6.3. Источники для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом Особенности горения дуги и требования к источникам питания

Управляемый перенос электродного металла может быть реализован посредством модулирования сварочного тока с помощью источника (рис. 6.33).

Механизм переноса электродного металла показан на рис. 6.33, а. Капля расплавленного металла на электроде находится под действием нескольких сил. Сила тяжести F_Т направлена вниз, она зависит от диаметра капли d_К . Сила реактивного давления F_р паров испаряющегося металла отбрасывает каплю от ванны. Сила поверхностного натяжения F_п стремится уменьшить поверхность капли и поэтому препятствует ее отделению. Электродинамическая сила F_э вызвана искривлением линий тока и пропорциональна квадрату силы тока, ее радиальная составляющая F_эр 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. 6.33, 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 (d_К < d_Э). Если ток увеличить значительно, то 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 (d_К < 0,5d_Э), 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.

Рис. 6.33. Управление переносом электродного металла: а – силы, действующие на каплю электродного металла; б – зависимость частоты переноса и размеров капли от силы тока; в – осциллограмма тока при импульсно-дуговой сварке

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 вещества для снижения сил поверхностного натяжения и используют аргон и его смеси вместо активных газов, таких, как углекислый газ. 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.

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне выполняется при подаче мощных пиковых импульсов тока (рис. 6.33, 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 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 – величину, обратную периоду их следования Т (f_и = 1/Т) – 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. В разделе 1.5 были перечислены приемы снижения разбрызгивания при сварке в углекислом газе (снижение U₀, увеличение L_и и ρ_и), причем некоторые из этих приемов ухудшают устойчивость процесса. Однако с появлением быстродействующих силовых транзисторов возникла возможность управления процессом переноса, оптимально удовлетворяющего как требованиям снижения разбрызгивания, так и обеспечения устойчивости.

Рассмотрим последовательно все этапы такого процесса. В конце стадии дугового разряда предусмотрено снижение тока (пауза) до значения I_п, при этом реактивное давление паров на каплю снижается, а сама капля приближается к ванне. В начале короткого замыкания в течение t_кн = 1–3 мс ток резко снижают путем уменьшения напряжения источника, что гарантирует слияние капли с ванной, затем напряжение источника восстанавливают, что приводит к нарастанию тока короткого замыкания в течение t_к = 5–10 мс и перетеканию капли в ванну. В конце стадии короткого замыкания в течение t_кк = 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. В этом случае при сварке в углекислом газе удается существенно снизить разбрызгивание при высокой устойчивости процесса.

Некоторые характеристики качества сварного шва прямо или косвенно зависят от свойств источника. Таковы количественные – глубина провара, ширина шва, высота усиления и качественные характеристики – подрезы, включения, чешуйчатость. При низких надежности зажигания и устойчивости процесса дуга горит с частыми и длительными перерывами, в результате образуется неровный шов с непроварами, перетяжками и включениями окислов 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. Приемы повышения устойчивости и стабильности режимов сварки рассмотрены выше, поэтому в данном разделе подробно рассматривается как раз противоположная проблема – программного изменения параметров режима с целью управления размерами шва.

Программное управление отдельными стадиями процесса сварки (рис. 6.32) 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 трогании сварочного аппарата. Плавное снижение тока в конце сварки используется особенно широко с целью постепенного заполнения кратера шва при механизированной сварке неплавящимся электродом. Иногда в источнике заранее настраивают два (I_д1, I_д2) или более различных режимов, с тем, чтобы в процессе сварки быстро перейти от одной ступени к другой. 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, располагая регуляторы тока и времени вблизи от соответствующих участков циклограммы, что существенно облегчает настройку (рис. 6.34).

Рис. 6.34. Циклограмма процесса дуговой сварки

Способ механизированной сварки плавящимся электродом в аргоне и его смесях с модулированием тока получил название импульсно-дуговой сварки. Главным достоинством импульсно-дуговой сварки является возможность в 2–3 раза уменьшить нижний предел тока, при котором еще обеспечивается мелкокапельный перенос, и, следовательно, сваривать металл сравнительно малой толщины без опасности прожога и недопустимого разбрызгивания. Поскольку импульсный ток гарантирует направление переноса капли вдоль оси электрода, это облегчает сварку в вертикальном положении.

Типы импульсных источников, получившие наибольшее распространение — это приставки с емкостным накопителем энергии, тиристорные источники, источники с полупроводниковыми коммутаторами, инверторные источники. Первые генераторы импульсов (рис. 6.35) являлись приставками с конденсаторной батареей С, питающими дугу параллельно с основным источником G. В одном из полупериодов переменного тока батарея запасается энергией от трансформатора T через зарядный вентиль VD. В другом полупериоде открывается тиристорный ключ VS и батарея разряжается импульсом на дугу. Форма импульса – затухающая синусоида или экспонента, частота импульсов фиксирована – 50 Гц. Энергия импульса (одновременно ток и время) настраивается ступенчато изменением емкости конденсаторной батареи или напряжения зарядного трансформатора.

Рис. 6.35. Упрощенная схема (а) и осциллограмма импульсного тока (б) при использовании приставки с емкостным накопителем энергии

Более совершенны импульсные приставки с тиристорным выпрямительным блоком (рис. 6.36).

а) б)

Рис. 6.36. Упрощенная схема (а) и осциллограмма импульсного тока (б) при использовании тиристорной приставки

В одном из полупериодов импульсный ток идет по цепи Т–VS1 –дуга–VD1–Т. Тиристор VS1 отпирается на спаде полуволны переменного тока, поэтому импульс имеет форму отрезка синусоиды. При уменьшении угла управления тиристора увеличивается амплитуда и длительность импульса. При работе одного тиристора частота импульсов 50 Гц, при поочередном включении двух тиристоров – 100 Гц. Частоту можно снизить до 25 и 33 Гц, если отпирать тиристоры реже, чем раз в период. При использовании трехфазного трансформатора легко получить импульсы с частотой 150 Гц. На основе тиристорного блока может быть выполнен комбинированный источник, обеспечивающий и базовый, и импульсный ток.

Последним достижением в разработке импульсных источников является конструкция с транзисторным или тиристорным коммутатором (рис. 6.37). Транзистор VT управляет током выпрямителя V, обеспечивая необходимый ток и в импульсе, и в паузе. Закон изменения сварочного тока определяется характером тока базы транзистора (не путать с базовым сварочным током). Ток базы, в свою очередь, сформирован слаботочной системой управления с широкими возможностями раздельной настройки импульсного и базового тока, а также времени импульсов и периода их следования. Таким образом, частота импульсов может настраиваться плавно в диапазоне от 20 до 200 Гц. При этом частота может меняться даже в процессе сварки, например, при изменении толщины детали и силы тока (рис. 6.35, б). Импульс может иметь различную форму — прямоугольную, экспоненциальную с регулируемой скоростью нарастания и спада тока, ступенчатую и т.д. (рис. 6.35, в).

а) б) в)

Рис. 6.37. Упрощенная схема (а), осциллограмма (6) и форма импульсов (в) источника с транзисторным коммутатором

Перспективны также высокочастотные источники, обычно они создаются на базе инверторного выпрямителя (см. рис. 6.6). Сбрасывание капли может выполняться кратковременным увеличением амплитуды высокочастотного тока (см. рис. 6.67, в). Чаще импульс получают кратковременным увеличением частоты инвертирования (см. рис. 6.6, г). Поскольку в этом случае на высокую регулярную частоту (1–30 кГц) накладывается низкая частота сбрасывающих импульсов 20–200 Гц, такой прием называют двойным модулированием тока.

Требования к источникам для импульсно-дуговой сварки в аргоне и его смесях сформулированы довольно четко. Ток импульса I_и для надежного сбрасывания капли должен превышать критический ток I_кр, соответствующий мелкокапельному переносу. При сварке проволокой от 0,8 до 2,5 мм он настраивается на уровне 200–1500 А. Длительность импульса должна регулироваться от 1 до 10 мс. Для того чтобы обеспечить принцип «один импульс на одну каплю», желательно стабилизировать энергию импульса или пропорциональную ей величину . Например, при сварке алюминиевых сплавов эта величина должна быть 180–280 А²·с, а при сварке сталей – 500–1000 А²·с. Частота импульсов f_и должна настраиваться от 20 до 200 Гц, иногда ограничиваются легко достижимыми величинами 50 и 100 Гц. Соотношение между периодом следования импульсов Т = 1 / f_И и их длительностью t_и может достигать значения T / t_и = 10.

Базовый ток I_б существенно ниже тока импульса. Среднее значение тока I_ср = (I_иt_и + I_бТ) / T назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве, средний ток настраивается изменением скорости подачи электродной проволоки. В этих условиях независимая настройка базового тока затруднена. Стремятся только, чтобы он не упал ниже значения 50–100 А, при котором заметно снижается устойчивость процесса.

Внешние характеристики источников базового 1 и импульсного 2 тока различны (рис. 6.38). Рассмотрим их совместно с характеристикой дуги 3 при ее нормальной длине, а также при короткой (l_дmin) и длинной (l_дmax) дуге. Источник базового тока должен иметь жесткую или пологопадающую характеристику 1, с тем чтобы при колебаниях длины дуги отклонения тока от точки А к А₁ или А₂ были значительными, что и обеспечивает высокое быстродействие процесса саморегулирования. Но при малых токах для повышения усточивости горения дуги при ее удлинении до l_дmax (точка А₂) нужно увеличение напряжения, что достигается применением крутопадающего участка 1'.

Рис. 6.38. К выбору внешних характеристик импульсного источника

В целом характеристика базового тока имеет L-образный вид. Источник импульсного тока должен иметь характеристику 2 с основным вертикальным участком, в этом случае при колебаниях длины дуги в точках В и В₁ обеспечивается стабильность тока и энергии импульса. В то же время при чрезмерном удлинении дуги до l_дmax нежелательно сбрасывание капли каждым импульсом, поэтому полезно уменьшение тока импульса в точке В2 благодаря наличию жесткого участка 2'.

В целом характеристика импульсного тока должна иметь -образную форму.

Требования к источнику для сварки с управляемым переносом в углекислом газе существенно сложней. На рис. 1.12, г был приведен один из возможных алгоритмов управления переносом с короткими замыканиями, а выше указаны рекомендованные длительности отдельных интервалов. Реализация этих требований возможна только при использовании быстродействующих транзисторных или инверторных источников.