Содержание к диссертации
Введение
1. Глава 1. Зажигание сварочной дуги под флюсом .
1.1. Определения и понятия 8
1.2. Способы зажигания сварочной дуги 9
1.3. Классификация способов зажигания сварочной дуги 15
1.4. Факторы, влияющие на бесконтактное зажигание дуги под флюсом 30
1.5. Цель и задачи работы 35
Глава 2. Методика исследования бесконтактного зажигания дуги под флюсом
2.1. Описание экспериментальной установки для исследования механических свойств флюсов 39
2.2. Описание экспериментальной установки для бесконтактного зажигания дуги 41
2.3. Устройство для бесконтактного зажигания дуги 46
2.4. Методы исследований 55
2.5. Методы обработки результатов исследований 60
Глава 3. Влияние механических факторов на бесконтактное зажигание дуги под флюсом
3.1. Влияние продольного изгиба электрода на устойчивость системы "электрод - сварочная головка" 63
3.2. Динамика системы "электрод - сварочная головка" 73
3.3. Экспериментальная проверка теоретических положений динамики системы "электрод-сварочная головка" 83
Глава 4. Влияние свойств флюса на бесконтактное зажигание дуги
4.1 Влияние гранулометрического состава флюса 86
4.2 Влияние механических свойств флюса 99
4.3 Влияние различных факторов 121
4.3.1. Скорости подачи электрода 121
4.3.2. Диаметра электрода 124
4.3.3. Напряжения холостого хода сварочного источника питания 126
4.4 Нарастания глубины проплавлення в начале шва 128
Практические рекомендации по реализации способа бесконтактного зажигания дуги при сварке под флюсом 134
Общие выводы 138
Литература 140
Приложение 149
- Способы зажигания сварочной дуги
- Описание экспериментальной установки для бесконтактного зажигания дуги
- Динамика системы "электрод - сварочная головка"
- Влияние механических свойств флюса
Способы зажигания сварочной дуги
Дуга - это длительный самостоятельный электрический разряд в парах металла и газах, который характеризуется достаточно большим током и относительно низким общим и катодным падением напряжения. Существует три основных способа зажигания сварочной дуги : - размыканием электрических контактов под напряжением; - электрическим пробоем вакуумного или газового межэлектродного промежутка; - переходом от какого-либо разряда в газах к дуговому. В первом способе дуга зажигается при размыкании электродов под напряжением. После размыкания между электродами, как правило, образуется устойчивый дуговой разряд. Устойчивость дугового разряда зависит от материала электродов, величины тока, протекающего через электроды контакты в момент их разрыва, характеристик электрической цепи и скорости размыкания контактов. Во втором способе дуга развивается, как правило, из искрового разряда. Величина пробивного напряжения зависит, главным образом, от расстояния между электродами, давления и состава газа. В третьем способе дуга развивается в результате перехода от устойчивого маломощного разряда, например тлеющего. Переходу от тлеющего разряда к дуговому способствует наличие на поверхности катода включений с низкой работой выхода, наличие в межэлектродном промежутке паров металла, образующихся в результате разогрева поверхности катода, присутствие мелких непроводящих частиц и ряд других факторов. Тлеющий разряд обычно связывают с низким давлением, однако он может существовать и при атмосферном давлении [3].
Третий способ зажигания дуги в условиях сварки практически не применяется. Второй способ зажигания дуги применяется только для неплавящегося электрода в инертных газах. Наиболее широкое применение в сварке под флюсом получил первый способ. Он применяется в той или иной форме как для сварки плавящимся, так и для сварки неплавящимся электродом. Рассмотрим вопросы теории зажигания дуги. В настоящее время существует несколько теорий возникновения и развития дугового разряда. Л.А. Сена [4] при анализе процесса зажигания дуги размыканием контактов рассматривал межэлектродный промежуток как конденсатор переменной емкости, которая, изменяясь, достигает максимума, а затем убывает по мере расхождения контактов. Расчеты показывают, что при зазоре 7 7 между электродами 3 10" см, который достигается через 8 10" сек при их разведении, напряженность электрического поля проходит через максимум и составляет 3 10 В/см. По мнению Л.А. Сена, такая напряженность достаточна для того, чтобы вызвать интенсивную автоэлектронную эмиссию катода. Электроны, испускаемые катодом, приобретают в электрическом поле скорости, достаточные для ионизации газа и зажигания дуги.
По мнению В.Т. Золотых и др. [5], для зажигания дуги и ее развития необходима не только напряженность поля, обеспечивающая автоэлектронную эмиссию, но и приобретение электронами энергии, достаточной для ионизации газа. Это условие может быть выполнено при межэлектродном расстоянии не менее длины свободного пробега электрона. Если учесть, что длина свободного пробега электрона в водороде, кислороде, азоте, аргоне при атмосферном давлении составляет (0,5 - 1,1)» 10" см, то в этом случае напряженность электрического поля, согласно рассмотренной модели [4] оказывается на два порядка ниже необходимой для автоэлектронной эмиссии. Поэтому нельзя считать, что при размыкании электродов дуга возбуждается только благодаря автоэлектронной эмиссии. М.Я. Броун и Г.И. Погодин-Алексеев [6] объясняют зажигание и развитие электрической сварочной дуги, исходя из активной роли термической ионизации при размыкании электродов в цепи с током. В работе [6] принят следующий механизм зажигания дуги. При соприкосновении электрода с изделием торец электрода быстро нагревается до температуры плавления и последующего испарения. В результате промежуток между электродом и изделием заполняется парами металла, облегчающими зажигание дуги. Авторы [6] считают, что такой механизм зажигания дуги наиболее вероятен для высоких скоростей нарастания тока короткого замыкания и умеренных скоростей подачи электрода. Авторы считают, что длительность зажигания дуги (время от начала протекания тока до зажигания
Описание экспериментальной установки для бесконтактного зажигания дуги
Вторая экспериментальная установка предназначена для электродуговой сварки в углекислом газе и под слоем флюса. На этой установке проводились исследования процесса бесконтактного зажигания дуги под флюсом. Определялись вероятностные характеристики бесконтактного зажигания дуги при неподвижной сварочной головке и при сварке под флюсом, исследовались влияние скорости подачи электрода и влияние диаметра капли на конце электрода на процесс бесконтактного зажигания дуги под флюсом. Общий вид установки приведен на рис.3. Установка состоит из станины (1), сваренной из уголка. На станине справа вверху находится пульт управления (2). С правой стороны станины крепится шкаф управления (3). К станине в центре на стойках (4) крепится ось (5), на которой закреплена рама (6). На оси находится зубчатое колесо, закрепленное шпонкой, соединенное червячной передачей с рукояткой (7). Вращением рукоятки можно изменять пространственное положение рамы. В верхней части рамы расположен двигатель СЛ 571 К (8) постоянного тока с редуктором (9). Двигатель предназначен для подачи проволоки в зону сварки. В редукторе имеется две пары роликов (10) подачи проволоки различного диаметра. На редукторе рядом с двигателем на стойке крепится бабина (11) со сварочной проволокой. Снизу к корпусу редуктора на специальном кронштейне крепится сварочная головка (12). В нижней части рамы, справа, расположен двигатель АОЛ 12-4 (13) с редуктором (14).
Этот двигатель обеспечивает перемещение каретки (15), вращая винт (16). Винт и вал двигателя соединены муфтой. Каретка перемещается по двум направляющим (17). На каретке установлен сварочный стол (18). Этот стол при помощи двух винтов, горизонтального (19) и вертикального (20) и двух пар направляющих может, при вращении этих винтов вручную, опускаться или подниматься, изменяя расстояние от сварочной головки до стола и перемещаться поперек каретки. Установка работает в двух режимах: "Наладка" и "Автоматическая сварка". Чтобы подготовить установку к работе, необходимо включить сварочный выпрямитель ВДУ-504УЗ, пакетный выключатель на панели управления установкой. В шкафу управления размещены два трансформатора ТБС 3-025, трансформатор ОСМ 063 УЗ, два реле ПМЕ-071, реле ТКЕ-56-ПД1, силовой контактор КМ 400Д-В и электро-пневмоклапан. Шкаф управления соединен гибкими шлангами с пультом управления. Пульт управления изображен на рис.4. На рис.5 представлена принципиальная электрическая схема экспериментальной установки для сварки. Переключатель ПК подключает схему к источнику переменного трехфазного напряжения 380В. При его включении загорается зеленая лампа на пульте управления. При нажатии кнопки S2 срабатывает реле К4, своими контактами подключает двигатель Ml к трехфазному напряжению 36В. Тумблер S1 служит для реверса двигателя Ml. При нажатии кнопки S4 подается постоянное напряжение на якорь двигателя М2. Тумблер S3 служит для реверса двигателя М2. При нажатии кнопки S5 "Пуск" срабатывает реле К1 и своими контактами ставит себя на самоблокировку, а также замыкает цепи К2, КЗ, К4 и К5. Реле КЗ срабатывает и подключает якорь двигателя М2 к источнику постоянного тока. Реле К4, срабатывая, своими контактами подключает двигатель Ml к сети трехфазного переменного тока. Срабатывая, реле К2 замыкает контакт сварочной цепи. При нажатии кнопки S6 "Стоп" разрывается цепь питания К1.
Своими контактами К1 разрывает цепи питания К2, КЗ, К4, К5 и ЭМК. Контакты реле КЗ размыкаются и двигатель М2 обесточивается. Прекращается подача проволоки. Размыкаясь, контакты реле К4 размыкают цепь питания двигателя Ml. Прекращается перемещение каретки. Реле К5 не разомкнет свои контакты, пока не разрядится конденсатор С1. После разряда конденсатора СІ, реле К5 обесточивается и своими контактами размыкает цепь питания. Прекращается процесс сварки. Схема приходит в исходное состояние. Устройство для реализации процесса зажигания дуги бесконтактным способом обеспечивает зажигание дуги при сварке плавящимся электродом электрическим пробоем постоянно сокращающегося межэлектродного промежутка путем подачи напряжения на электроды, устанавливаемое за-датчиком программы сварочного выпрямителя. С помощью задатчика программы подают постоянное напряжение на электроды и обеспечивают электрический пробой постоянно сокращающегося межэлектродного промежутка, затем выдерживают напряжение постоянным по величине для развития дугового разряда; при этом для обеспечения быстрого нарастания тока в сварочной цепи уменьшается индуктивное сопротивления сварочного дросселя, что способствует развитию дугового разряда после электриче
Динамика системы "электрод - сварочная головка"
Для определения условий работы подающего механизма и усилий, возникающих на вылете электрода в момент его подачи, исследуем динамику системы " сварочная головка - электрод - изделие ". m - «приведенная» масса стрежня; а - ускорение стержня; Q - постоянная сила, препятствующая движению стержня. Причиной её наличия может являться трение на подающем устройстве и сопротивление, создаваемое правильным механизмом. Рис. 15. Механическая система подачи электрода 1. Ведомый вал Введем дополнительные обозначения (см. рис. 16): Ni - контактное давление со стороны стержня; Yi - реакция подвижного шарнира; Fi - сила сцепления со стержнем, не превосходящая значения силы трения о стержень при качении с проскальзыванием против хода движения, то есть, Fi fiNi; fi - коэффициент трения при движении вала 1 юзом по стержню; Mi - момент сопротивления, не превосходящий момента сопротивления при качении вала 1, то есть Mi diNi; di - коэффициент трения качения вала 1 по стержню.
Для удобства записи введем несколько безразмерных параметров: 5i=di/rb ji = Ji/тгД 9i=(f i-5i)/ji. Из общих теорем динамики для вала 1 получаем: Ni = Р, Fj = Yi и Определим параметры возможных случаев движения вала 1. 1) Вал 1 катится по стержню (без проскальзывания). В этом случае: riSi=a и Mi= djP, Fi fiP. Из (3.7) следует, что jiU= Fi-5 . Этот случай возможен при следующих значениях параметров задачи: 2) Вал 1 движется по стержню в режиме качения с проскальзыванием против хода движения. В этом случае: Гі8і я и Mi= djP, Fi= fjP. Из (3.7) следует, что тгіЄі=0іР. ЭТОТ случай возможен при следующих значениях параметров задачи: 3) Вал 1 и стержень не движутся (или равномерное качение). В этом случае: Єі=0 и а=0 и М\- djP. Из (3.7) следует, что riFi=M]. При этом Fi fiNi. Это возможно только при «нормальных» условиях, налагаемых на коэффициенты трения: 4) Вал 1 движется по стержню в режиме юза. В этом случае: Єі=0 и а 0 и Fi= fiP. Из (3.7) следует, что riFi=Mb при этом (firrbi)P M, d!P. Это возможно только при особых условиях (например, очень скользкий и мягкий стержень), налагаемых на коэффициенты трения: 2. Ведущий вал Введем дополнительные обозначения (см. рис. 17): N2 - контактное давление со стороны стержня; Х2, Y2 - реакции неподвижного шарнира; F2 - сила сцепления со стержнем, не превосходящая значения силы трения о стержень при качении с проскальзыванием по ходу движения, то есть F2 (b2-d2)N2/r2; b2 - коэффициент трения при буксовании вала 2 по стержню; М2 - момент сопротивления, не превосходящий момента сопротивления при качении вала 2, то есть М2 d2N2; d2 - коэффициент трения качения вала 2 по стержню; Из общих теорем динамики для вала 2 получаем: X2=N2=P, F2=Y2 и Определим параметры возможных случаев движения вала 2. 1) Вал 2 катится по стержню (без проскальзывания). В этом случае: r2S2=tf и М2= d2P и F2 (P2-2)P- Из (3.12) следует, что j2mr2s2=L/r2-F2-52P.
Этот случай возможен при следующих значениях параметров задачи: 2) Вал 2 движется по стержню в режиме качения с проскальзыванием по ходу движения. В этом случае: г2г2 а и M2=d2P, F2=(P2-52)P. Из (3.12) следует, что j2mr2s2=L/r2-p2P. Этот случай возможен при следующих значениях параметров задачи: 3) Вал 2 и стержень не движутся (или равномерное качение). В этом случае: є2=0 и а=0 и M2=d2P. Из (3.12) следует, что L=r2F2+M2. При этом F2r2 (b2-d2)P. Этот случай возможен при следующих значениях параметров задачи: 4) Вал 2 буксует по стержню. В этом случае: а=0 и s2 0. Из (3.12) следует, что j2mr2s2=L/r2-p2P. При этом (b2-d2)P/r2 F2 f2P. Этот случай возможен при следующих значениях параметров задачи: 3. Стержень. Введем дополнительные обозначения (рис. 18): Ni и N2- контактное давление со стороны вала 1 и вала 2. Эти силы равны между собой и равны усилию, прижимающему ведомый вал к стержню: При исследовании задачи толщиной стержня будем пренебрегать. Для удобства записи введем несколько безразмерных параметров: q Приведем уравнение принципа Даламбера для стержня: Определим параметры возможных случаев его движения. 1) При движении стержня ведомый вал находится в режиме качения, ведущий - тоже в режиме качения: (3.8) и (3.13). В этом случае: X\Z\=a, r2S2=a и М\= djP, Fi fiP, M2=d2P, F2 (p2-52)P. Из (3.7) следует, что jiU= Fr5iP. Из (3.12) следует, что J2U=L/r2-F2-52P. Из (3.17) следует, что U=F2 - FrQ. Тогда F! f,P и F2 (f32-82)P, где (l+ji+j2)Fi=jiL/r2- jiQ+[(l+j2)6r ji82)]P, (l+Ji+J2)F2=(l+ji)L/r2+J2Q+D25i-(l+Ji)52)]P. Значит, jiL/r2-j1Q+[(l+J2)5rji2)]P (l+ji+J2)fiP, (l+ji)L/r2+j2Q+[J25i-(l+j1)52)]P (l+j1+j2)((32-52)P.
Влияние механических свойств флюса
При реализации способа бесконтактного зажигания сварочной дуги при сварке под флюсом, подход электрода к изделию на расстояние, при котором происходит электрический пробой (несколько микрон и менее) низкими напряжениями, предполагает отсутствие между электродами зерен флюса, хотя и не исключает наличия флюсовой пыли - микрочастиц, размеры которых не превышают этих расстояний. При этом наблюдаются четыре случая подхода электрода к изделию: 1. Электрод утыкается в зерно флюса, раздавливает его и происходит зажигание дуги. 2. Электрод не раздавливает пленку, оставшуюся под торцом электрода после разрушения флюса; происходит процарапывание пленки до возникновения НИР. 3. В отдельных случаях электрод упирается в зерно флюса, не может его раздавить, изгибается и при его соскальзывании происходит короткое замыкание с выбросом перемычки. 4. Электрод раздвигает гранулы флюса и зажигается сварочная дуга. Диаметр конца электрода представляет собой стабильную по форме полусферу, расположенную соосно электроду. Механизм подхода сферического конца сварочной проволоки на расстояние возможного электрического пробоя постоянно находится в зависимости от свойств сварочных флюсов: грануляции, механической прочности, стойкости к истиранию. Влияние этих свойств на стабильность бесконтактного зажигания дуги исследовалось при сварке под флюсом различных марок. Опыты по исследованию зажигания сварочной дуги при автоматической сварке под флюсом проводились на экспериментальной установке, подробно описанной в разделе 2.2. Опыты проводились на режиме сварки: величина сварочного тока 1СВ = =350 А; величина напряжения дуги UCB = 32 В; величина напряжения холостого хода источника питания Uxx = 45 В. Электродами являлись: сварочная проволока марки Св-08А диаметром d3=3,0 мм и пластины из Ст.З толщиной 10 мм.
Исследования проводились при неподвижной сварочной голов ке (VCB = 0) и при сварке под флюсом (VCB ф 0). Метод исследования описан в разделе 2.4. Результаты обрабатывались и заносились в табл. 4.6 и 4.7. В таблицах знаком "+" отмечена имеющаяся временная задержка бесконтактного зажигания дуги. По табл. 4.6 и 4.7 построены гистограммы вероятности бесконтактного зажигания дуги (рис. 25 - 30). Анализ табл. 4.6 и гистограмм (рис. 25 - 27) показывает, что вероятность бесконтактного зажигания дуги при неподвижной сварочной головке на крупных фракциях флюсов АН-47, АН-348А, ФКС-3 составляет от 50% до 100%о, на мелких фракциях составляет от 20% до 50%). Более высокий процент вероятности БЗД на крупных фракциях объясняется тем, что крупные гранулы, попав под электрод, в большинстве слу103 чаев оттесняются им. Небольшой процент попавших под электрод гранул флюса раздавливаются. В связи с этим вероятность бесконтактного зажигания дуги для плавленого флюса АН-47 составила 50 - 70%, а для АН-348А - 100% из-за более низкой механической прочности последнего. Гранулы плавленых флюсов разрушаются взрывообразно на мелкие части, удаляя из-под электрода мелкую пылевидную фракцию, которая бы затрудняла подход электрода к изделию. Керамические флюсы обладают более низкой механической прочностью по сравнению с плавлеными, но при раздавливании их гранул под электродом образуется пленка, состоящая из слипшихся пылевидных частиц, которая препятствует бесконтактному зажиганию дуги. Поэтому вероятность БЗД для керамических флюсов ниже чем для плавленых и составляет для ФКС-3 на крупных фракциях 80%, а для ВПН-1 менее 10%.
В последнем случае на поверхности пластины образуется пластичный На мелких фракциях наблюдается только раздавливание электродом гранул флюса, т.к. его диаметр значительно превышает размер гранул. В этом случае сферический конец электрода можно считать плоскостью. Образовавшийся пылевидный слой из раздавленных гранул флюса препятствует подходу электрода на пробивные расстояния, что затрудняет бесконтактное зажигание дуги. Вероятность БЗД для плавленых флюсов и керамического ФКС-3 на мелких фракциях составила 20- -50%. Для керамического флюса ВГТН-1 бесконтактное зажигание дуги практически не наблюдалось. Анализ табл. 4.7 и гистограмм (рис. 28 - 30) показывает, что вероятность бесконтактного зажигания дуги при сварке во время зажигания дуги для исследуемых флюсов на мелких фракциях составляет до 100%, а на крупных фракциях составляет от 88%о до 100%). Уменьшение вероятности БЗД на 4% -12% наблюдается только у плавленых флюсов на крупных фракциях.
Объясняется это механизмом подхода электрода к изделию. Как указывалось ранее, крупные гранулы в большинстве случаев оттесняются электродом и только в небольшом количестве случаев сферический конец электрода под действием механизма подачи упирается в зерно флюса и фиксируется на нем. При перемещении сварочной головки электрод изгибается. В результате действия двух этих факторов электрод соскальзывает с зерна флюса и достигает расстояния, достаточного для возникновения электрического пробоя. Скорость подхода электрода к изделию в этом случае составляет сумму скорости подачи и скорости пружинного выпрямления электрода во время соскальзывания с зерна флюса. Увеличение скорости сокращения межэлектродного промежутка приводит к утыканию электрода в пластину, так как скорость сокращения межэлектродного промежутка превышает скорость развития дугового промежутка благодаря плавлению электрода. У керамических флюсов из-за более низкой механической прочности такая картина не наблюдается. На мелких фракциях для керамических флюсов наблюдается задержка зажигания до 0,5 с, что связано с удалением пленки флюса из-под электрода (эффект "процарапывания"), для плавленых флюсов - до 0,2 с. Для заводских поставок флюсов (смесь фракций) наблюдается-100% бесконтактное зажигание дуги. Проведенные опыты показали, что шлаковая корка на конце электрода, оставшаяся после сварки, не оказывает влияния на бесконтактное зажигание дуги, т.к. в процессе прохождения электрода через флюс она соскальзывает с его гладкой поверхности и легко разрушается из-за низкой механической прочности (0,002 кН).
