МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНЖЕНЕР-СВАРЩИК

Анализ параметров пульсации тока и параметров переноса электродного металла

Как было сказано выше, при этом методе управления переносом металла ток принудительно изменяется между током базы и током импульса. При этом надо учи­тывать, что сварочный источник питания не может мгновенно менять выходной ток; скорость его изменения определяется динамическими характеристиками источни­ка питания. Динамика источника питания оказывает существенное влияние на про­цесс формирования и отрыв капли, в первую очередь, через форму импульса тока (Рис. 1.8.27). Установлено, что капли становятся меньше при использовании источ­ники питания, обеспечивающего более высокую скорость изменения тока. Одним из объяснений этому является влияние физического удара возникающего в столбе дуги при резких изменениях тока сварки.

Как было указано выше, амплитуда импульса тока 1и должна быть выше кри­тического тока, однако она не должна быть слишком высокой. В противном случае перемычка жидкого металла между отделяющейся каплей и торцом электрода будет взрываться электромагнитной силой, что приведёт к увеличению разбрызгивания электродного металла.

Длительность импульса tu определяет число капель, которые могут быть сформированы и перенесены за время импульса тока. Если длительность импульса велика, то за время импульса отделяется много капель (тип переноса упоминаемый ниже по тексту как БОКИ - Больше Одной Капли за Импульс). Иногда перенос этого типа принимает форму струи мелких капель, как показано на Рис. 1.8.28. Столкнове­ния этих мелких капель, летящих с большими скоростями, с поверхностью свароч­ной ванны может приводить к образованию пальце-образной формы проплавления, которая ассоциируется с низкими механическими характеристиками сварного шва.

Стальная малоуглеродистая электродная проволока; 0-1.0 мм; Аг+8%СОг; /„ = 300 A; tu - 6,0 мс; 16 = 70 A; t6 = 10 мс; V„nfi = 6.0 м/мин; Vм = 28 см/мин; вылет электрода -18 мм

При слишком малой длительности импульса tu для формирования и переноса одной капли будет требоваться воздействие нескольких импульсов тока, то есть бу­дет наблюдаться перенос Меньше Одной Капли за Импульс (МОКИ), который также является нежелательным, так как является типом переноса с низкой регулярностью и управляемостью.

Таким образом, из этого анализа следует, что оптимальным является такой пе­ренос металла, когда за каждый импульс тока формируется и переносится лишь од­на капля электродного металла (ОКИ), как это показано. Рекомендует­ся устанавливать такие параметры импульса тока (амплитуду и длительность), что­бы диаметр переносимых капель был близок к диаметру электрода Параметры ИДС, при которых обеспечивается перенос типа ОКИ, могут быть определены для любого диаметра и типа электродной проволоки и состава защитно­го газа. Амплитуда 1и и длительность tu импульса для условий переноса ОКИ связаны между собой следующей зависимостью:

Стальная малоуглеродистая электродная проволока, 0-1,0 мм; Аг+8%СОг; /« = 340 A; tu =

3.2 мс; 1б = 70 А: (б = 10 мс; Vnnp = 5.1 м/мин; Vee = 28 см/мин; вылет электрода -18 мм.

Га и = D,

где: D - постоянная переноса, ап- числовой коэффициент.

Значения D и п зависят от диаметра и типа электродной проволоки и от состава защитного газа. Для малоуглеродистой электродной проволоки диаметром 1,2 мм и защитной газовой смеси Аг+5%СОг значение п обычно изменяется в пределах 1,1 ... 2,0, в то время как значение D рекомендовано выбирать из диапазона от 400 до, 500 А2

Значения 1и и tu для переноса типа ОКИ обычно представляются в виде графика /ц х tu (Рис. 1.8.30), который может быть в дальнейшем использован для предвари тельной установки параметров ИДС. Как это видно из Рис. 1.8.30, диапазон длительностей импуль­са обеспечивающих перенос типа ОКИ достаточно узок. Хотя является общеприня­тым мнение о том, что ток базы /б только поддерживает горение ду­ги, не приводя к расплавлению электрода и формированию кап­ли, исследования показывают, что размеры капель электрода могут существенно зависеть от ампли­туды и длительности тока базы.

Время от начала импульса тока до срыва первой капли является достаточно нестабильным параметром, что имеет следующее объяснение. Благодаря интенсив­ному расплавлению электрода при импульсе тока капля растёт очень быстро. До от­рыва капли силы способствующие отделению капли уступают силам, удерживающим каплю на торце электрода (главной среди которых является сила поверхностного натяжения). Отделение капли является результатом естественного и последова­тельного изменения баланса сил. Момент отделения капли от электрода в то же са­мое время является моментом начала формирования капли следующего цикла (при переносе типа ОКИ), т. е., оказывает влияние на особенности формирования сле­дующей капли. Это влияние имеет накопительный характер. Если параметры и ус­ловия процесса ИДС таковы, что объём каэдой переходящей капли меньше объёма металла расплавленного за время цикла импульса, то время от начала импульса то­ка до срыва капли будет постоянно смещаться к началу импульса. Это будет про­должаться до тех пор пока за время цикла тока не будет сформировано и перенесе­но две капли. И напротив, если металла расплавляемого за время цикла недоста­точно для формирования капли, некоторые циклы тока не будут сопровождаться пе­реносом капли. В обоих случаях условия переноса металла типа ОКИ будут потеряны.

Отделение капли может произойти как фазе импульса тока (см. Рис. 1.8.26 и 1.8.28)., так и на фазе базы тока (см. Рис. 1.8.29). Имеются положительные и отри­цательные стороны как для первого, так и для второго случая. От фазы отделения капли (на фазе импульса или на фазе базы) зависит эффективность поддержания длины дуги, характер чешуйчатости сварного шва и его геометрические параметры, в особенности глубина проплавления.

В случае отделения капли на фазе базы ток импульса должен сообщить капле такой момент движения, который был бы достаточен для её отделения от торца электрода. Капля отделяется с минимальными деформациями (будучи почти сфери­ческой) и без образования вторичных мелких капель. Отделение на фазе базы часто рекомендуется для уменьшения разбрызгивания. Кроме этого, оно обеспечивает большую ширину сварного шва, более высокую долю основного металла в металле шва, малое усиление сварного шва, более низкое тепловложение и меньший угол смачивания. Энергия необходимая для отделения капли на фазе базы также мень­ше по сравнению с отделением на фазе импульса, также как и уровень шума дуги. Основанием для последне­го служит то, что фаза ба­зы является спокойной фа­зой цикла импульса тока.

С другой стороны, от­деление капли на фазе ба­зы менее управляемо (ме­нее надежно). Имеется риск, что импульс движе­ния, сообщённый капле электромагнитной силой, не сможет преодолеть силу поверхностного натяжения.

Капля может также вернуться на торец электрода отделившись от него после окончания импульса тока, не получив кинетического импульса в сторону сварочной ванны.

Стапьная малоуглеродистая электродная проволока; 0-1.0 мм; Аг+8%СОг; /0 = 340 А; /„ =

3.2 мс; 16 = 70 A; t6 = 10 мс; Vnnp = 5,1 м/мин; Vce = 28 см/мин; вылет электрода -18 мм.

Отделение капли на фазе импульса тока, кроме лучшей управляемости, обес­печивает более глубокое проплавление, более эффективное поддержание длины дуги, более регулярный перенос капель и более гладкую поверхность сварного шва. Более глубокое проплавление достигается благодаря тому, что капля при отделении на фазе импульса получает под действием аксиальной силы Лоренца высокое уско­рение. Интенсивные соударения капель, летящих с высокими скоростями, с поверх­ностью сварочной ванны способствуют более глубокому проплавлению. Таким обра­зом, отделение капли на фазе импульса тока может быть предпочтительным в слу­чае необходимости увеличения проплавления.

Процесс ИДС имеет большее число параметров для регулировки чем обычный процесс сварки МИГ/МАГ и является более чувствительным к их изменениям, что прямо затрагивает стабильность дуги, регулярность переноса капель, геометриче ские параметры и внешний вид сварного шва. Таким образом, правильный выбор параметров процесса ИДС очень важен для обеспечения желаемого качества свар­ки. Однако, сложная взаимозависимость этих параметров делает очень трудным та­кой выбор, который, обычно, основывается на предварительных вычислениях и впо­следствии корректируется экспериментально. Ниже представлен упрощённый под­ход к предварительному определению параметров процесса ИДС для получения пе­реноса металла типа ОКИ.

При этом, основными параметрами, подлежащими определению, являются скорость подачи электродной проволоки Vnnp, частота импульсов тока fu, а также па­раметры пульсации тока! и, 1б, tu, t&.

Скорость подачи электродной проволоки Vnnp выбирается исходя из требуемого среднего значения тока сварки /св. Это можно сделать на основании графической зависимости тока 1св от скорости Vnnp, как показано на Рис. 1.8.33.

Частота импульсов тока fu может быть опре­делена из условия, что за каждый импульс тока формируется и переносится лишь одна капля электродного металла (тип переноса металла ОКИ), то есть, что за каждый импульс расплавля­ется отрезок электродной проволоки постоянной длины (/?*), что приводит к следующей зависимо­сти между частотой импульсов fu и скоростью по­дачи электродной проволоки Vnnp-

Значение hy определяется на основании следующего анализа Как было указа­но выше, диаметр переходящих капель в условиях ОКИ близок к диаметру элек­тродной проволоки Учитывая то, что объём расплавленного отрезка электродной проволоки, который превратился в каплю, равен объёму этой капли, и то. что эти два тела (отрезок проволоки и капля) имеют форму соответственно цилиндра и сферы, можно составить следующее равенство:

где гэ является радиусом электродной проволоки.

Путём преобразования равенства (1.8.14) можно получить зависимость пара­метра hK от значения г3.

hK=(4/3)r3.

Преобразуя формулу (1.8.13) с учётом уравнения (1.8.15), находим соотноше­ние между fu, Vnnpe Г»:

f З-К „р (мм/с) 1000 У„„„ (м/мин)

80г3 (мм)

Например, для диаметра электродной fu (Гц) проволоки равном 1,2 мм и скорости подачи 6 м/мин частота импульсов тока будет равной 125 Гц.

Зависимость fu = f(Vnnp) может быть пред­ставлена графически для каждого диаметра электродной проволоки, как это показано.

Этот подход к предварительному определению параметров процесса ИДС для получения переноса металла типа ОКИ представлен в графическом виде

Предварительное определение параметров ИДС (пример)

Стальная малоуглеродистая электродная проволока, 0-1,2 мм, Аг+5%02, вылет 20 мм

Предварительно определенные параметры процесса ИДС должны быть уточ­нены посредством опытных сварок с тем, чтобы получить перенос металла типа ОКИ Применение статистического анализа параметров сварки существенно ускоря­ет оптимизацию параметров ИДС Например, на Рис. 1 8.36 показаны кривые тока и напряжения, а также их гистограммы для двух экспериментов с одними и теми же значениями параметров ИДС: длительность импульса тока - 7 мс, частота импульсов

тока - 70 мс, ток базы - 50 А, скорость подачи электродной проволоки - 7 м/мин, стальная малоуглеродистая электродная проволока диаметром 1 мм, защитный газ Аг+8%С02- Единственная разница состояла в типе внешней вольт-амперной характеристики

Сравнение осциллограмм и гистограмм /св и Ue процесса ИДС в случае использо­вания на фазе импульса тока штыковой ВВАХ (вверху) и жесткой ВВАХ (внизу).

источника питания, используемой на фазе импульса тока.

/с (А) I

250 5,

200 150 100 50 0

Uc

30 20

В первом случае использовалась штыковая ВВАХ как на фазе базы, так и на фазе импульса тока. Благодаря этому, как ток базы, так и ток

импульса поддерживались строго постоянными. Гистограммы токов /б и 1и узкие, и значения коэффициента вариации этих параметров низкие.

Во втором случае (см. Рис. 1.8.36, внизу) штыковая ВВАХ использовалась только на фазе базы, в то время как на фазе импульса тока использовалась жёсткая ВВАХ. Такая комбинация типов ВВАХ является типичной для источников питания предназначенных для ИДС. Хорошо видно, что ток базы продолжает оставаться по­стоянным, в то время как ток импульса стал претерпевать существенные изменения.

Каждый из этих двух вариантов сочетаний типов ВВАХ для фаз базы и им­пульса тока имеет преимущества и недостатки с точки зрения характера протекания процесса сварки. Первая комбинация гарантирует стабильность условий переноса металла типа ОКИ, но не может обеспечить функционирование принципа саморегу­лирования дуги, и, как следствие этого, длина дуги может изменяться в широких пределах. Вторая комбинация, напротив, обеспечивает лучшее поддержание посто­янной длины дуги, но не гарантирует сохранения условий переноса металла типа ОКИ из-за изменений амплитуды импульса тока (см Рис. 1.8.36, внизу). Во избежа­нии ситуации, когда ток импульса оказывается ниже уровня критического тока (что как раз и произошло в случае показанном на Рис. 1.8.36, внизу), его значение во второй комбинации типов ВВАХ устанавливается при настройке параметров ИДС значительно выше уровня критического тока.

Обычно, момент отделения капли от торца электрода регистрируется по ха­рактерному всплеску на кривой напряжения. Повышение напряжения вызывается кратковременным увеличением электрического сопротивления в момент вытягива­ния капли и образования быстро утоняющейся шейки жидкого металла, связываю­щей каплю с торцом электрода. Однако, с одной стороны, отделение капли не все­гда сопровождается наличием такого всплеска напряжения, а с другой, он может быть замаскирован шумами. Использование высокоскоростной кино - или видео­съёмки хотя и обеспечивает оптимальные возможности по наблюдению за перено­сом капель электродного металла, не может рассматриваться как альтернатива ме­тоду анализа осциллограмм напряжения дуги из-за того, что для его реализации требуется дорогостоящее, сложное и тяжёлое в использовании оборудование. Ис­пользование датчиков саєтового излучения дуги может быть решением этой про­блемы. Этот метод обеспечивает надёжное фиксирование момента отделения капли в большинстве случаев, но только если отделение капли произошло на фазе им­пульса тока.

Подход к предварительному определению параметров процесса ИДС для полу­чения переноса металла типа ОКИ, показанный выше на Рис. 1.8.35, является тру­доёмким и недостаточно точным. В настоящее время разработано много компью­терных программ для быстрого определения этих параметров. Кроме того, некото­рые современные источники питания обладают встроенными микропроцессорами способными производить выбор и уточнение значений параметров ИДС для задан­ных условий сварки. Такие источники питания позволяют также сохранять значения параметров ИДС полученные для конкретных условий сварки с тем, чтобы в даль­нейшем использовать их для этих условий не повторяя расчётов. Наличие в источ­нике питания микропроцессора позволяет также создавать уравнения контроля, ис­пользуемые в дальнейшем (в процессе сварки или при предварительном выборе па­раметров ИДС) для автоматической коррекции значений параметров ИДС при изме­нении (случайном или преднамеренном) только одного из параметров (например, скорости подачи электродной проволоки) с тем, чтобы не нарушалось условие рав­новесия между скоростью подачи проволоки и скоростью её плавления. Такой спо­соб выбора и коррекции параметров называется Синергетическим Управлением (или Однокнопочным Управлением).

Одним из главных уравнений синергетического управления параметров ИДС является зависимость между частотой импульсов тока и скоростью подачи элек­тродной проволоки (Формула 1.8.16). При этом следует помнить, что, обычно, в си­нергетической системе значения амплитуды и длительности импульса тока, обеспе­чивающие перенос металла типа ОКИ, являются неизменными. Для реализации ав­томатической коррекции параметров ИДС в процессе выполнения сварки синергети­ческая система должна иметь тахогенератор осуществляющий измерение скорости подачи проволоки, значение которой подаётся в блок контроля, вырабатывающий соответствующую частоту импульсов тока. Это будет гарантировать, что условие равновесия между скоростью подачи проволоки и скоростью её плавления будет ав­томатически восстановлено (используя Формулу 1.8.16), если скорость подачи элек­тродной проволоки была изменена (случайно или преднамеренно).

Главным преимуществом синергетического управления является то, что сред­нее значение тока сварки (или скорость подачи электродной проволоки) может быть плавно изменено в широком диапазоне (например, от 50 до 300 А применительно к проволоке диаметром 1,2 мм) без потери устойчивости процесса сварки.

Хотя синергетическое управление в целом обеспечивает коррекцию значений искомых параметров, тем не менее, синергетические системы, как правило, имеют также возможность дополнительной тонкой коррекции для более полного согласова­ния значений параметров ИДС с изменёнными условиями сварки. Стратегия синер­гетического управления становится всё более и более сложной. В современных сис­темах синергетического управления помимо частоты импульсов тока, могут коррек­тироваться также значения других параметров, например, тока импульса и базы, их длительности, как функция изменения скорости подачи электродной проволоки.

Однако, эти усовершенствования синергетического управления не исключают его главного недостатка, а именно, то, что это система контроля без обратных свя­зей, то есть, что параметры ИДС определяются до сварки и, в лучшем случае, могут корректироваться в течение сварки 8 зависимости от скорости подачи проволоки, но без учёта изменений других условий сварки (например, длины дуги). В связи с тем, что область оптимальных значений параметров ИДС узка и зависит от условий свар­ки (не только от скорости подачи проволоки), предварительно выбранные значения параметров могут часто не соответствовать изменившимся условиям сварки Таким образом, тип переноса электродного металла и длина дуги не всегда поддержива­ются неизменными при некоторых нарушениях процесса сварки.

Кроме этого, синергетические системы, хотя и просты в использовании, не об­ладают достаточной гибкостью. Поэтому, их использование ограничивается, напри­мер, сваркой тонколистового металла или сваркой с высокой скоростью сварки.

Для исключения этих недостатков предпринимаются попытки разработать сис­темы контроля с обратными связями, например, на основе использования датчиков светового излучения дуги, которые в состоянии регистрировать момент отделения капли от торца электрода.