Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Достижения, проблемы, и перспективы дуговой сварки неплавящимся электродом в инертных газах
1.1. Процессы в приэлектродных областях дуги с неплавящимся электродом и ее устойчивость 13
1.2. Электрофизические и технологические аспекты устойчивости малоамперной дуги постоянного тока 26
1.3. Пути и средства повышения устойчивости малоамперной дуги переменного тока 39
1.4. Стойкость неплавящихся электродов при дуговой сварке на постоянном и переменном токе 52
1.5. Тепловое и силовое воздействие дуги с неплавящимся электродом на свариваемый металл 68
1.6. Цель и задачи исследования 80
ГЛАВА 2. Исследование электрофизических и технологических характеристик малоамперной дуги постоянного тока
2.1. Изучение условий работы и выбор неплавящихся электродов 82
2.2. Тепловые характеристики малоамперной дуги 97
2.3. Устойчивость малоамперной дуги и ее технологические свойства 123
ГЛАВА 3. Повышение стабильности дуги переменного тока «вольфрам - алюминий»
3.1. Стабилизация дуги переменного тока плазмой дуги косвенного действия 140
3.2. Влияние конструкции электрода на уст о йчивость дуг и... 155
3.3. Физическая устойчивость малоамперной дуги с импульсами тока прямоугольной формы 170
3.4. Пространственная устойчивость дуги с импульсами тока прямоугольной формы182
ГЛАВА 4. Тепловые условия работы и стойкость неплавящихся электродов при сварке на постоянном и переменном токе
4.1. Статические и динамические характеристики дуги с неплавящимся электродом в инертных газах 200
4.2. Математическое моделирование теплового состояния рабочего участка неплавящихся электродов 217
4.3. Стойкость неплавящихся электродов при сварке дугой постоянного тока в аргоне, гелии и их смесях 232
4.4. Стойкость электродов при сварке дугой с импульсами тока прямоугольной и синусоидальной формы 242
4.5. Влияние состава смеси газов и конструкции неплавящихся электродов на их стойкость при сварке дугой ПФИ 268
ГЛАВА 5. Исследование технологических свойств сварочной дуги с неплавящимся электродом
5.1. Энергетические характеристики дуги с импульсами тока прямоугольной формы 287
5.2. Технологические характеристики дуги постоянного тока и с импульсами тока прямоугольной формы 300
ГЛАВА 6. Разработка оборудования и технологических процессов сварки неплавящимся электродом
6.1. Аппаратура и неплавящиеся электроды для сварки в инертных газах 323
6.2 Технологические процессы сварки в инертных газах конструкций из алюминия его сплавов 343
6.3. Сварка тонколистовых конструкций на предприятиях оборонного комплекса 348
6.4. Опыт сварки неплавящимся электродом на предприятиях электротранспорта и металлургии 351
Заключение 358
Литература , 362
Приложения 374
- Процессы в приэлектродных областях дуги с неплавящимся электродом и ее устойчивость
- Изучение условий работы и выбор неплавящихся электродов
- Стабилизация дуги переменного тока плазмой дуги косвенного действия
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ
Дуговая сварка вольфрамовым электродом в инертных газах по производительности существенно уступает сварке плавящимся электродом. Однако сравнение между производительностью различных методов сварки не всегда реально отражают практические преимущества того или иного процесса.
Основными критериями выбора способов сварки при разработке новых конструкций и процессов являются их технологические возможности и простота реализации. При оценке применимости различных способов дуговой сварки для выполнения конкретного соединения на первый план выдвигаются технологические свойства дуги, включающие множество показателей: производительность сварки, качество формирования шва, стабильность процесса и воспроизводимость его результатов, механические и эксплуатационные свойства получаемых соединений и многие другие. В свою очередь, технологические свойства сварочных дуг определяются их электрофизическими особенностями в двух основных аспектах - свойствами дугового разряда, как такового и взаимодействием его со свариваемым металлом и электродным материалом. Зная основные закономерности влияния электрофизических параметров дугового разряда на его сварочно-технологические свойства, можно целенаправленно и эффективно воздействовать на процесс сварки, оптимизируя его для достижения требуемых результатов.
Взаимосвязь электрофизических особенностей горения и технологических свойств дуги с дуги с неплавящимся электродом прослеживается наиболее явно. В отличие от дуги с плавящимся электродом отсутствует влияние на свойства разряда процессов плавления и переноса электродного материала, взаимодействия металла с защитной средой, стабильности работы систем регулирования тока и напряжения, формирующих свойства шлаков и т.д. Во многом это определяет и преимущества процесса сварки неплавящимся электродом, делающие его наиболее распространенным при изготовлении конструкций ответственного назначения. Преимущества эти вполне определенны, однако проявляются лишь в конкретных технологических процессах и условиях сварки.
Введение
Так, например, отличаясь в целом хорошим формированием швов, сварка неплавяицимся электродом толстостенных конструкций на токах свыше 300-400А затруднена по причине нарушения стабильности течения металла сварочной ванны из-за высокого давления дуги на ее поверхность. В ряде случаев достоинства процесса могут оказаться недостатками, требующими принятия специальных мер по их устранению. Сказанное можно отнести к низкой управляемости дуги при сварке на малых токах из-за высокой эластичности разряда. Проблемы, присущие сварке в инертных газах неплавящимся электродом, ограничивают область ее применения и делают неконкурентоспособной по отношению к другим, часто более дорогостоящим, способам сварки.
Одной из важных проблем, присущих сварке неплавящимся электродом, является низкое качество формирования швов при сварке тонколистовых металлов, проявляющееся в несплавлении кромок, образовании прожогов, провисании сварных швов, высоких значениях коэффициента формы шва и др. Причина этих дефектов заключается в низкой физической и пространственной устойчивости малоамперной дуги, наблюдаемой при сварке как на постоянном, так и на переменном токе. Однако корни этого явления у двух процессов различны и поиск причин снижения устойчивости дуги требует самостоятельного анализа условий горения дуги. С другой стороны, в каждом процессе устойчивость сварочной дуги следует рассматривать также в двух аспектах. Первый касается вопросов физической устойчивости разряда, то есть стабильности его параметров во времени, второй - пространственной устойчивости дуги и связанных с ней вопросов управляемости и возможности применения для сварки тонколистовых конструкций.
Известно, что эффективность нагрева свариваемого металла повышается при увеличении плотности тока на электроде. Однако недостаточная стойкость вольфрамовых электродов традиционных конструкций не позволяет в полной мере реализовать этот путь повышения производительности сварки. В связи с этим успехи дуговой сварки непла-вящимися электродами в инертных газах в значительной мере определяется свойствами электродов и потенциальными возможностями их улучшения.
Введение
От конструкции неплавящегося электрода и, прежде всего, его рабочего участка зависят технологические свойства сварочной дуги и, как следствие, результаты сварки. Эта зависимость, а также стремление к увеличению срока службы электродов послужили причиной того, что с 1942 года, когда впервые в США неплавящиеся вольфрамовые электроды были применены для дуговой сварки в аргоне, разработано множество их конструкций, основной среди которых до сих пор остается вольфрамовый пруток с рабочим участком, имеющим форму полусферы или конуса. Продолжающийся поиск новых технических решений свидетельствует о том, что традиционная конструкция электродов не всегда удовлетворяет технологическим требованиям, предъявляемым к ним, а тот факт, что она по-прежнему является преобладающей - об актуальности этого поиска и в настоящее время.
Из всего многообразия требований к неплавящимся электродам для дуговой сварки в инертных газах можно выделить основные:
Электрод должен обеспечивать уверенное возбуждение, физическую устойчивость и технологически необходимую мобильность сварочной дуги.
Электрод должен иметь высокую работоспособность, сохраняя свои качества и возможность применения в течение максимально возможного рабочего времени.
Электрод должен быть технологичным в изготовлении и последующем его применении. Усложнение конструкции электрода или повышение трудоемкости подготовки его к сварке должны быть оправданы получаемыми результатами сварки и экономическим эффектом.
Конструкция электрода должна обеспечивать минимальные потери электродного материала при первичной и повторных подготовках его к сварке (например, при заточке рабочего участка).
Конструкция электрода должна обеспечивать прогнозируемость и воспроизводимость результатов сварки. Незначительные изменения параметров режима или состава применяемых материалов не должны сопровождаться отклонениями параметров проплавлений.
Условия выполнения этих требований определяются характеризующими неплавящиеся электроды технологическими параметрами:
Введение диапазоном рабочих токов, максимально допустимым сварочным током, максимально допустимой плотностью тока на электроде и его рабочем участке, расходом электродного материала (например, на единицу длины шва), длительностью непрерывной работы с сохранением формы рабочего участка и так далее. Эти параметры ограничивают возможную область применения электродов определенного типа, однако следует иметь ввиду, что их значения зависят от конкретных условий дуговой сварки. По этой причине они не могут быть достаточным критерием пригодности электродов в каждом конкретном случае. Необходимо учитывать и другие обстоятельства технологического и экономического характера, например, зависимость силового и теплового воздействия дуги на сварочную ванну от конструкции рабочего участка электрода.
По этим причинам для правильного выбора неплавящегося электрода необходимы знания условий его работы и путей приведения их к оптимальным с точки зрения как его работоспособности, так и эффективности воздействия дуги на свариваемый металл.
Широкие возможности для повышения технологических свойств дуги переменного тока предоставляет процесс сварки асимметричными разнополярными импульсами прямоугольной формы. Накопленный к настоящему времени опыт показывает, что преимущества его заключаются в более высокой устойчивости дуги, особенно при сварке на малых токах, возможности раздельного управления качеством катодной очистки свариваемой поверхности и проплавляющей способностью дуги посредством регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности. Наряду с широкими технологическими возможностями, инверторные источники питания отличаются высоким КПД, хорошими массогабаритными показателями, возможностью программирования наиболее часто используемых режимов сварки.
Представленные в настоящей работе исследования проводились с привлечением трудов по проблемам сварки неплавящимся электродом Г.И. Лескова, B.C. Гвоздецкого, Д.М. Рабкина, Д.А. Дудко, Б.И. Шнайдера, А.Н. Корниенко, Д.М. Погребицкого, И.И. Зарубы, В.К. Лебедева, B.C. Мечева, Э.М. Эсибяна, А.Я. Ищенко, А.Г., Покляцкого (ИЭС им. Е.О. Па-тона НАН Украины), В.М. Ямпольского, А.И. Акулова, Э.А. Гладкова
Введение (МГТУ им. Н.Э. Баумана), А.А. Ерохина, В.А. Букарова, И.Д. Кулагина, Н.Н. Рыкалина, Н.В. Самойленко (Институт металлургии и материалов им. А.А. Байкова РАН), В.И. Столбова, В.П. Сидорова, Ю.В. Казакова (Тольяттинский государственный университет), В.А. Ленивкина, Н.Г. Дюргерова (Донской государственный технический университет), И.М. Ковалева (Тульский государственный технический университет), Д.Г. Быховского, W.F. Savage, S.S. Strunck, S. Kou, M.S. Tsai, V. Nishikava, I.S. Goodman, G.N. Haddad, V.P. Kuianpaa, S. Kyselica, M. Tomsic, S. Barhorst.
При анализе условий работы термоэмиссонных дуговых катодов использованы труды российских и зарубежных физиков И.Г. Кесаева, В.Ф. Гордеева, А.В. Пустогарова, A.M. Дороднова, Н.П. Козлова, Я.А. Помелова, М.Ф. Жукова, П.А. Шоек, A.D. Morris, W.C. Core и др.
Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета при поддержке гранта Президента РФ. Отдельные разделы работы включались в научно-технические программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2003-04гг.), Сводные планы и перечни научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических работ по сварочной науке и технике (1987-92гг.), одобренные Объединенной сессией Научного совета по проблеме «Новые процессы сварки и сварные конструкции» ГКНТ и Координационным Советом по сварке.
Цель работы: Создание научно обоснованных процессов сварки, разработка нового сварочного оборудования и конструкций неплавящих-ся электродов, обеспечивающих повышение технологических свойств дуги в инертных газах.
Работа выполнена с применением методов физического и математического моделирования, микрорентгеноспектрального и рентгено-структурного анализа (МГТУ им. Н.Э. Баумана), рентгенографии (ВНИ-ИПТхимнефтеаппаратуры), оптической пирометрии, зондирования дуги, электронного осциллографирования, цифровой видео- и фотосъемки, калориметрии, металлографических исследований и механических испытаний сварных соединений.
Введение
В первой главе рассмотрены и обобщены литературные данные по проблемам повышения стойкости неплавящихся электродов, улучшения устойчивости дуги и формирования сварных швов, повышения производительности сварки; поставлены задачи исследований и намечены пути их решения.
Вторая глава посвящена изучению электрофизических и технологических характеристик малоамперной дуги постоянного тока и разработке методов повышения ее устойчивости при сварке тонколистовых высоколегированных сталей.
В третьей главе исследована стабильность малоамперной дуги при сварке тонколистового алюминия и его сплавов на синусоидальном токе и асимметричными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы. Выработаны требования к конструкциям неплавящихся электродов и источников питания.
В четвертой главе представлен анализ тепловых условий работы неплавящихся электродов при сварке на переменном и постоянном токе в аргоне, гелии и их смесях с применением методов математического и физического моделирования.
Пятая глава обобщает представленные теоретические разработки и посвящена исследованиям технологических характеристик сварочной дуги с неплавящимся электродом.
В шестой главе описаны выполненные конструкторские и технологические разработки, приведены сведения о внедренных технологических процессах.
Научная новизна работы заключается в следующих основных положениях:
Новым научным положением работы, развивающим физические основы управления свойствами сварочной дуги с неплавящимся электродом, является установление возможности и определение условий существования разряда с диффузным катодным пятном (ДКП) в гелии и его смесях с аргоном, в том числе в импульсах прямой полярности при сварке на переменном токе. При этом стойкость неплавящихся электродов не уступает их стойкости при сварке в чистом аргоне, а эффективность нагрева металла характеризуется наличием термодинамического
Введение минимума, обусловленного ростом эффективной мощности дуги при увеличении концентрации гелия с одной стороны и снижением ее силового воздействия - с другой. Взаимовлияние этих факторов обуславливает повышение проплавляющей способности дуги при концентрациях гелия более 25-30% и обеспечивает улучшение формирования швов при сварке на высоких значениях погонной энергии при концентрациях гелия более 50%.
В рамках экспериментальных исследований и математического моделирования выявлены условия горения дуги с ДКП, определяемые взаимосвязью конструкции неплавящихся электродов, их материала, теплового баланса и параметров режима сварки. Установлена решающая роль в формировании ДКП эмиссионного охлаждения рабочего участка электрода и джоулева тепловыделения, требуемый уровень которого обеспечивается при плотностях тока в рабочей зоне менее 45-50А/мм2, когда тепловыделение на омическом сопротивлении достигает или превышает уровень энергии, отводимой теплопроводностью.
Впервые установлено, что высокая проплавляющая способность дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов (ПФИ) обусловлена мощным газодинамическим воздействием ее на сварочную ванну, связанным с резким изменением давления дуги при смене полярности. При этом выявлены характерные особенности дуги ПФИ, заключающиеся в: падении напряжения дуги в импульсах прямой полярности до ано мально низких значений 3.5-5В при показателях коэффициента асим- метрии по длительности импульсов ктас=——— > 0,77-0,8;
Т Е + т обр пр увеличении проплавляющей способности дуги при использовании электродов с конической заточкой в диапазоне 0,2 < кхас < 0,38 за счет сжатия катодного пятна в импульсах тока прямой полярности; росте устойчивости малоамперной дуги при повышении частоты переменного тока и уменьшении klc, связанном с повышением пространственной стабильности катодного пятна в импульсах обратной полярности.
Введение
Экспериментально доказано, что длительность переходных процессов при повторных возбуждениях дуги в импульсах обратной полярности повышается с увеличением скорости нарастания напряжения на стадии тлеющего разряда в диапазоне от 0 до 130 В.
На основе исследования энергетических параметров катодных процессов определены условия устойчивости малоамперной дуги постоянного тока и показана эффективность применения для сварки ультратонких неплавящихся электродов, обеспечивающих диффузную привязку катодного пятна при плотностях тока, достигающих 225А/мм2. Установлено, что интенсивность образования наростов и «короны» на неплавящихся электродах, обусловленного конденсацией паров свариваемого металла и вольфрама, увеличивается с ростом градиента температур на рабочем участке и снижается при переходе к дуге с ДКП.
Практическая ценность: На основе исследований электрофизических и технологических характеристик дуги в инертных газах и их смесях разработаны пути и средства повышения стойкости неплавящихся электродов,, улучшения формирования сварных швов, увеличения проплавляющей способности дуги и производительности сварки конструкций из высоколегированных сталей и цветных металлов. Созданы технологические рекомендации и соответствующее программное обеспечение, нацеленные на оптимизацию свойств дуги при решении конкретных задач в области сварки неплавящимся электродом.
Разработаны и реализованы методы повышения устойчивости малоамперной дуги постоянного и переменного тока, обеспечивающие качественное формирование сварных швов при сварке неплавящимся электродом тонколистовых металлов.
На основе новых технических и технологических решений разработаны высокоэффективные процессы сварки и наплавки неплавящимся электродом, комплекс высокоэффективного сварочного оборудования, включающий новые конструкции сварочных источников питания, горелок, неплавящихся электродов. Научные разработки внедрены на РКК «Энергия» им. СП. Королева (г.Королев, Московской обл.); ФГУП ПО «Баррикады» (г.Волгоград); ПКК «Славянка» (г.Волгоград); ПО «Волго-градэлектротранс»; Приволжской дистанции электроснабжения желез-
Введение ной дороги; ОАО «Камышинские электрические сети» (ф-л «Волгоград-энерго»); ОАО МЗ «Красный Октябрь» (г.Волгоград); Волжском научно-техническом комплексе (г.Волжскии). Суммарный экономический эффект от внедрения новых разработок составил 2.48 млн. рублей. В большинстве перечисленных работ автор являлся научным руководителем.
Материалы диссертации опубликованы в 65 научных работах, в том числе монографии, 14 статьях в центральных журналах, 8 патентах и авторских свидетельствах, 10 статьях в сборниках докладов. Девять работ, опубликованы на английском языке в журнале «Welding International».
Работа прошла апробацию на 23 конференциях различного уровня.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 373 листах машинописного текста, содержит 254 рисунка и 24 таблицы. Список литературы включает 306 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры сварки ВолгГТУ за помощь в проведении исследований и подготовке диссертации.
Процессы в приэлектродных областях дуги с неплавящимся электродом и ее устойчивость
Процессы в приэлектродных областях электрической дуги в значительной мере определяют ее свойства: особенности возбуждения и развития разряда, его физическую и пространственную устойчивость, энергетические и технологические характеристики [1]. Особую значимость для сварочной дуги имеют процессы, протекающие в катодной области, определяющие не только возможность существования разряда, но и применимость в конкретных условиях сварки [2].
В дуге постоянного тока вольфрамовый катод иногда называют «горячим» из-за высокой температуры его рабочего участка, обеспечивающей существенную роль термоэлектронной эмиссии в катодных процессах. При горении дуги на переменном токе условия существования катодного пятна определяются также свойствами материала свариваемого изделия и оказывают влияние как на устойчивость дуги, так и на тепловые и силовые ее характеристики. В случае высоких скоростей протекания переходных процессов каждое новое состояние дуги переменного тока при некотором мгновенном значении тока 1д можно считать квазистационарным, сходным по параметрам с аналогичной дугой постоянного тока при том же токе 1д. При существенном различии теплофи-зических свойств материалов электродов и их геометрических размеров в двух соседних полупериодах тока существуют различные дуги, электрофизические особенности которых также в значительной мере определяются условиями формирования и характером протекания катодных процессов.
Экспериментальные данные о катодных процессах противоречивы и разнообразны, однако наблюдения исследователей в большинстве случаев сводятся к трем характерным модификациям катодных областей [1,3,13,18]:
1. У тугоплавких катодов, разогретых до высокой температуры, катодная область не имеет резко очерченных границ и представляет собой светящееся пятно с убывающей по краям яркостью.
2. На тех же катодах в инертных газах или парах ртути при малых токах пятна имеют четкие границы с почти постоянной яркостью.
3. На легкоплавких катодах, примыкающая к дуге поверхность которых находится в жидком состоянии, пятна имеют четкие границы и, как правило, быстро и беспорядочно движутся.
Аналогичную классификацию дуг по группам в соответствии с характером катодных процессов приводят В. Финкельбург и Г. Меккер в работе [3]. Перенося характеристику прикатодной области на дуговой разряд в целом, они подразделяют три типа дуг: без катодного пятна, с катодным пятном и хаотически перемещающимся катодным пятном. Однако деление это весьма условно, так как ни одному из указанных выше типов дугового разряда не соответствует какой-либо вполне определенный механизм протекания катодных процессов. Так, в дугах без катодного пятна основным процессом обеспечения проводимости является, вероятно, термоэлектронная эмиссия, тем не менее, известную роль играет ионный ток. В дугах с катодным пятном существенную роль играет автоэлектронная эмиссия, вместе с тем ионный ток и термоэмиссия всегда имеют место. У третьей группы дуг, очевидно, автоэлектронная эмиссия носит определяющий характер. Различные виды эмиссии предопределяются в свою очередь характером подводимой энергии [4]. Термоэлектронная эмиссия, являясь вторичной, осуществляется за счет бомбардировки ионами, возбужденными атомами, фотонами. Таким образом, это основные составляющие подвода тепла к катоду. Плотность тока термоэмиссии описывается уравнением Ричардсона-Дешмана [1,3,4,14]:
Изучение условий работы и выбор неплавящихся электродов
Как отмечалось в п. 1.2, нарушения исходной геометрии рабочего участка вольфрамовых электродов приводят к снижению пространственной устойчивости дуги (рис.2.1), изменению теплового и силового воздействия на свариваемый металл [23]. Кроме этого нарушение геометрии рабочего участка часто сопровождается разрушением поверхности электродов и является причиной вольфрамовых включений в сварных швах.
Большинство авторов [5,22,23,28,31,41,190] выделяют четыре вида разрушения вольфрамовых электродов при сварке: оплавление, эрозия, образование на рабочем участке электродов наростов различной формы или «короны». Оплавление электрода возможно лишь в случаях превышения тока выше допустимого или неудовлетворительной газовой защиты, что легко устраняется применением соответствующих мер [3]. Что касается эрозии, то значимые изменения формы рабочего участка под воздействие этого процесса наблюдаются только при весьма длительной работе катодов [140]. В связи с этим можно выделить две основные причины потери стабильности положения катодного пятна на поверхности рабочего участка электродов - образование «короны», объясняемое испарением вольфрама с поверхности электрода на участках с максимальными температурами и последующей его конденсацией нами образования наростов являются изменение поверхностной энергии при загрязнении вольфрамовых электродов материалом анода [23], а также образование химических соединений, имеющих меньшую, чем вольфрам, термостойкость [31,22]. Появление новообразований происходит часто в первую же минуту работы электрода, поэтому их можно рассматривать главными причинами снижения пространственной стабильности катодного пятна. Негативное влияние изменений формы рабочего участка электродов на качество формирования швов наиболее заметно проявляется при сварке малоамперной (менее 25А) дугой тонколистовых материалов, что связано с высокой чувствительностью процесса к изменениям условий в зоне сварки. Возможно, это связано с установленной в работе [28] зависимостью, показывающей, что чем меньше величина тока дуги, тем меньше расстояние от конца электрода до образовавшегося кольца дендритов. Следовательно, возможность флуктуации катодного пятна при сварке малоамперной дугой возрастает. В связи с этим важен поиск причин столь быстротечного нарушения свойств неплавящихся электродов и их взаимосвязи с величиной сварочного тока.
В исследованиях применялись электроды традиционной конструкции марок ЭВЛ, ЭВИ и ЭВЧ диаметром 2 и Змм и с углом заточки рабочего участка 30. Длина дуги во всех опытах составляла 1,5мм. В качестве анодов использовались пластины из прецизионного сплава Х23Ю5 толщиной 0,9мм, закреплявшиеся в медном водоохлаждаемом приспособлении. В качестве защитного газа применяли гелий марки «А» с содержанием кислорода 1x10" %. Расход газа во всех опытах был постоянным и составлял Юл/мин. В состав экспериментальной установки входил микроскоп МБС-9, оснащенный светофильтром для наблюдения за состоянием электродов непосредственно при горении дуги. Состояние рабочих участков электродов после гашения дуги исследовали визуально при 10-кратном увеличении. Фазовый и химический состав материала образующихся на электродах наростов определяли методами рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов.
Стабилизация дуги переменного тока плазмой дуги косвенного действия
В гл. 1 показано, что основной причиной, обусловливающей низкую устойчивость дуги переменного тока при сварке вольфрамовым электродом алюминия, являются затрудненные условия формирования катодных процессов в полупериоды обратной полярности. При сварке на сравнительно больших токах эти трудности легко преодолеваются подачей на дуговой промежуток стабилизирующих импульсов повышенного напряжения в момент перехода сварочного тока через нулевое значение, однако в условиях сварки тонколистовых материалов эта мера является малоэффективной [79,98]. Причина, по всей вероятности, заключается в том, что при сварке малоамперной дугой степень ионизации остаточной плазмы в момент подачи стабилизирующего импульса оказывается недостаточной для обеспечения необходимой плотности ионного тока и создания у катода электрического поля высокой напряженности для реализации механизма автоэлектронной эмиссии. Обеспечить необходимую для формирования катодного падения потенциала величину преддуговых токов можно, повысив проводимость дугового промежутка путем подогрева его посторонним источником энергии, в частности, дежурной дугой. Широкое распространение этот метод нашел в микроплазменной сварке, однако возможности его в условиях сварки свободной дугой практически не изучены. Задача эта осложнена отсутствием разработок в области создания аппаратуры для сварки малоамперной дугой переменного тока с применением дежурной дуги. Существующие двухэлектродные горелки [8,232], необходимые для реализации этого способа, предназначены, как правило, для сварки трехфазной дугой и отличаются значительной массой и габаритами. Кроме того, их конструкция не позволяет применять для сварки электроды малых диаметров (менее 1мм) из-за недостаточной жесткости последних при величине вылета 30-40мм и затруднений при их фиксации. Это потребовало разработки специальных двухэлектродных горелок, обеспечивающих совместное горение двух дуг: переменного тока прямого действия и постоянного тока косвенного действия. Подробно конструкции горелок и их характеристики рассмотрены в гл. 6.
Опыты по исследованию устойчивости дуги переменного тока при стабилизации ее дежурной дугой ставили целью выбор оптимальной схемы питания и совместного горения дуги прямого и косвенного действия; изучение электрофизических особенностей процесса; оценку эффективности применения дежурной дуги как стабилизатора дуги переменного тока при сварке тонколистового алюминия.
Исследования проводили на лабораторном стенде (рис. 3.1), оснащенном горелкой 1 для аргонодуговой сварки, медным водоохлаж-даемым цилиндром 2, на котором устанавливался образец свариваемого материала 3, механизмом вертикального и горизонтального перемещения горелки 4 с индикатором часового типа 5 и микроскопом 6 с возможностью вертикального перемещения.
Для питания дуги постоянного тока применяли выпрямитель с жесткой ВАХ и напряжением на выходе 75В. Необходимую крутизну падения ВАХ получали при помощи балластного реостата плавной регулировки Я?б2- Для питания дуги переменного тока применяли лабораторный автотрансформатор РНО-250-5 на номинальный ток 40А, обеспечивающий возможность изменения выходного напряжения от 0 до 250В. Балластное сопротивление R61 обеспечивало возможность плавного регулирования сварочного тока в пределах 5-ЗОА. Ввиду малой индуктивности цепи исключался сдвиг по фазе между током дуги и питающим напряжением. Этим искусственно достигалось затягивание переходных процессов при изменении полярности, упрощались их наблюдение и анализ. В последующем проводили проверку полученных результатов, обеспечивая необходимый сдвиг по фазе между током дуги и напряжением на выходе трансформатора путем включения в сварочную цепь дросселя с переменной индуктивностью Ц, а также используя серийные сварочные установки серии УДГ. Контроль за эффективным значением сварочного тока и напряжением осуществляли при помощи стрелочных приборов магнитоэлектрической системы (класс точности 0,2). За формой кривых сварочного тока и напряжения на дуге наблюдали при помощи осциллографа С1-77, снимая падение напряжения на линейных шунтах Rw1 и Яш2, а также непосредственно измеряя его на дуговом промежутке с использованием выносного делителя напряжения. Необходимые осциллографические измерения осуществляли, используя двухлучевой запоминающий осциллограф С8-14.
