. 1.6). Частота следования импульсов сварочного тока находится в пределах от долей до единиц герц.

Этот способ имеет следующие недостатки: интенсивность светового потока во время импульса и паузы значительно изменяется, что отрицательно влияет на зрение сварщика; из-за большой разницы токов импульса и паузы возможно появление подрезов и крупночешуйчатости шва; вследствие малого тока паузы возможно «примерзание» электрода; техника выполнения такого Способа сложна и утомительна, т. к. сварщик должен с частотой до несколь¬ких герц увеличивать и уменьшать длину дуги.

Для повышения технологической устойчивости сварки модулирован¬ным током электродами с покрытием любого типа в работе [49] во время пау-1Ы при сварке вертикальных швов на спуск налагают дополнительные им¬пульсы переменной продолжительности (рис. 1.7). Момент включения допол¬нительного импульса гд определяют в зависимости от текучести ванны. Те¬кучесть ванны определяют по изменению напряжения на дуге от заданного, а продолжительность дополнительных импульсов гд устанавливают в обратной Зависимости от времени отекания металла до критического положения /кр.

Способ имеет существенные недостатки: при частоте дополнительных импульсов 10-15 Гц зрачки глаз сварщика будут успевать реагировать на изме¬нение интенсивности светового потока; крупночешуйчатость шва остаётся вы¬сокой; поскольку длительность основных и дополнительных импульсов и пауз задаётся программой, сварщик не может управлять тепловой мощностью дуги; при этом сварщик исключён из процесса управления тепловой мощностью дуги, т. с. в процессе сварки реализуется концепция «машина - технология».

В работе [50] для повышения технологической устойчивости при РД сварке модулированным током активизируют разрушение перемычки между каплей и электродом во время паузы. Для этого после образования перемычки на время протекания тока короткого замыкания включают ток импульса (рис. 1.8). В случае возникновения короткого замыкания во время паузы по сигналу датчика, поступившему в результате снижения напряжения на дуго¬вом промежутке и достижения им порогового значения с/01, тиристорный ключ после незначительной задержки переводится во включенное состояние.

При этом возрастает амплитудное значение тока короткого замыкания, что обеспечивает необходимый импульс силы для ускоренного перехода капли электродного металла и своевременного возобновления горения дуги. Перед окончанием короткого замыкания на последней стадии разрушения перемычки по сигналу датчика, поступившему в результате падения напряжения и достижения им порогового значения тиристорный ключ выключается, обеспечив разрыв перемычки на малом токе.

Таким образом повышается устойчивость процесса сварки модулиро¬ванным током. При этом длительность импульса и паузы задаются независи¬мо программой в соответствии с требуемым изменением тепловложения в шов.

ПОДПИСЬ

Недостатки данного способа заключаются в том, что регулирование тепловложения задается программой, не позволяющей по достижении предельного теплонасыщения изменять мощность дуги в зависимости от ус¬ловий сварки; пульсации светового потока остаются и отрицательно влияют на зрение сварщика.

Рассмотренные выше способы модуляции сварочного тока, как и мно-| Н1 другие, созданные для сварки на постоянном и переменном токе, разраба¬тывались с целью перенесения части манипуляций, выполняемых сварщиком электродом для управления тепловой мощностью дуги и формированием шва и различных пространственных положениях, на технические средства. Эти Способы реализуют концепцию «машина - технология» и представляют спо¬собы импульсной модуляции сварочного тока при РД сварке покрытыми I ккфодами в первом поколении, отдавая сварщику роль механизма, осуще-I гвляющего механическое перемещение электрода вдоль линии стыка и под¬держивающего постоянную длину дуги. Сварщик не может ускорять или за¬медлять процесс сварки. Представленные выше алгоритмы способов сварки модулированным током лишь частично помогают решить проблемы качества сварки, так как процесс сварки выполняется по жестко заданной программе, в ТОМ числе и с применением в различных вариантах обратных связей, которые улучшают, по сравнению со стационарным процессом, качество сварки, но в неном её не решают.

Вследствие наличия двух уровней тока /и и /п на интервале протека¬нии /„ при его низком значении нарушается физическая устойчивость горе¬ния дуги. При сварке на переменном токе необходимы дополнительные ме¬роприятия по обеспечению физической устойчивости горения дуги при пере¬ходе тока через нуль.

Нарушение технологической устойчивости процесса сварки в период /„ происходит вследствие снижения давления дуги и подтекания под элек¬трод сварочной ванны, а при сварке вниз электродами с основным покрытием из-за затекания шлака под электрод [51]. Повышение значения /п приводит к снижению глубины модуляции (/и//п) и соответственно снижению эффек-I ивности процесса сварки модулированным током.

Одним из существенных недостатков вышеуказанного способа сварки модулированным током является наличие пульсаций светового потока. В со¬ответствии с [52] пульсации светового потока относятся к вредным (физиче¬ским) производственным факторам.

При сварке труб поверхностей нагрева с применением модулятора с частотой следования импульсов менее 25 Гц у сварщика через непродолжи¬тельное время (около двух часов) появляется усталость, раздражительность. Проведенный опрос сварщиков и вспомогательных рабочих показал, что пульсации светового потока мешают сосредоточиться и утомляют зрение.

Недостатками существующих методов и средств модуляции являются большая нагрузка на зрение сварщика вследствие большой разницы светового излучения дуги во время импульса и паузы с низкой частотой модуляции, когда зрачки глаз сварщика успевают реагировать на контрастность излучения; шов формируется крупночешуйчатым, что обусловливает возможность возникновения подрезов во время паузы; при небольшом значении тока паузы возможно «примерзание» электрода, предотвращение которого требует дополнительных мероприятий.

Наложение дополнительных импульсов во время паузы с частотой 15-20 Гц не устраняет перечисленные недостатки; управление длительностью основных импульсов и пауз осуществляется по программе без учёта состоя¬ния дугового промежутка и возможностей сварщика; перечисленные выше способы не дают возможности сварщику изменять мощность дуги в процессе сварки без прерывания процесса и регулировать объём сварочной ванны; в отличие от стационарного процесса, применение импульсных процессов сварки требует специальной подготовки сварщиков, которая бы учитывала большее, чем при сварке стационарной дугой, количество вариантов настрой¬ки оборудования и значительно более широкий диапазон регулируемых па¬раметров режима сварки.

В настоящее время чёткие инструкции по выбору режимов сварки моду¬лированным током к серийно выпускаемому оборудованию отсутствуют.