CC BY
161
УДК 621.791.754
Ильященко Дмитрий Павлович
Юргинский технологический институт Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Юрга
Заместитель заведующего кафедрой Сварочного производства
E-Mail: [email protected]
Васильев Владимир Иванович
Юргинский технологический институт Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Юрга Доцент E-Mail: [email protected]
Брунов Олег Г енадьевич
Юргинский технологический институт Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Юрга Кандидат технических наук, доцент E-Mail: [email protected]
Динамические этапы процесса зажигания дуги при сварке в защитных газах
Аннотация: В статье проанализированы этапы процесса зажигания дуги при сварке в защитных газах. Процесс зажигания дуги можно условно разделить на три этапа. Во время первого возникает разность потенциалов между электродной проволокой и изделием, этот этап включение источника питания. Во время второго происходит замыкание электродной проволоки с изделием, что приводит к испарению микровыступов сварочной проволоки и изделия, это приводит к ионизации межэлектродного промежутка. Третий этап характеризуется установлением стабильного горения сварочной дуги. В результате проделанной работы было, определено используя осциллограммы, что стабильное зажигание дуги, связано с длиной вылета электродной проволоки и скоростью начального контакта проволоки со сварным изделием. Экспериментально установлено, что чем короче вылет, тем стабильнее зажигание сварочной дуги, а также рекомендуется в начальный момент увеличивать скорость движения проволоки для разрушения окисной пленки на торце электрода. Выработаны практические рекомендации по выбору параметра вылета электродной проволоки (для импульсной и непрерывной подачи сварочной проволоки) для наиболее используемых диаметров, для стабильного зажигания сварочной дуги.
Ключевые слова: Процесс зажигания; импульсная подача; сварочная проволока; длина вылета; скорость начального контакта; скорость движения проволоки; механизированная сварка; осциллограммы; ионизации дугового промежутка; стабильного горения сварочной дуги.
Идентификационный номер статьи в журнале 181TVN613
Dmitry Il’yaschenko
Yurginskij Technological Institute Branch of National Research Tomsk Polytechnic University
Russia, Jurga E-Mail: [email protected]
Vladimir Vasiliev
Yurginskij Technological Institute Branch of National Research Tomsk Polytechnic University
Russia, Jurga E-Mail: [email protected]
Oleg Brunow
Yurginskij Technological Institute Branch of National Research Tomsk Polytechnic University
Russia, Jurga E-Mail: [email protected]
Dynamic process steps arc stats in gas shielded welding
Abstract: The paper analyzes the stages of the process of ignition arc welding in shielding gases. Arc ignition process can be divided into three stages. During the first potential difference between the wire electrode and the workpiece, this stage of switching power supply. During the second electrode wire circuit occurs with the product, which leads to evaporation of microprotrusions welding wire products and this leads to the ionization of the interelectrode gap. The third stage is characterized by the establishment of a stable welding arc. As a result of this work was assessed using the waveform that a stable arc ignition , due to the departure of the electrode wire length and the speed of the initial contact with the wire welded products . Experimentally found that the shorter the fly , the more stable arc ignition , as well as recommended at the initial time to increase the speed of the wire for the destruction of the oxide film on the face of the electrode. Practical recommendations on the choice of the parameter departure electrode wire (for pulsed and continuous wire feed ) for the most used sizes for a stable arc ignition .
Key words: Ignition process; pulsing; welding wire; the length of departure; initial contact speed; wire speed; mechanized welding waveform ionization arc gap; stable welding arc.
Identification number of article 181TVN613
При механизированных способах сварки зажигание дуги и установление процесса горения являются важнейшими этапами дугового процесса необходимого для формирования качественного сварного шва [1], так как от них зависит не только начало его формирования, но и расход электродной проволоки, а в конечном итоге себестоимость сварной конструкции, что особенно важно при выполнении коротких и прерывистых швов. Эти требования особенно актуальны в настоящее время, когда увеличивается доля сварных швов в щелевую разделку, которая требует производить зажигание и ведение сварки при повышенном вылете электродной проволоки.
Процесс зажигания дуги можно условно разделить на три этапа [1,2]. Во время первого возникает разность потенциалов между электродной проволокой и изделием, этот этап -включение источника питания. Во время второго происходит замыкание электродной проволоки с изделием, что приводит к испарению микровыступов сварочной проволоки и изделия, это приводит к ионизации межэлектродного промежутка. Третий этап характеризуется установлением стабильного горения сварочной дуги.
Наибольшее значение, при механизированной сварке в активных газах, для зажигания дуги имеет второй этап. От него зависит, начало формирования сварного шва и длительность времени установления стабильного процесса горения сварочной дуги.
Существует два способа повышения скорости ионизации дугового промежутка [1,2]:
а) предварительная подготовка торца электрода;
б) изменение скорости подачи электродной проволоки.
Рассмотрим четыре возможных варианта первоначального зажигания сварочной дуги при сварке в СО2 на заданной скорости подачи сварочной проволоки в зависимости от подготовки торца и вылета электродной проволоки до начала сварки. Все четыре варианта зажигания сварочной дуги приведены на осциллограммах.
При первом варианте, зажигание дуги проводится с застывшей каплей на торце электродной проволоки, оставшейся от предыдущего процесса сварки и при большом вылете электродной проволоки, то есть Vs > 10,
где ! - длина вылета электродной проволоки,
s - площадь ее сечения.
Рис. 1. Осциллограмма сварочного тока при зажигании сварочной дуги (ё = 1.2мм, I = 210А, I = 15мм, с каплей на торце)
Как видно из осциллограммы (рис. 1) в данном случае установившийся процесс начинается только после двукратного обрыва дуги, что характеризует не удовлетворительное зажигание сварочной дуги.
Во втором варианте зажигание дуги происходит так же с оставшейся каплей на торце электродной проволоки, но при малом вылете, то есть когда он снижается до значений і^ < 10.
Рис. 2. Осциллограмма сварочного тока при зажигании сварочной дуги (ё = 1.2мм, I = 210А, I = 10мм, с каплей на торце)
Как видно из осциллограммы, представленной на рисунке 2 в данном случае установившийся процесс начинается после однократного обрыва дуги, что характеризует удовлетворительное зажигание сварочной дуги.
В третьем варианте зажигание дуги вновь совершается при большом вылете электродной проволоки Vs > 10, но с механически очищенным торцом проволоки, произведенном путем обрезки капли.
Рис. 3 Осциллограмма сварочного тока при зажигании сварочной дуги (ё = 1.2мм, I = 210А, I = 15мм, с обрезанным торцем)
Как видно из осциллограммы (рис. 3) в данном случае установившийся процесс также начинается после однократного обрыва дуги, что характеризует удовлетворительное зажигание сварочной дуги.
В четвертом варианте зажигание сварочной дуги предусматривает малый вылет электрода с механически очищенным торцом проволоки, произведенном путем обрезки капли.
Рис. 4 Зажигание сварочной дуги (ё = 1.2мм, I = 210А, I = 10 мм, с обрезанным торцем)
В данном случае из осциллограммы (рис. 4) видно, что установившийся процесс начинается без обрыва дуги, что говорит о хорошем зажигание сварочной дуги.
В первом варианте, как видно из осциллограммы (рис. 1), зажигание сварочной дуги сопровождается двойным отгоранием со взрывом части электрода и после третьего контакта началом процесса. Второй (рис. 2) и третий (рис. 3) вариант подразумевают удовлетворительное зажигание дуги с началом процесса после второго контакта. И только четвертый вариант (рис.4) подразумевает зажигание сварочной дуги после первого контакта. Если сравнить условия зажигания дуги при этих вариантах с точки зрения основных различий
в выделении энергии, то следует обратить внимание на сопротивление вылета между токоподводящим наконечником и изделием, которое состоит из следующих составляющих:
а) сопротивления между наконечником и проволокой R^-пр.;
б) сопротивления самого вылета электродной проволоки R^.;
в) сопротивления между проволокой и изделием R^.-ro.. То есть общее
сопротивление равно
R = К.-пр. + Кпр. + Кр.-из. (1)
В зависимости от сопротивления и времени протекания тока по закону Джоуля - Ленца изменяется энергия, выделяющаяся на данном участке проволоки, следовательно, учитывая, что отгорание вылета электрода или зажигание сварочной дуги зависит от места наибольшего выделения тепла от места максимального сопротивления зависит начало процесса. Поэтому общее количество теплоты и количество теплоты на каждом участке может быть найдено из выражения
h
Q = J12 • (Ru„пр. + Кпр. + Кпр„из.) • t • dt (2)
t0
Сделав допущение, что во всех вариантах зажигания сопротивление между
токоподводящим наконечником и проволокой R^-пр = const рассмотрим остальные в их совокупности. Несмотря на то что, у первого и третьего, второго и четвертого варианта попарно сопротивления проволоки R^. имеет одинаковое значение, все же наблюдается большое различие в скорости установления стабильного процесса. Следовательно, основное значение в зажигании сварочной дуги и установления процесса сварки приобретает значение сопротивления между проволокой и изделием R^.-ro. В первом и втором вариантах на торце проволоки имеется оставшаяся от предыдущего процесса сварки капля, покрытая при остывании окисной пленкой. Поэтому при зажигании сварочной дуги с каплей необходимо, учитывать следующие моменты: застывшая капля на торце электрода при приложенном усилии, которое на практике не бывает строго перпендикулярным, вызывает ее скольжение по изделию, что приводит к изгибу проволоки и дальнейшему увеличению длины вылета и соответственно к повышению его сопротивления R^.. Это в свою очередь вызывает увеличение нагрева вылета электрода и тем самым уменьшает коэффициент пропорциональности (модуль Юнга); удельное сопротивление между окисной пленкой и изделием выше, чем обрезанным торцем проволоки и изделием, поэтому, достигнув температуры плавления, проволока перегорает с взрывом в районе токоподвода, так как после разрушения окисной пленки происходит пригорание проволоки с изделием и в месте скользящего контакта между токоподводом и проволокой имеется более высокое сопротивление и, следовательно, на этом участке происходит большее выделение энергии. Разогретый после отгорания торец соприкасаясь с изделием вызывает первичную ионизацию межэлектродного промежутка. Если дуга не загорелась, то процесс повторяется.
Из выше сказанного следует, что для предупреждения отгорания необходимо: предотвратить проскальзывание проволоки по поверхности изделия, чтобы не позволить увеличить сопротивление вылета; устранить наличие окисной пленки.
Устранить проскальзывании при сварке с постоянной подачей сварочной проволоки, можно используя хороший подающий механизм; при сварке с импульсной подачей проволоки
- регулировкой касания проволоки с изделием [3].
Убрать окисную пленку с торца электрода механическим путем можно тремя способами [4]:
Второй путь удаления окисной пленки исследован во втором (рис. 2) и четвертом вариантах (рис. 4) и результате такого удаления получены удовлетворительно о хорошее зажигание дуги, но увеличивают расход электродной проволоки и трудоемкость процесса сварки. Поэтому наиболее рационально найти способ разрушения окисной пленки путем силового воздействия на проволоку.
В этом случае для разрушения окисной пленки необходимо приложить к проволоке определенное усилие. Для расчета этого усилия представим вылет электрода, как гибкий деформируемый стержень.
При соприкосновении проволоки с изделием (до зажигания дуги) усилие создаваемое движением проволоки можно рассматривать, как случай внезапного приложения нагрузки к стержню (вылету электрода), когда приложенная сила F = ти2/2, прикладывается внезапно и остается постоянной. Для определения прогиба проволоки при приложении нагрузки воспользуемся дифференциальным уравнением динамического нагружения стержня (проволоки) [5]:
где п - число прогибов;
Р1 - конечный прогиб, м;
Р - осевая сила приложенная к проволоке, Н;
Рэ - Эйлерова сила, Н;
tk - безразмерный параметр времени, равный 2лЧ/Т,
где Т - период колебаний, с-1 ;
Р0 - начальный прогиб, м.
Для решения уравнения (3) принимаем следующие начальные условия: сделав допущение, что сварочная проволока полностью выпрямлена, зададим начальный прогиб проволоки равным нулю; число прогибов равно единице. Эйлерова сила в зависимости от вылета проволоки равна:
а) механическим инструментом (напильником, наждачным полотном);
б) обрезанием торца электродной проволоки;
в) разрушением пленки путем силового воздействия (ударом или давлением).
(3)
(4)
J - осевой момент поперечного сечения проволоки, где ! - длина вылета, м.
Рассмотрим случай, когда соотношение Р/Рэ < 1. Тогда с учетом начальных условий уравнение (3) примет следующий вид:
+ о2 • Д1 — Д
(5)
где ю - угол прогиба, м
ю2 =
С учетом этого уравнение (3) примет вид:
і - Р.
Ро
о
(6)
Исходя из начальных условий, прогиб проволоки можно найти по формуле:
ґ \
Д —
і
і
л Р Р л
і — -1
Р Р
ООБО • Ґ,,
До
(7)
V Э J
то есть при заданных начальных условиях происходят собственные колебания проволоки около положения равновесия.
При начальных условиях, когда Р/Рэ > 1, уравнение (3) принимает вид
/2
^ В1 О2 В — В В— В"
где О - темп возрастания прогиба, м. Тогда прогиб становится, равным
/ Л
(8)
Д
1 1
— • ск •□• хк - р
Р
Д
(9)
Э у
то есть при данных условиях колебания становятся невозможными. Поэтому для стабильного зажигания дуги с застывшей каплей на торце электрода необходимо чтобы усилие, приложенное к проволоке, обеспечивало разрушение окисной пленки, а проволока при этом не теряла устойчивость. Оба эти условия обеспечиваются в случае, когда Р =Рэ. Тогда скорость подачи проволоки можно определить из начальных условий, приняв F =Р, тогда:
V —
ж2•d2•Е
8 • I • р
(10)
где р - плотность металла кг/м3.
Следовательно, для стабильного зажигания сварочной дуги необходимо определить параметры, которые зависят от диаметра электродной проволоки и вылета электрода. Основными являются два из них, это сила, требуемая для разрушения окисной пленки и необходимая для этого начальная скорость подачи электродной проволоки. Сделав допущение, что движение проволоки направлено перпендикулярно изделию рассчитаем необходимое усилие для разрушения окисной пленки и скорость подачи проволоки, при которой не происходит изгиб вылета электродной проволоки. Усилие и начальная скорость для часто используемых диаметров и различных длин вылета сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Требуемые усилия и скорость для стабильного зажигания дуги в зависимости от диаметра проволоки и вылета электрода [7,8,9]
dэл, мм L, мм Р, Н и,м/час
10 0.002 675
1.2 15 0.003 450
20 0.004 337
14 0.0089 643
1.6 18 0.0114 500
22 0.14 409
Как видно из таблицы 1, для разрушения окисной пленки (стабильного зажигания сварочной дуги) при повышенном вылете электродной проволоки необходимо снижать начальную скорость ее подачи по сравнению с рабочей скоростью. А при нормальном вылете электродной проволоки хорошее зажигание дуги (полное разрушение окисной пленки) возможно при увеличенной скорости подачи электродной проволоки, но при такой скорость подачи проволоки возрастает значение силы тока, которое можно найти из выражения [9].
^1Л6^ + (11)
где d - диаметр проволоки, мм. Тогда, учитывая значения скорости движения проволоки, приведенные в таблице 1, сила тока будет равна значениям, приведенным в таблице 2.
Таблица 2
Зависимость значений сварочного тока от требуемых начальных значений подачи сварочной проволоки [9]
dэл, мм L, мм и,м/час
10 675 236
1.2 15 450 232
20 337 180
14 643 455
1.6 18 500 391
22 409 346
Параметры, приведенные в таблице 2 начальных значений сварочного тока, при зажигании дуги с нормальным вылетом электрода, приведут к нарушению техпроцесса и ухудшению начального формирования сварного шва. Следовательно, для первоначального зажигания сварочной дуги необходимо задать такую скорость только в начальный момент, то есть поддать импульс для разрушения окисной пленки. Такой характер имеет процесс
зажигания дуги при сварке с импульсной подачей сварочной проволоки. Таким образом, с точки зрения управления технических систем процесс зажигания дуги при сварке с импульсной подачей сварочной проволоки является более качественным, так как время переходного процесса для установления стабильного горения сварочной дуги в два раза короче.
Выводы
В результате проделанной работы было определено, что стабильное зажигание дуги, связано с длиной вылета электродной проволоки и скоростью начального контакта проволоки со сварным изделием. Экспериментально установлено, что чем короче вылет, тем стабильнее зажигание сварочной дуги, а также рекомендуется в начальный момент увеличивать скорость движения проволоки для разрушения окисной пленки на торце электрода. В таблицах 1 и 2 приведены рекомендуемые параметры вылета электродной проволоки для наиболее используемых диаметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. - М.: Машиностроение, 1989. - 264 с.
2. Брунов О.Г. Динамические процессы, возникающие при зажигании сварочной дуги в активных газах. // IV Международная научно-техническая конференция. «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск. - 2002. - С. 139-140/
3. Федько В.Т., Брунов О.Г., Соколов П.Д. Сварка с импульсной подачей сварочной проволоки как частный случай импульсно-дуговой сварки. // Сварочное производство. - 2006. - №7. - С.6 - 8.
4. Вольмер А.С. Устойчивость деформируемых систем. - М.: Наука, 1967. - 984с.
5. Справочник по сопротивлению материалов. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. - Киев: Наукова думка, 1988. - 736с.
6. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. - М.: Высшая школа, 1990. - 607с.
7. Федько В.Т. Дуговая сварка плавлением. Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1994. - 240с.
8. Ильященко Д.П., Васильев В.И. Разработка этапов технологии при дуговой сварке плавлением. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008.-96 с.
9. Исследование, разработка и внедрение сварки в CO2 c импульсной подачей сварочной проволоки: автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.: специальность 05.03.06 / Брунов Олег Геннадьевич; [Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН]. - Томск: 2000. - 24 с.: ил.; 21 см.
Рецензент: Сапожков Сергей Борисович, Юргинский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Россия, Юрга, и.о. зав. кафедрой ЕНО, доктор технических наук, доцент.
REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8. 9.
Lenivkin V.A., Djurgerov N.G., Sagirov H.N. Tehnologicheskie svojstva svarochnoj dugi v zashhitnyh gazah. - M.: Mashinostroenie, 1989. - 264 s.
Brunov O.G. Dinamicheskie processy, voznikajushhie pri zazhiganii svarochnoj dugi v aktivnyh gazah. // IV Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija. «Dinamika sistem, mehanizmov i mashin». Omsk. 2002. S. 139-140/
Fed'ko V.T., Brunov O.G., Sokolov P.D. Svarka s impul'snoj podachej svarochnoj provoloki kak chastnyj sluchaj impul'sno-dugovoj svarki. // Svarochnoe proizvodstvo.
- 2006. №7. - S.6 - 8.
Vol'mer A.S. Ustojchivost' deformiruemyh sistem. M.: Nauka, 1967. 984s.
Spravochnik po soprotivleniju materialov. Pisarenko G.S., Jakovlev A.P., Matveev V.V. - Kiev: Naukova dumka, 1988. - 736s.
Nikitin N.N. Kurs teoreticheskoj mehaniki. M.: Vysshaja shkola, 1990. - 607s.
Fed'ko V.T. Dugovaja svarka plavleniem. Uchebnoe posobie. - Tomsk: Izd. TPU, 1994. 240s.
Il'jashhenko D.P., Vasil'ev V.I. Razrabotka jetapov tehnologii pri dugovoj svarke plavleniem. Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2008.-96 s.
Issledovanie, razrabotka i vnedrenie svarki v CO2 c impul'snoj podachej svarochnoj provoloki: avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni k.t.n.: special'nost' 05.03.06 / Brunov Oleg Gennad'evich; [In-t fiziki prochnosti i materialovedenija SO RAN]. - Tomsk: 2000. - 24 s.: il.; 21 sm.
