Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 9
1.1. Основные проблемы управления механизированной сваркой. 9
1.2. Анализ зажигания дуги и установления процесса сварки. 18
1.3. Классификация способов зажигания дуги. 31
1.4. Сравнительный анализ применимости теории электрического
пробоя к условиям зажигания дуги при сварке. 46
1.2. Схема объекта исследований. 52
1.3. Методы исследований. 54
1.4. Цель и задачи работы. 55
2. Управление электрическими процессами при бесконтактном зажигании сварочной дуги 58
2.1. Электрический пробой в газах при больших межэлектродных расстояниях.
2.2. Низковольтный импульсный разряд между сближающимися электродами. 62
2.3. Определение условий электрического пробоя межэлектродного промежутка при механизированной сварке. 72
2.4. Механизм возникновения и развития низковольтного импульсного разряда как главное условие бесконтактного зажигания дуги. 75
2.5. Факторы, влияющие на напряжение возникновения и развития низковольтного импульсного разряда. 109
2.6. Факторы, влияющие на зажигание дуги и переход к установившемуся процессу сварки в защитных газах. 115
2.7. Выводы. 143
3. Динамические характеристики привода подачи электрода при механизированной сварке 146
3.1. Экспериментальные установки для проведения исследований . 146
3.2. Динамика системы «сварочная головка - электрод - изделие». 154
3.3. Экспериментальное исследование динамики системы «сварочная -головка - электрод - изделие» при сварке под флюсом. 163
3.3.1. Исследование силового воздействия электрода на изделие при сварке под флюсом. 165
3.3.2. Исследование движения электродной проволоки в направляющем канале сварочного полуавтомата в начальный момент зажигания дуги. 175
3.3.3. Влияние угла наклона электрода к изделию на зажигание дуги и переход к установившемуся процессу сварки. 192
3.3.4. Влияние способа включения подачи проволоки на зажигание дуги. 198
3.4. Программирование окончания процесса сварки. 200
3.5. Разработка системы торможения привода подачи электродной проволоки. 202
3.6. Выводы. 207
4. Особенности бесконтактного зажигания дуги и переход к установившемуся процессу при сварке под флюсом. 209
4.1. Исследование факторов, влияющих на бесконтактное зажигание
дуги при сварке под флюсом. 209
4.2. Влияние гранулометрического состава флюса на бесконтактное зажигание дуги. 211
4.3. Влияние механических свойств флюсов на бесконтактное зажигание дуги. 224
4.4. Исследование влияние основных параметров сварочного процесса на бесконтактное зажигание дуги. 246
4.4.1. Скорости подачи электрода. 246
4.4.2. Диаметра электрода. 250
4.4.3, Напряжения холостого хода сварочного источника питания. 252
4.5. Нарастание глубины проплавлення при зажигании дуги. 253
4.6. Выводы. 256
5. Практическая реализация основных положений работы. 258
5.1. Универсальный источник питания для механизированной сварки. 258
5.2. Устройства управления различными источниками питания для реализации способа бесконтактного зажигания дуги. 271
5.3. Разработка универсальной схемы управления тиристорным сварочным выпрямителем. 286
5.4. Разработка схемы универсального подающего механизма сварочного полуавтомата. 296
5.5. Выводы. 310
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕДАЦИИ. 311
ЛИТЕРАТУРА. 314
- Основные проблемы управления механизированной сваркой.
- Электрический пробой в газах при больших межэлектродных расстояниях.
- Экспериментальные установки для проведения исследований
Введение к работе
Дуговая сварка является одним из самых распространенных видов сварки, получивших широкое применение во многих отраслях народного хозяйства.
Широкое применение получила механизированная сварка в защитных газах диаметром электрода от 0,8 мм до 2,0 мм и под флюсом плавящимся электродом диаметром от 2,0 мм до 6.0 мм. Применяемые при этом полуавтоматы и автоматы содержат механизмы, обеспечивающие подачу электродной проволоки в зону сварки с постоянной скоростью [1,2].
Основные исследования в области механизированной сварки плавящимся электродом на постоянном токе с постоянной скоростью подачи велись по управлению собственно сварочным процессом. Однако на качество сварного соединения, кроме собственно сварочного процесса, значительное влияние оказывает начальная стадия - зажигание сварочной дуги.
Установление процесса при механизированной сварке в среде защитных газов носит циклический характер, то есть происходит после нескольких циклов соприкосновения электрода с изделием, горения и обрыва дуги и является неуправляемым процессом. Это ухудшает качество начальных участков швов, приводит к значительному увеличению подготовительного времени, непроизводительному расходу сварочных материалов и электроэнергии, особенно при выполнении коротких швов, обварке труб небольшого диаметра.
Существуют различные способы зажигания дуги при сварке под флюсом. Наиболее распространенным является способ реверсирования электрода. При этом сварочный электрод предварительно закорачивается с изделием, и дуга зажигается при разрыве межэлектродного промежутка под напряжением сварки. Этот способ часто вызывает обрыв дуги и не гарантирует надежное начальное ее зажигание. Поэтому в большинстве случаев сварка начинается на выносных пластинах, которые после окончания сварки удаляются, что ведет к значительным затратам времени, сварочных материалов и электроэнер гии. Кроме этого, даже при зажигании дуги с первого раза, не обеспечивается глубокое проплавление в начале шва из-за низкого тепловложения.
Другие способы предусматривают подготовку конца электрода (заточку) и непосредственную его подачу через флюс до соприкосновения с изделием, однако это не гарантирует надежного зажигания дуги и ведет к значительному увеличению подготовительного времени.
При зажигании дуги подачей электрода непосредственно через флюс, без применения каких-либо схем управления процессом, было установлено, что вероятность зажигания составляет от 3% до 40%.
Известны попытки бесконтактного зажигания дуги под флюсом с использованием для пробоя межэлектродного промежутка высоковольтного, высокочастотного напряжением 2-4 кВ, 250 - 400 кГц от сварочного осциллятора. Однако в этом случае усложняется работа сварочного оборудования и возникают помехи по сети и эфиру.
Таким образом, все перечисленные ранее способы зажигания сварочной дуги под флюсом не гарантируют надежного зажигания дуги, т.к. не являются полностью управляемыми, требуют значительного времени на подготовку и не отвечают требованиям ресурсо и энергосбережения.
При сварке неплавящимся электродом зажигание дуги осуществляется бесконтактным способом при непрерывном сближении электродов путем ионизации и пробоя межэлектродного промежутка, как правило, осциллятором.
Осциллятор предназначен для создания искрового разряда в межэлектродном промежутке путем наложения импульсов высокого напряжения повышенной частоты [3].
Наряду с преимуществами осцилляторов, позволяющими быстро и надежно зажигать дугу, они обладают и рядом недостатков, ограничивающих их широкое применение.
Наиболее перспективным решением рассматриваемой проблемы - управляемости процесса зажигания сварочной дуги, является использование способа бесконтактного зажигания дуги при низких сварочных напряжениях.
Настоящая работа посвящена решению важной и актуальной задачи решению проблемы управляемости процессом зажигания сварочной дуги при механизированных способах сварки плавящимся и неплавящимся электродом на постоянном токе, отвечающего условиям ресурсо и энергосбережения, надежности и современным требованиям техники безопасности.
В работе рассмотрены способы зажигания дуги и дана их классификация. Рассмотрена общая теория электрического пробоя между сближающимися сварочными электродами. Установлены факторы, влияющие на возможность электрического пробоя дугового промежутка при зажигании дуги напряжением, не превышающим напряжение холостого хода серийного сварочного источника питания при механизированной сварке плавящимся электродом и неплавящимся электродом. Определены условия возникновения низковольтного импульсного разряда и его перехода в дуговой разряд и далее к параметрам установившегося процесса сварки под флюсом. Разработано, изготовлено и внедрено оборудование для бесконтактного зажигания дуги.
Разработанный способ зажигания дуги позволяет осуществить процесс управления начальной стадией сварочного процесса от источника питания с напряжением, не превышающим напряжение холостого хода серийного сварочного оборудования [4,5]. Напряжение холостого хода источника питания - это напряжение на выходных клеммах сварочного источника питания при токе нагрузки, равном нулю, либо равном току включения тиристоров (для тиристорных источников питания).
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению механизма инициации электрического пробоя и его перехода к низковольтному импульсному разряду (НИР);
- результаты экспериментальных исследований факторов, влияющих на бесконтактное зажигание дуги и его переход к заданным параметрам режима сварки при механизированной сварке плавящимся электродом;
- алгоритмы управления бесконтактным зажиганием дуги при механизированной сварке, обеспечивающие высокую надежность и управляемость процесса;
- математическая модель движения сварочной проволоки в направляющем канале полуавтомата в начальный момент зажигания дуги;
- модель силового взаимодействия в системе "сварочная головка - электрод - изделие" при сварке под флюсом;
- схемное решение управления зажиганием дуги при механизированной сварке плавящимся электродом на постоянном токе как для модерни X зации существующих тиристорные источников питания, так и для универсального сварочного источника питания.
Разработанные способы и устройства защищены четырьмя авторскими свидетельствами и внедрены: ПО "Красный котельщик" г. Таганрог, ОАО "Ростсельмаш" г. Ростов/Дон, завод дробильных машин г. Выкса, Белгородский завод металлоконструкций, на восьми ремонтных предприятиях СКЖД. Работа выполнялась в лабораториях кафедры "Технология металлов" Ростовского государственного университета путей сообщения.
По теме диссертации опубликовано 34 работ, в том числе две монографии и получено четыре авторских свидетельства.
Результаты исследований по теме диссертации были доложены на Всесоюзном научно-техническом семинаре по применению импульсных процессов в сварке в 1987 г., на семинаре «Научные достижения в сварке» в 1988 г., ежегодных научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава РГУПС с 1989 г. по 2004г., на Международной конференции в г. Москве, в ноябре 2000 года, на научно-технической конференции в МГТУ им. Баумана, 2002 г., на заседании кафедры МиАСП ДГТУ, 2002 г., на международном конгрессе «Триботранс» в 2003 г., семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ им. Баумана, 2005 г.
Основные проблемы управления механизированной сваркой
Механизированная дуговая сварка электродными проволоками диаметром 0,8 - 3,2 мм (сплошная и порошковая) в среде защитных газов получила широкое применение в сельхозмашиностроении, автомобилестроении, на железнодорожном транспорте и во многих других отраслях народного хозяйства. Количество швов, выполняемых в год на один сварочный пост, в среднем составляет для отрасли сельхозмашиностроения по данным ОАО "Ростсельмаш" 0.3 - 0.6 106.
Учитывая, что процесс сварки устанавливается не сразу, а после нескольких циклов замыканий электрода с изделием, горения и обрыва дуги, приводящих к непроизводительному расходу электродной проволоки, защитного газа, ухудшению качества начальных участков швов и повышенному расходу электроэнергии, повышение стабильности установления процесса сварки и сокращение его времени является актуальной задачей, особенно при выполнении коротких и прерывистых швов, прихваток, обварке труб небольшого диаметра и дуговой точечной сварке.
В связи с развитием автоматизации процессов дуговой сварки плавящимся электродом, расширением применения станков-автоматов и сварочных роботов, к зажиганию дуги и установлению процесса сварки предъявляется ряд требований:
- должна обеспечиваться управляемость и стабильность зажигания дуги, так как нестабильный по времени процесс зажигания дуги, имеющий случайный характер, может приводить к снижению качества продукции и производительности даже при надежной работе самих систем управления процессом сварки;
- время установления процесса сварки должно быть минимальным;
- должны выполняться условия ресурсо- и энергосбережения;
- должно обеспечиваться быстрое нарастание глубины проплавлення и отсутствие дефектов в начале шва;
- синхронизация работы нескольких сварочных головок;
- необходимо исключить или уменьшить до минимума случаи "примерзания" электродной проволоки к токоподводящему наконечнику или изделию и уменьшить механические воздействия на сварочную горелку, возникающие от "утыканий" электрода в изделие при зажигании дуги.
К особенностям механизированной сварки в среде защитных газов относятся:
1. Подача электродной проволоки осуществляется через направляющий канал сварочного полуавтомата длиною до 3,0 метров.
2. Подход сварочной проволоки под углом к изделию в момент зажигания дуги.
3. Включение двигателя подачи проволоки от датчика тока или от кнопки на сварочной горелке.
4. Отсутствие эффективного и надежного устройства торможения для трехфазных асинхронных двигателей подачи проволоки.
5. «Человеческий» фактор, связанный с возможным увеличением результирующей скорости перемещения сварочной горелки к изделию в момент зажигания дуги.
К особенностям автоматической и механизированной сварки под флюсом относится:
1. Препятствие, оказываемое флюсом подходу электрода к изделию на расстояния, достаточные для бесконтактного зажигания сварочной дуги.
2. Необходимое силовое воздействие электрода на гранулы флюса.
3. Пружинное соскальзывание электрода с частиц флюса при перемещении сварочной головки вдоль шва со скоростью сварки.
Для разработки управляемого, надежного и универсального бесконтактного способа зажигания сварочной дуги необходимо решение комплексной задачи:
1. Возникновения и развития низковольтного импульсного разряда.
2. Перехода от низковольтного импульсного разряда к заданным параметрам режима сварки.
3. Пружинного распрямления электродной проволоки, накопленной в направляющем канале, в момент зажигания сварочной дуги.
4. Изменения условий зажигания дуги при изменении угла подхода электрода к изделию.
5. Устранения препятствия подходу электродной проволоки на расстояние, достаточное для бесконтактного зажигания сварочной дуги при сварке под флюсом.
6. Взаимодействия электродной проволоки, частиц флюса и изделия в момент зажигания сварочной дуги.
7. Формирование капли минимально возможного диаметра на конце электрода при окончании процесса сварки.
8. Эффективного и надежного торможения двигателя подачи проволоки сварочного полуавтомата в момент окончания процесса сварки.
Электрический пробой в газах при больших межэлектродных расстояниях
Для разработки бесконтактного способа зажигания дуги необходимо исследовать электрический пробой в защитных газах применительно к условиям сварки для постоянно сближающихся электродов.
Поисковые опыты по исследованию пробоя межэлектродного промежутка проводились на экспериментальной сварочной установке при неподвижных электродах для заранее установленного зазора в различных газовых средах - воздух, СОг, Аг, Не. Электродами являлись: сварочная проволока марки Св-0,8 Г2С диаметром d3 = 1,6 мм и пластины из Ст.З.
При определенном зазоре между электродами, который определялся специальным щупом, на межэлектродный промежуток подавалось напряжение, которое плавно увеличивалось до пробивного. Наличие зазора между электродами контролировалось прибором. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки показана на рис.2.1.
Схема состоит из повышающего трансформатора ТІ, автотрансформатора регулировочного Т2, последовательного диода VD1, служащего для однопо-лупериодного выпрямления и заряда батареи конденсаторов С, переключателя SA, контролирующего вольтметра и токоограничивающего резистора R1, через который батарея конденсаторов разряжается на межэлектродный промежуток заранее установленной величины. Индикаторная лампочка Н показывала наличие напряжения на межэлектродном промежутке.
Значения пробивной напряженности поля для определенных зазоров в различных газовых средах, приведены в табл.2.1. Каждое значение напряженности поля определялось как среднее в серии из 20 опытов.
Существует четыре типа процессов, возникающих между сближаемыми контактами в зависимости от исходных параметров и условий:
- дуговой разряд;
- искровой разряд;
- низковольтный импульсный разряд или короткая дуга;
- мостиковый перенос (отсутствие разрядных явлений). Первые три процесса являются электрическими разрядами в газах. Дуговой разряд характеризуется электронной и ионной проводимостью межэлектродного промежутка, наличием катодного пятна и плазмы, малым значением катодного падения напряжения. Для стационарного дугового разряда напряжение на электродах и ток не могут быть меньше некоторых минимальных значений, зависящих от материала электродов и среды. Разрушению в дуговом разряде, как правило, подвергается катод благодаря выделению энергии при торможении положительных ионов.
Искровой разряд является нестационарным и осуществляется пробоем межэлектродного промежутка при достаточно высоком напряжении (порядка 300 В для воздуха при атмосферном давлении и достаточно малом сопротивлении цепи). Искровая лавина переходит в дуговой или тлеющий разряд в зависимости от условий.
Минимальное пробивное напряжение для возникновения искрового разряда равно катодному падению напряжения тлеющего разряда и составляет для различных металлов в воздухе 220-370 В.
Низковольтный импульсный разряд (короткая дуга) возникает при сравнительно низких напряжениях 10-50 В и малых расстояниях, порядка 10"4-10 6см. Принято считать, что этот процесс порождается автоэлектронной эмиссией катода. /
Мостиковый перенос или мостиковая эрозия возникает при коммутации цепей в том случае, когда приложенное напряжение ниже минимального напряжения, обеспечивающего какой-либо разряд в газах.
Основное внимание в настоящей работе уделено низковольтному импульсному разряду, т.к. его возникновение соответствует условиям зажигания дуги при сварке. Прежде чем перейти к изложению современной теории этого явления следует отметить, что термин "короткая дуга", которым называют низковольтный импульсный разряд, является неудачным, т.к. между процессами низковольтного импульсного разряда и электрической дугой имеются существенные различия:
- необходимым условием существования дуги является наличие газоразрядной плазмы. В межэлектродном промежутке, в так называемой "короткой дуге", плазмы нет;
- напряжение "короткой дуги" ниже суммы приэлектродных падений напряжения нормальной дуги в тех же условиях;
- напряжение дуги зависит от состава защитной среды и электродов. "Короткая дуга" нечувствительна к составу и давлению защитной среды;
- для зажигания и существования дуги определенную роль играют термические явления: термоэлектронная эмиссия катода, термическая ионизация в столбе дуги и т.д. У "короткой дуги" термоэлектронная эмиссия и термическая ионизация невозможны.
Для существования низковольтного импульсного разряда необходима электронная эмиссия катода и ионизация газа, которая должна носить лавинообразный характер при образовании электрического пробоя.
При возникновении электрического пробоя между холодными контактами термоэлектронная эмиссия не возникает.
Пользуясь теорией тепловых процессов, можно определить рост темпе-ратуры поверхности во времени в зависимости от плотности тока (10 А/см ) и напряжения между электродами.
Экспериментальные установки для проведения исследований
Для исследования возможности пробоя и возникновения низковольтного импульсного разряда при напряжениях ниже или равных напряжению холостого хода источников питания сварочной дуги была спроектирована и изготовлена специальная установка, имитирующая автоматическую сварочную головку для сварки плавящимся электродом в среде защитного газа. Большинство опытов проводилось при скорости подачи электрода 254 м/ч, что, примерно, соответствует скорости подачи электродной проволоки при сварке плавящимся электродом диаметром 1,6 мм в углекислом газе, током 1СВ = 250А.
В качестве источников питания использовались сварочный преобразователь ПСГ-500, выпрямитель ВДУ-504УЗ, стартерные аккумуляторы, заряженная батарея конденсаторов.
Для ограничения развития разряда и предотвращения плавления электродов последовательно в цепь электродов введены токоограничивающий резистор и плавкий предохранитель. Поэтому все процессы, происходящие при сближении электродов, заканчивались коротким замыканием электродов с ограничением тока (рис.3.1.).
Фотографирование процесса возникновения и развития низковольтного импульсного разряда осуществлялось фотоприставками с экранов запоминающих осциллографов С8-14 - со скоростью записи луча 2000 км/с и С8-12 - со скоростью записи луча 3000 км/с, и разверткой до 0,01 -10"6 с/дел. Для запуска развертки использовался контактный датчик с микрометрическим винтом, позволяющий производить регистрацию процессов до 0,1 10 6 с/дел. В цепь запуска развертки запоминающего осциллографа С8-14 введен блок задержки на 40-10 6 с, что позволяет производить запись процессов, происходящих как в момент пробоя, так и до него. При записи тока использовался безиндуктивныи шунт; индуктивность исследуемой цепи с электродами составляла около L = 0,2 10"6 Гн, емкость -1пФ.
Процессы, записанные на экранах осциллографов, фотографировались специальными фото приставками с фотоаппаратом "Зенит TTL" с объективом "Гелиос 44" на фотопленку А-2 чувствительностью 450 единиц ГОСТа.
Для записи и обработки полученных данных при возникновении и развитии НИР в дальнейшем использовался цифровой запоминающий компьютерный осциллограф РС500А с разверткой до 20 не.
Для исследования влияния индуктивности на возникновение и развитие низковольтного импульсного разряда, в сварочную цепь включался дроссель с двумя ступенями индуктивности -175-10" Гн и 675 10" Гн.
Разработанная экспериментальная установка является универсальным устройством и позволяет исследовать влияние различных факторов на процесс зажигания дуги.
Конструкция данной установки позволяет изменять скорость подачи электрода от 254 м/ч до 763 м/ч; диаметр электрода от 0,8 мм до 3,0 мм; индуктивность цепи от 0,2-10"6 Гн до 675-10"6 Гн; применять различные источники питания сварочной дуги; производить запись процессов, происходящих при зажигании дуги на экраны осциллографов.
Для создания одинаковых начальных условий при повторном сближении электродов под напряжением производилась предварительная подготовка поверхности электродов.
