6.2 Контактные и бесконтактные способы возбуждения дуги при сварке tig.

Зажигание дуги при сварке ТИГ может производится тремя способами:

1. Бесконтактным способом с использованием осцилляторов (HF IGNITION).

2. «Чирканьем» торца вольфрамового электрода по поверхности изделия (SCRATCH START).

3. Отрывом электрода от изделия при подавленном токе КЗ (LIFT IGNITION, LIFT ARC или LIFTIG).

В первом случае используется осциллятор, который вырабатывает кратковременный импульс напряжения, обеспечивающий пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. Благодаря высокой частоте и малой мощности осциллятора высокое напряжение неопасно для человека. Высокочастотный поджиг обеспечивает самое высокое качество сварного шва, так как при нем не происходит контакта вольфрамового электрода с изделием, и, поэтому, исключается попадание частичек вольфрама в сварочную ванну.

При таком поджиге также не происходит разрушения торца вольфрамового электрода.

Однако, применение осцилляторов может приводить к выходу из строя устройств чувствительных к электромагнитному воздействию. При втором способе зажигания дуги возможно попадание частичек вольфрама в сварочную ванну, а также имеет место разрушение торца вольфрамового электрода, так как в момент контакта электрода с изделием протекает ток короткого замыкания.

Третий способ, хотя и не исключает контакта электрода с изделием, не имеет недостатков предыдущего способа, так как в момент КЗ протекает заблаговременно сниженный ток. Этот способ зажигания дуги при сварке ТИГ реализован в аппаратах Pilot.

6.3 «Горячий (быстрый) старт», функция Anti stickING (защита от примерзаний электрода) и ARC FORCE при сварке покрытыми электродами ММА. Для улучшения начального зажигания дуги, в первую очередь, для снижения склонности электрода к «примерзанию» при сварке ММА, некоторые инверторные источники питания снабжаются такой функцией как «Горячий Старт» (“Hot Start”). Она работает следующим образом. При первом касании торцом электрода изделия происходит включение специальной схемы управления, которая на короткое время (0,5 … 1,5 с) повышает ток сварки на 20 … 50% от заданного уровня. Указанное время «Горячего Старта» необходимо для ускоренного формирования на торце электрода характерной втулки, после образования которой расплавленный металл сварочной ванны и жидкий металла на торце электродного стержня будут надежно защищены газовой защитой, образующейся из расплавляемого покрытия электрода.

Благодаря «Горячему Старту» происходит более интенсивный (более быстрый) разогрев торца электрода и ускоренное формирование сварочной ванны. Последнее благоприятно сказывается на формировании начального участка шва, так как снижается типичное усиление шва (наплыв металла), а также повышается глубина проплавления. Благодаря повышенному току сварки происходит также измельчение капель расплавленного электродного металла, что снижает склонность электрода к «примерзаниям», вероятность которых очень высока при начальном зажигании, когда торец электрода еще недостаточно разогрет, а сварочная ванна еще не сформирована. В этих условиях из-за повышенного теплоотвода в основной металл и в стержень электрода капля жидкого металла при перетекании в сварочную ванну может преждевременно закристаллизоваться и вызвать «примерзание» электрода.

Наличие «Горячего Старта» позволяет сварщику сохранять короткую дугу, не боясь «примерзаний» электрода при зажигании дуги и, таким образом, не вызывать ухудшения газовой защиты и зарождения стартовой пористости на начальном участке сварного шва. Параметры «Горячего Старта», а именно, сила тока и время, должны подбираться опытным путем. Электроды с основным видом покрытия, как правило, требуют более высоких значений параметров «Горячего Старта», так как они характеризуются крупнокапельным переносом электродного металла. «Горячий Старт» используется как при сварке ММА, так и при сварке МИГ/МАГ. Эта функция реализована в таких аппаратах как Flex и Commander.

При выполнении ручной дуговой сварки покрытыми электродами полезной является еще одна функция источника питания, а именно, снижение тока КЗ до очень низких значений (1 … 20 А) при «примерзаниях» электрода (при слишком длительных коротких замыканиях, превышающих установленный временной предел). Это предупреждает электрод от перегрева. После срабатывания этой функции электрод можно легко отделить от изделия без разрушения обмазки и образования брызг. Спустя 1 … 2 с после отделения электрода и, соответствующего разрыва КЗ, источник питания возвращается в нормальное рабочее состояние, обеспечивающее заданный рабочий ток сварки. Английское наименование этой функции - “Anti-sticking”. Эта функция реализована в аппаратах семейства Flex.

6.4 Синергетическое управление параметрами сварки MIG/MAG и Pulsed MIG/MAG.

Функция синергетического управления предназначена для облегчения и упрощения процедуры регулирования параметров режима сварки МИГ/МАГ. Ее реализация возможна только на базе инверторного источника питания. Ее суть заключается в том, что сварщик регулирует только один параметр режима сварки, обычно, это скорость подачи электродной проволоки (или ток сварки). Остальные параметры режима, такие как напряжение дуги, расход газа, параметры импульсной сварки настраиваются автоматически в зависимости от алгоритмов, заранее введенных в источник питания (как правило, на заводе изготовителе).

Для того чтобы эти автоматически настраиваемые параметры сварки были как можно ближе к оптимальным, сварщик дополнительно должен ввести в источник питания толщину основного металла, тип материала и диаметр электродной проволоки, а также состав защитного газа. Если синергетические алгоритмы, которые заложены в сварочную установку, правильно отображают взаимозависимость между параметрами режима сварки, тогда при установке «ведущего» параметра в определенном интервале регулирования, синергетично зависимые от него параметры будут также автоматически установлены в соответствующий интервал диапазона регулирования.

Наиболее привлекательной функция синергетического управления является для условий импульсно-дуговой сварки, когда необходимо регулировать одновременно достаточно много параметров (напряжение дуги, амплитуду импульса тока, его частоту, ток базы и др.). Достаточно указать материал и диаметр электродной проволоки, тип защитного газа, а также скорость подачи электродной проволоки, как остальные параметры режима ИДС будут автоматически отрегулированы.

В источниках питания фирмы Migatronic имеется возможность ручного построения кривых синергетических зависимостей. Вся кривая разбита на три фрагмента согласно типу переноса электродного металла: сварка с короткими замыканиями (зона I), переходная зона (зона II) и зона с мелкокапельным переносом электродного металла (зона III). Пользователь должен подобрать оптимальные режимы для рабочих точек 1, 2, 3 и 4 и ввести их (параметры режимов) в память бортового компьютера источника питания. В дальнейшем система синергетического управления будет самостоятельно устанавливать оптимальные параметры сварки, пользуясь линейными зависимостями между этими точками.

Хотя синергетическое управление в целом обеспечивает достаточно точную коррекцию значений искомых параметров, тем не менее, синергетические системы, как правило, имеют также возможность дополнительной тонкой коррекции для более полного согласования значений параметров режима с изменёнными условиями сварки (так называемая trim-регулировка), например если используется какая то особая газовая смесь.

Синергетическое управление реализовано в Flex 330 XMI AUTO.

6.5 «Мягкий старт» при сварке MIG/MAG

Для улучшения начального зажигания дуги при сварке МИГ/МАГ некоторые инверторные источники питания снабжаются такой функцией как «Мягкий Старт». Она работает следующим образом. После нажатия сварщиком на горелке кнопки подачи проволоки и до момента, когда ее торец коснется изделия, происходит замедленная подача проволоки. Благодаря этому не происходит резкого удара торца проволоки об изделие и его смятия с последующим оплавлением проволоки на выходе из наконечника и «отстрелом» 5 … 10 миллиметрового фрагмента проволоки в сторону, как это показано на рисунке ниже.

При использовании функции «Мягкого Старта» дуга после своего возникновения быстро оплавляет торец медленно подающейся проволоки и удлиняется до установления заданной длины. При этом скорость подачи проволоки начинает автоматически повышаться до установленного сварщиком значения и далее процесс сварки протекает в обычном режиме. Таким образом, при использовании функции «Мягкий Старт» процесс сварки устанавливается сразу же после первого касания изделия торцом проволоки.

Функция «Мягкого Старта» реализована в аппаратах семейства Flex.

6.6 Предварительная продувка защитного газа

Предварительная продувка защитного газа необходимо для обеспечения газовой защиты зоны дуги до момента ее зажигания. Время предварительной продувки защитного газа измеряется от момента нажатия на кнопку пуск и до момента начала подачи электродной проволоки при сварке МИГ/МАГ или зажигания дуги при сварке ТИГ. В аппаратах фирмы Migatronic это время может регулироваться в диапазоне от 0 до 10 с.

6.7 Задержка выключения газовой защиты в конце сварки

Задержка выключения газовой защиты в конце сварки необходима для предотвращения окисления жидкого металла остывающей ванны, а также нагретого до высоких температур металла сварного шва. Эта функция особенно актуальна при сварке таких металлов как алюминий, титан и нержавеющая сталь, обладающих повышенным сродством к кислороду при высоких температурах.

Время задержки выключения газовой защиты в конце сварки измеряется от момента погасания дуги и до момента прекращения подачи защитного газа. В аппаратах фирмы Migatronic это время может регулироваться в диапазоне от 0 до 20 с.

6.8 Дополнительное оплавление торца электродной проволоки в конце сварки

Дополнительное оплавление торца электродной проволоки в конце сварки предотвращает образование слишком длинного вылета электродной проволоки (выбега проволоки), которое наблюдается при одновременном выключении тока сварки и питания механизма подачи проволоки. Последний, из-за своей инерционности, не может остановиться мгновенно, и пока тормозится, продолжает подавать проволоку из горелки. Вследствие этого перед последующим возобновлением сварки сварщику приходиться откусывать лишнюю проволоку.

Эта проблема решается упреждающим (по отношению к току сварки) выключением питания подающего механизма.

В аппаратах фирмы Migatronic время упреждения может регулироваться в диапазоне от 1 до 30 условных единиц. Чем больше это число, тем раньше будет выключено питание подающего механизма, и тем дольше будет оплавляться торец электродной проволоки, т.е. тем ближе к контактному наконечнику окажется торец проволоки.

6.9 Регулирование времени нарастания тока в начале сварки

Если при сварке ТИГ ток сварки включать сразу на полный уровень, это может приводить к разрушению торца вольфрамового электрода из-за быстрого его нагрева и к попаданию частичек вольфрама в сварной шов. Во избежании этого используют функцию плавного нарастания тока до заданного уровня.

6.10 Регулирование времени снижения тока при окончании сварки

Плавное снижение тока в конце сварки (slope down time) способствует предотвращению образования кратера в конце сварного шва, так как сварочная ванна (обычно принимающая под действием силы давления дуги форму воронки) успевает выровняться.

6.11 Регулирование индуктивности

Индуктивность сварочной цепи регулируют для снижения разбрызгивания электродного металла и повышения стабильности процесса сварки.

Высокая индуктивность сварочной цепи спо-собствует замедлению роста тока короткого замыкания и предотвращению отбрасывания капли в момент ее касания поверхности сварочной ванны, таким образом предотвращая Однако при этом возможны „примерзания” проволоки.

При низкой индуктивности сварочной цепи ток короткого замыкания растет быстро, что вызывает появление в месте контакта капли с поверхностью сварочной ванны отталкивающей электромагнитной силы. Отброшенные от поверхности сварочной ванны капли жидкого металла могут отрываться от торца электродной проволоки, падать рядом со швом, порождая образование брызг крупных размеров. Возможно также, что быстро растущий ток короткого замыкания приведет к взрыву перемычки жидкого металла в месте отрыва капли, порождая брызги электродного металла мелких размеров.

Оптимальное значение индуктивности зависит от материала и диаметра электродной проволоки, режима сварки, типа защитной атмосферы и т.п.

6.12 Двух- четырехтактные режимы управления

При двухтактном режиме управления для начала сварки сварщик нажимает кнопку «пуск» и отпускает ее только при окончании сварки. При этом такие функции как «предварительная продувка защитного газа», «задержка выключения газовой защиты в конце сварки», «дополнительное оплавление торца электродной проволоки в конце сварки» и т.п. отрабатываются в соответствии с заранее заданными временными параметрами.

При четырехтактном режиме управления при нажатии кнопки «пуск» выполняются только функция «предварительной продувки защитного газа». Причем, эта функция будет выполняться в течение всего времени, пока будет оставаться нажатой кнопка «пуск». Ток сварки и подача электродной проволоки включаются только после отпускания сварщиком кнопки «пуск». Таким образом, в процессе сварки сварщик просто держит горелку, не нажимая кнопки «пуск». Для окончания сварки ему необходимо снова нажать кнопку «пуск». При этом, выключится подача электродной проволоки и сварочный ток. Однако функция «задержки выключения газовой защиты» будет выполняться в течение всего времени, пока кнопка «пуск» будет оставаться нажатой.

6.13 Режим сварки Quattro PulseÔ

Это режим сварки МИГ/МАГ, при котором, средний ток сварки (или тепловложение в основной металл) изменяется с определенной периодичностью (от примерно 0.5 до 5 Гц). При этом, естественно, циклично изменяется и скорость подачи электродной проволоки, так как именно через скорость подачи электродной проволоки осуществляется регулирование тока при сварке МИГ/МАГ. Общий средний ток сварки оказывается низким, что позволяет производить сварку тонколистового металла, а также облегчается сварка в вертикальном и потолочном положениях. Сварной шов приобретает вид частично перекрывающихся сварных точек.

Принцип Quattro PulseÔ для условий импульсно-дуговой сварки описан выше в разделе 3.

6.14 Режим сброса остающейся на торце электродной проволоки капли

Как правило, при окончании сварки МИГ/МАГ на торце электрода образуется капля электродного металла (см. рисунок ниже). Это затрудняет последующее зажигание дуги при возобновлении процесса сварки. Поэтому сварщику приходится откусывать торец электрода для удаления таких капель. Но ее можно сбросить и электрическим путем с помощью импульса тока, который подается в момент выключения тока сварки, и который по аналогии с импульсно-дуговой сваркой срывает эту, еще не успевшую застыть, каплю. Эта функция особенно важна при сварке с частыми перерывами, например при выполнении коротких швов, а также при роботизированной сварке, когда отпадает потребность в такой сложной операции, как откусывание торца электродной проволоки.

Управление переносом электродного металла

Среди дуговых процессов сварка плавящимся электродом в защитных газах занимает ведущее место в промышленности Западной Европы, США, Японии [1,2]. Однако новые функциональные возможности сварочного оборудования, в том числе источников питания дуги, которые открываются благодаря развитию силовой электроники, не всегда способствуют появлению качественно новых технологических процессов сварки. Разработчики зачастую рекламируют сварочное оборудование, реализующее различные алгоритмы управления, но обеспечивающее лишь один тип переноса металла электрода, как совершенно новые технологии.

В данной работе автором проанализированы тенденции развития управления переносом металла в защитных газах и технологий сварки плавящимся электродом, а также показана роль импульсно-дугового процесса с управляемым переносом металла электрода.

Многие характеристики процесса сварки в защитных газах зависят от типа переноса металла электрода, который оказывает существенное влияние на различные технологические характеристики сварочной дуги, например, тепловой баланс, ее пространственную устойчивость, интенсивность протекания металлургических реакций в зоне сварки, потери на угар и разбрызгивание, а также глубину проплавления, параметры и форму сварных швов [3].

Рис. 1. Диапазон сварочных токов и напряжений на дуге при различных типах переноса металла	Рис. 2. Схема основных параметров сварочного процесса, воздействующих на перенос металла электрода

Существует несколько типов переноса металла электрода в защитных газах [4], основными из которых являются мелко- или крупнокапельный с короткими замыканиями (КЗ) дугового промежутка; мелко- или крупнокапельный без КЗ дугового промежутка и струйный процесс, различают также вращательно-струйный. Перенос парами металла присутствует в меньшей или большей мере при всех способах сварки плавящимся электродом в защитных газах. Однако зачастую имеются смешанные типы переноса металла, обусловленные изменением параметров сварочных процессов. Отдельно следует выделить управление переносом металла по принципу «один импульс - одна капля».

Тип переноса металла, а также силы, действующие на металл электрода в дуге, достаточно полно описаны в работах [4, 5]. Каждый тип переноса металла характеризуется как преимуществами, так и недостатками. Поэтому от типа переноса зависят многие технологические характеристики процесса сварки плавящимся электродом в защитных газах, например диапазон свариваемых толщин.

Для каждого типа переноса металла электрода имеется свой диапазон значений сварочных токов и напряжений на дуге (рис. 1). Для импульснодуговой сварки плавящимся электродом (ИДСПЭ) наиболее эффективный диапазон средних токов сварки составляет 60...300 А, напряжения на дуге — 16...32 В.

Тип переноса металла зависит от многих параметров процесса сварки. Основными с точки зрения управления процессом являются следующие: состав электродной проволоки и защитной среды; значение, полярность, плотность и форма сварочного тока; возможность применения различных механизмов подачи сварочной проволоки. Существуют различные возмущающие воздействия, которые необходимо учитывать при проектировании сварочного оборудования, так как они могут изменить тип переноса металла. Например, при ИДСПЭ уменьшение напряжения питающей сети или вылета электрода может привести к изменению переноса от мелкокапельного без КЗ до переноса с ними [6]. Состояние поверхности проволоки также может сказаться на изменении типа переноса металла электрода. Сварку в защитных газах, как правило, выполняют на постоянном токе. Наличие в процессе сварки магнитного дутья изменяет длину и форму дуги, что в свою очередь оказывает влияние на формирование и отделение капель. На рис. 2 представлена схема основных составляющих сварочного процесса, влияющих на перенос металла электрода.

Путем варьирования составов защитной газовой смеси и сварочных проволок улучшают качество металла швов, воздействуя прежде всего на силы поверхностного натяжения металла и степень сжатия сварочной дуги [7-9]. При этом мелкокапельный перенос металла достигается при меньших значениях сварочного тока.

Механизмы подачи сварочной проволоки также позволяют эффективно управлять процессом сброса капель, особенно при сварке с КЗ [10, 11]. Особая роль при получении необходимого типа переноса металла электрода принадлежит источникам питания сварочной дуги. Изменяя форму сварочного тока, можно эффективно влиять на процессы формирования капли, время ее нахождения в дуге и многое другое.

Рис. 3. Фирмы-производители оборудования для процесса сварки в защитных газах с КЗ	Рис. 4. Схема развития процесса ИДСПЭ

Оптимизация приведенных на рис. 2 параметров, воздействующих на перенос металла при сварке плавящимся электродом, зависит от конкретных технологических задач. Как правило, сначала оптимизируется какой-либо один параметр, а затем с учетом эффективности управления — следующий. Например, при ИДСПЭ сталей в смеси газов сначала оптимизировался состав газовой смеси.

Для современного трубопроводного транспорта требуются высокие значения рабочего давления перекачки энергоносителей и применение высокопрочных трубных сталей Х80 и X100. Сварка плавящимся электродом таких сталей привела к необходимости создания новых защитных смесей, например Аг + 12 % CO₂ + 5 % Не, позволяющих получать хорошее сплавление с боковыми стенками при многопроходной автоматической сварке [9]. Далее оптимизации подвергается форма импульсов сварочного тока, разрабатываются системы автоматической стабилизации параметров процесса.

Для управления процессом сварки плавящимся электродом с КЗ дугового промежутка используется много способов [12]. На рис. 3 представлены основные фирмы, выпускающие оборудование, на котором реализуются процессы сварки с КЗ.

Преимущества, связанные с использованием переноса металла с КЗ, производители сварочного оборудования описывают по-разному. Процесс STT (Surface Tension Transfer — перенос за счет сил поверхностного натяжения) фирмы «Lincoln Electric» использует для работы быстродействующий инверторный источник питания, который позволяет управлять формой сварочного тока [13, 14]. В источнике питания дуги применена улучшенная технология управления формой сварочного тока (Waveform Control Technology), обеспечивающая значительные преимущества по сравнению с традиционной сваркой MIG КЗ. Этот способ преимущественно предназначен для сварки корневых швов, а также снижения разбрызгивания, особенно в чистом CO₂.

Процесс Cold Metal Transfer (СМТ — перенос «холодного» металла) фирмы «Fronius» реализуется посредством реверсирования подачи проволоки [15, 16]. Среди преимуществ необходимо отметить незначительное разбрызгивание, в том числе и при использовании чистого CO₂, возможности сварки по увеличенному зазору за счет снижения тепловложения и пайки, а также сварки металла с различными теплофизическими свойствами, например стали с алюминием [16].

Фирма EWM реализует процесс Cold Arc, предназначенный для сварки с КЗ, который позволяет соединять стальные листы толщиной от 0,3 до 1.5...2.0 мм, а также оцинкованные листы, хорошо управлять сваркой корневых швов в труднодоступных местах, выполнять сварку магниевых сплавов, сварку соединений сталь-алюминий, сталь-магний, алюминий-магний.

Технология Fast Root фирмы «Kemppi» осуществляет процесс с КЗ посредством цифрового управления сварочным током и напряжением дуги. Fast Root в основном разработана для сварки корневых швов, но может использоваться и для сварки тонкого металла [10].

НПО «СЭЛМА-ИТС» разработан процесс сварки с вынужденными КЗ (ВКЗ) дугового промежутка [10, 13], позволяющий уменьшать разбрызгивание в чистом CO₂.

Рис. 5. Формы сварочного тока и характер переноса металла электрода при ИДСПЭ алюминиево-магниевых сплавов (а), углеродистых (б) и нержавеющих сталей (в) [23]

Рис. 6. СМТ Pulse-Advanced процесс [26]

Японские специалисты также работают над процессом сварки дугой с КЗ. Представляют интерес работы по управлению формой импульса сварочного тока SP-MAG (superimposition — наложение) токов [17]. К преимуществам способа относят незначительное разбрызгивание металла, стабильность горения дуги, а также возможность управления тепловложением. Разработанная система управления MTS (Metal Transfer Stabilization) предотвращает образование больших капель и уменьшает разбрызгивание.

Таким образом, производители под различными торговыми марками выпускают электросварочное оборудование, реализующее процесс сварки с КЗ с упомянутыми преимуществами. Оно находит применение в различных отраслях промышленности – автомобильной, транспортном машиностроении, пищевой и химической промышленности, обработке тонколистового металла.

Совершенствуются технологии, осуществляющие процессы сварки со струйным и вращательно-струйным переносом металла электрода. Немецкая фирма EWM выпустила на рынок оборудование Integral-inverter MIG 500 HIGH-SPEED, реализующее высокоскоростную сварку вращающейся дугой [18].

Как правило, процессы сварки с повышенной длиной вылета электрода и переходом к вращательно-струйной дуге технологически использовали мало. Немецкие исследователи применяли сплошные проволоки диаметром 1,2 мм, защитный газ Аг + 4 % O₂, длина вылета составляла 25...35 мм, скорость сварки достигала 30 м/ч. На основании полученных результатов исследования процесса сварки вращающейся дугой можно сделать вывод о возможной альтернативе сварке под флюсом [18].

Особое место среди различных типов переноса электродного металла занимает управляемый импульсно-дуговой перенос [19], который применяют не только для сварки различных материалов, но и для реализации переходных типов переноса металла, а также осуществления новых комбинированных гибридных технологий сварки. На рис. 4 представлена схема развития областей применения процесса ИДСПЭ.

Интенсивно развивается направление, связанное с регулированием формы импульса сварочного тока для процесса ИДСПЭ. В ИЭС им. Е. О. Патона это направление появилось еще в 1980-х годах [20, 21]. Очень важны также теплофизические свойства свариваемых материалов, что отражается, например, на построении систем автоматической стабилизации процесса ИДСПЭ [22].

Представляют научный интерес работы японских специалистов в области регулирования формы сварочного тока для ИДСПЭ [23]. В случае алюминиево-магниевых сплавов при прямоугольной форме импульсов сварочного тока отрыв капли приводит к образованию мелких брызг, поэтому предлагается форма импульса, позволяющая устранить налипание брызг на изделие и улучшить внешний вид сварных швов (рис. 5, а).

Для углеродистой стали используют защитный газ с 20...25 % С02. Но в заводских условиях на крупных машиностроительных предприятиях, где проведена централизованная подача газовой смеси, колебания состава смеси могут достигать нескольких процентов. Это дестабилизирует капельный перенос металла, действующий по принципу «один импульс — одна капля». Поэтому японские специалисты формируют двухступенчатые импульсы (рис. 5, б). Таким образом достигается капельный перенос металла даже при содержании в смеси до 30 % CO₂, а также подавляется образование очень мелких брызг, появляющихся после отрыва основной капли. Помимо уменьшения брызгообразования, происходит и экономия защитного газа (аргона).

Рис. 7. Способ AC Pulsed MIG [27]: а-д — кинограммы переноса металла электрода; 1,2 — текущие значения соответственно напряжения на дуге и сварочного тока (проволока А5356 диаметром 1,2 мм; действующие значения сварочного тока 100 А, действующее значение напряжения на дуге 16,8 В, обратная полярность 20 %)

При ИДСПЭ нержавеющей стали, которая имеет большее поверхностное натяжение, применяется смесь Ar+CO₂ с большим содержанием аргона и добавлением O₂. Но часто происходит нарушение синхронного переноса металла через дугу. Поэтому разработана форма импульса, которая по мере образования капли замедляет процесс ее отделения (рис. 5, в).

Представляет интерес способ с наложением импульсов низкой частоты для измельчения зерна и снижения чувствительности к кристаллизационным трещинам. В ИЭС им. Е. О. Патона также занимались подобным модулированием сварочного тока. Так, при ИДСПЭ стыковых соединений из сплава АМгб благодаря низкочастотной модуляции в паузе стало возможным исключить прожоги и нарушение формирования швов из-за неточностей сборки [24].

Импульсно-дуговая сварка получила развитие в новых технологиях. Появились источники питания импульсной дуги, реализующие модернизированный способ сварки «Speed Pulse» [25]. Предлагаемый подход позволяет сбрасывать за один импульс несколько капель электродного металла и задействовать часть струйного процесса в области малых токов. Таким образом, импульсная дуга становится более эффективной — увеличивается глубина проплавления и повышается скорость сварки. Новый процесс хорошо зарекомендовал себя при сварке углеродистых сталей [25].

Фирма «Fronius» предложила процессы сварки СМТ Advanced и CMT-Pulse-Advanced [26]. По сравнению с уже известной технологией «холодного» переноса металла, СМТ Advanced обеспечивает низкое тепловложение. Новая технология дает возможность заполнять более широкие зазоры в результате варьирования циклов тепловложения. На рис. 6 представлена кинограмма процесса СМТ Pulse-Advanced. Отделение капли происходит в моменты КЗ и действия импульсов обратной полярности (как при «классической» импульсно-дуговой сварке). Таким образом, совмещаются два типа переноса металла электрода — с КЗ и мелкокапельный импульсно-дуговой без КЗ.

Рис. 8. Области реализации процесса ИДСПЭ

«Классическую» ИДСПЭ выполняют на постоянном однополярном токе. Поэтому вопросы магнитного дутья остаются актуальными. Развивается направление, связанное с ИДСПЭ, при котором базовый ток дуги изменяет полярность (рис. 7) [27, 28]. Таким образом, уменьшается тепловложение. Преимуществами импульсного процесса на переменном токе (AC Pulsed MIG) являются низкая температура сварочной ванны (сварка изделий с тонкой стенкой), лучшее отделение капли, предотвращение магнитного дутья.

ИДСПЭ получила развитие в технологических процессах Time Twine, Pulse MIG/MAG-Laser и Time Twin-Pulse MIG/MAG-Laser, где применяются две импульсные дуги, импульсная дуга и лазер, три импульсные дуги и лазер [29-32].

Механизм переноса электродного металла показан на рис. 2.29,а.

Рис. 2.29. Перенос электродного металла: а — силы, действующие на каплю; б — зависимость частоты переноса и размеров капли от силы тока; в — осциллограмма тока при импульсно-дуговой сварке

Капля расплавленного металла на электроде находится под действием нескольких сил. Сила тяжести F_T направлена вниз, она зависит от диаметра капли d_к. Сила реактивного давления F_р паров электродного металла отбрасывает каплю от ванны. Сила поверхностного натяжения F_п стремится уменьшить поверхность капли и поэтому препятствует ее отделению. Электродинамическая сила F_эвызвана искривлением линий тока и пропорциональна квадрату силы тока, ее радиальная составляющая F_эк стремится пережать шейку капли, а осевая составляющая F_эо отбрасывает каплю к детали.

Проанализируем зависимость характера переноса без коротких замыканий от силы тока при сварке плавящимся электродом (рис. 2.29,б). При малом токе электродинамическая сила F_э невелика, и капля переносится под действием силы тяжести F_Т при достижении достаточно большого размера d_к. Такой крупнокапельный перенос, как правило, имеет нерегулярный характер, отрицательно влияет на устойчивость процесса сварки, приводит к плохому формированию шва. При увеличении тока возрастает влияние электродинамической силы на перенос, что приводит к более раннему отрыву капли и, следовательно, снижению размеров капли. Перенос называется мелкокапельным, если d_к < d_э. При еще более значительном увеличении тока, активное пятно дуги охватывает не только торец, но и боковую поверхность электрода, которая также оплавляется. В результате конец электрода приобретает форму конуса, с вершины которого жидкий металл стекает мелкими частицами, образующими непрерывную струю. При мелкокапельном и струйном процессе перенос становится направленным вдоль оси электрода в сторону детали, разбрызгивание уменьшается, а формирование шва улучшается, особенно в вертикальном и потолочном положении. Ток, характеризующий переход к струйному переносу, назван критическим I_кр.

Разработано несколько технологических приемов для улучшения характера переноса. В тех случаях, когда нельзя увеличивать ток выше I_кр, можно обеспечить спокойный перенос крупных капель, переходя к обратной полярности дуги для уменьшения силы реактивного давления паров, используя электроды с основным или рутиловым покрытием. Другая группа приемов обеспечивает снижение I_кр, с тем чтобы перенос имел струйный характер. С этой целью на поверхность электрода наносят поверхностно-активные вещества или добавляют кислород в защитные газы для снижения сил поверхностного натяжения. Наконец, измельчению капель способствуют импульсные магнитные и механические воздействия, например, вибрация электрода. Ниже рассмотрены электротехнические приемы воздействия на перенос благодаря программному управлению силой сварочного тока с помощью источника.

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне выполняется при подаче мощных пиковых импульсов тока (рис. 2.29,в). В результате резкого возрастания электродинамической силы происходит сбрасывание капли с диаметром d_к, существенно меньшим диаметра электрода d_э. Ток импульса I_и для надежного сбрасывания капли вместе с базовым током I_б должен превышать критический ток I_кр. Базовый ток I_б назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. Частоту подачи импульсов f_и = 1/Т и их длительность t_и подбирают так, чтобы каждым импульсом сбрасывать одну каплю.

Управление переносом при наличии технологических коротких замыканий каплями на ванну, которые наблюдаются при сварке покрытыми электродами и механизированной сварке в углекислом газе, наталкивается на серьезные технические трудности. В этом случае процесс плавления электрода имеет не столь регулярный характер, а капля, как правило, несоосна электроду, так что импульс тока может привести к выбрасыванию ее за пределы ванны. С появлением быстродействующих силовых транзисторов возникла возможность управления процессом переноса, оптимально удовлетворяющего как требованиям снижения разбрызгивания, так и обеспечения устойчивости.

Рассмотрим поэтапно один из примеров такого процесса (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Управление переносом электродного металла при сварке с технологическими короткими замыканиями: а — кинограмма процесса, б — осциллограмма тока

На стадии дугового разряда образуется крупная капля сбоку от оси электрода, а ванна давлением дуги оттесняется из-под электрода. В конце этой стадии предусмотрено снижение тока (пауза) на время t_п = 3-4 мс, при этом реактивное давление паров на каплю снижается, а сама капля приближается к ванне. В начале короткого замыкания в течение t_к1 около 1 мс ток резко снижают, что гарантирует слияние капли с ванной, затем напряжение источника восстанавливают, что приводит к нарастанию тока короткого замыкания в течение t_к2= 2-4 мс и перетеканию капли в ванну. В конце стадии короткого замыкания в течение t_к3 = 1 мс ток снова снижают, что обеспечивает разрыв перемычки между каплей и электродом без газодинамического удара. Вслед за этим напряжение источника восстанавливают или даже кратковременно повышают для надежного повторного зажигания дуги. Такое управление переносом при сварке в углекислом газе позволяет существенно снизить разбрызгивание при высокой устойчивости процесса.

← Трехфазная дуга

Управление формированием сварного шва →

Управление формированием сварного шва

При дуговой сварке для управления размерами шва — глубиной проплавления, шириной валика, высотой усиления — настраивают силу тока, напряжение дуги и скорость сварки. Дополнительно при ручном ведении процесса с этой же целью используют манипуляции электродом. При увеличении тока пропорционально возрастает глубина проплавления, существенно увеличиваются доля участия электродного металла в шве и высота усиления. При увеличении напряжения растет ширина шва. От источника зависят также и некоторые качественные характеристики шва. При низких надежности зажигания и устойчивости процесса дуга горит с частыми и длительными перерывами, в результате образуется неровный шов с непроварами, перетяжками и включениями оксидов и шлака. Например, при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием обрыв дуги длительностью более 0,3 с уже приводит к образованию пор в шве. При устойчивом, но нестабильном процессе дефекты формы не столь значительны, но все же заметны. Они обнаруживаются при отклонении тока и напряжения длительностью более 1 с.

Программное управление отдельными стадиями процесса сварки (рис. 2.31) предполагает задание длительности нарастания тока t_нар в начале и длительности спада t_спад в конце сварки. Плавное нарастание тока в начале бывает полезно при механизированной сварке тонкого металла, чтобы предотвратить начальный прожог при медленном разгоне сварочного аппарата. Но иногда, наоборот, выполняют горячий пуск на повышенном токе для интенсификации плавления электродного и основного металла, чтобы получить полноценный шов с самого начала сварки. Плавное снижение тока в конце сварки используется особенно широко с целью постепенного заполнения кратера шва при механизированной сварке. Иногда в источнике заранее настраивают два (I_д1, I_д2) или более различных режимов, с тем чтобы в процессе сварки быстро перейти от одного из них к другому. Такая необходимость возникает при изготовлении изделий из заготовок разных толщин и сварке в различных пространственных положениях. Иногда циклограмму, т. е. график программного управления, наносят непосредственно на пульте источника, как это и показано на рис. 2.31, располагая регуляторы тока и времени вблизи от соответствующих участков циклограммы, что существенно облегчает настройку.

Рис. 2.31. Циклограмма процесса дуговой сварки

Сварка пульсирующей дугой рекомендуется для соединения деталей малой толщины при использовании покрытых и неплавящихся электродов. В отличие от импульсно-дуговой сварки с управляемым переносом, здесь импульсы имеют вид, позволяющий управлять формированием шва, например, на весу (рис. 2.32,б). За время импульса на изделии образуется круглая ванночка небольших размеров, металл которой в течение паузы успевает закристаллизоваться. Параметры импульса подбираются так, чтобы обеспечить полное проплавление без прожога изделия, а параметры паузы так, чтобы гарантировать перекрытие ванночек для получения сплошного шва (рис. 2.32,а).

Рис. 2.32. Формирование шва (а) и ток (б) при сварке пульсирующей дугой

Кроме сварки тонкого металла, пульсирующая дуга используется также при выполнении вертикальных и потолочных швов, где четкое дозирование энергии предотвращает стекание сварочной ванны.