что такое импульсно дуговая сварка плавящимся электродом
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом с программным регулированием процесса
Электродуговая сварка плавящимся электродом получила наибольшее распространение в промышленности. Непрерывное совершенствование различных способов ее осуществлялось путем улучшения конструкции и характеристик аппаратуры, расширения ассортимента электродной проволоки, выбора типа защиты дуги и характеристик источника питания и т. п. С целью повышения качества швов все усилия до сих пор были направлены на разработку источников питания и систем автоматического регулирования, обеспечивающих неизменность выбранных параметров режима в процессе сварки.
Известно, что основные параметры режима: ток Iсв, напряжение Uд длина дуги и др. — претерпевают в процессе сварки изменения. Эти изменения происходят как при воздействии на дугу внешних возмущений (напряжения сети, разделки шва), так и закономерно возникающих в процессе плавления электродной проволоки в зоне дуги.
Периодические изменения параметров режима дуговой сварки вызываются капельным переносом металла, блужданием активных пятен и столба дуги вследствие электромагнитных, тепловых и других воздействий. С уменьшением устойчивости горения дуги они увеличиваются. В результате изменяются геометрические размеры шва.
Разработка сварочных источников питания и систем автоматического регулирования сварочной дуги позволила повысить устойчивость ее горения и в определенной мере стабилизировать размеры сварных швов. Однако в этих источниках питания и системах автоматического регулирования не предусматривалось управление процессами образования и отрыва капель электродного металла. He удавалось внести коренные изменения в процессы формирования шва, ход металлургических реакций в дуге и увеличение производительности сварки.
Совершенно очевидно, что дальнейшее повышение качества и производительности дуговой сварки возможно лишь при более глубоком изучении явлений, протекающих в дуге, и разработке новых приемов, позволяющих активно управлять образованием и переносом капель электродного металла. Наиболее перспективным в данном случае является исследование дугового разряда и плавления электрода при кратковременных периодических изменениях тока, напряжения и длины дуги, задаваемых источником питания. Работы, выполненные в Институте электросварки им. Е.О. Патона, позволили определить условия, обеспечивающие возможность активного воздействия на характер изменения физических процессов в разрядном промежутке. В результате разработан новый способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах, под флюсом и без защиты дуги с возможностью программного управления образованием каждой капли плавящегося электрода и, как следствие, размерами и формой сварного шва во всех пространственных положениях.
Наиболее важным при дуговой сварке плавящимся электродом можно считать процесс формирования капли электродного металла и ее перенос в сварочную ванну на изделии. При обычных способах сварки мы лишены возможности управлять формированием капли на конце электрода, так как характер переноса металла зависит от режима сварки, который задается обычно неизменным во времени в основном из технологических соображений (размеров шва, его пространственного положения и др.). Известно также, что при обычном способе сварки наиболее благоприятен мелкокапельный (или струйный) перенос металла, происходящий при больших токах и характеризующийся повышением давления дуги и концентрацией теплового потока по оси ее столба.
Следовательно, чтобы управлять процессом образования капли при мелкокапельном переносе металла независимо от технологических характеристик шва необходимо периодически изменять мгновенную мощность дугового разряда. Импульс мощности должен быть достаточным для образования на конце электрода капли металла необходимых размеров и переноса ее на изделие. Такой процесс, названный нами импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом, может быть осуществлен по схеме, приведенной на рис. 1.
Анализируя полученные данные, можно приближенно дать следующее описание явлений, протекающих в течение одного цикла. Тепло, выделяемое основной дугой в промежутке между импульсами, сравнительно невелико и недостаточно для плавления электродной проволоки с заданной скоростью. Вследствие этого длина дугового промежутка непрерывно уменьшается. Под действием импульса тока происходит ускоренное оплавление электродной проволоки, и образовавшаяся на конце электрода капля металла сбрасывается в сварочную ванну. Скорость плавления проволоки при этом превышает скорость ее подачи и длина дуги резко возрастает.
Таким образом, наложение импульсов тока на основную дугу значительно расширяет диапазон рабочих токов. Появляется возможность также использовать проволоки 01,6 и 2,0 мм для сварки тонкого металла во всех пространственных положениях вместо применяемых проволок 01,0. 1,2 мм. Благодаря этому представляется возможным упростить и облегчить сварочную аппаратуру для полуавтоматической сварки алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.
Исследования показали, что импульсное изменение мгновенной мощности дугового разряда позволяет управлять скоростью плавления электрода. Соответствующим подбором тока основной дуги и импульсов можно повысить скорость плавления электродной проволоки до 30 %.
От соотношения тока основной дуги и импульсов зависит различный характер образования и отрыва капель с электрода. Так, перенос капли с электрода может происходить при каждом импульсе тока и не при каждом, например, через один импульс. При мощных импульсах тока большой длительности возможно образование и отрыв от электрода нескольких капель на протяжении одного импульса.
Изучение переноса металла при помощи скоростной киносъемки показало, что при наложении импульса тока происходит резкое увеличение электродинамических сил, которые формируют жидкий металл на электроде в виде капли с быстро сужающейся шейкой (рис. 2) и сбрасывают ее строго в направлении сварочной ванны при любом пространственном расположении шва.
Это явление наблюдалось как при мелкокапельном переносе типа струйного, так и при крупнокапельном переносе металла во всем диапазоне рабочих токов. Принудительный направленный перенос значительно уменьшает разбрызгивание и упрощает технику выполнения полуавтоматической сварки в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях.
Из различных видов возможного переноса электродного металла при импульсно-дуговой сварке наиболее поддается управлению процесс, при котором каждый импульс тока приводит к отрыву только одной капли. В этом случае, регулируя параметры импульсов тока и частоту их следования, можно задавать определенный размер капель электродного металла и время пребывания их в дуге. Последнее обстоятельство позволяет достаточно точно задавать ход металлургических реакций при сварке и получать требуемый состав и свойства шва. В качестве примера в таблице приведен химический состав двух швов, выполненных импульсно-дуговой сваркой на одном и том же токе, но с различной частотой следования импульсов. Сварка производилась постоянным током обратной полярности без защиты дуги.
Доля основного металла в обоих швах и их размеры были практически одинаковы. Размеры капель и время пребывания их в дуговом промежутке определены путем обработки кадров скоростной киносъемки.
Импульсное изменение тока оказывает большое воздействие на ванну жидкого металла и формирование шва. Подбором параметров импульсов тока и частоты их следования представляется возможным изменять форму и размеры шва. На рис. 3 приведена форма поперечного сечения наплавок на сталь Ст.З, выполненных импульсно-дуговой сваркой при различных соотношениях тока импульсов и основной дуги и неизменной средней погонной энергии процесса.
Наложение импульсов тока вызывает пульсацию давления дуги, которая улучшает формирование шва. Валик шва становится мелкочешуйчатым с плавным переходом к основному металлу. При сварке угловых соединений легко удается получить нормальное и ослабленное сечение шва без подрезов. Пульсация давления дуги способствует также поддержанию жидкой металлической ванночки и предотвращает ее отекание при сварке вертикальных, горизонтальных и потолочных швов. Благодаря этому можно увеличить сечение шва, выполняемого за один проход во всех пространственных положениях.
Повышение стабильности процесса, увеличение глубины провара и пульсирующее давление дуги значительно облегчают технику полуавтоматической сварки вертикальных, горизонтальных и потолочных швов и обеспечивают возможность ведения процесса с более высокими скоростями чем обычно. На рис. 4 приведены макрошлифы поперечного сечения угловых швов, выполненных обычной дуговой и импульсно-дуговой сваркой в вертикальном положении сверху вниз. Как видно из рисунка, несмотря на увеличение скорости сварки, глубина провара при импульсно-дуговой сварке намного больше чем при обычной.
Разработанный способ импульсно-дуговой сварки открывает широкие возможности для автоматического регулирования переноса электродного металла при выполнении шва. Регулирование момента образования капли, ее размеров и переноса может осуществляться по наперед заданной жесткой программе и по программе с автокоррекцией. В качестве параметра обратной связи в последнем случае могут быть использованы изменения электрических величин (напряжения, тока либо мощности дуги), характеризующие определенные закономерности при плавлении электрода (короткие замыкания дуги, момент отрыва капли и др.), а также изменения толщины деталей, размеров разделки и др. Применение автокоррекции позволяет полностью автоматизировать дуговую сварку различных изделий во всех пространственных положениях с высокой производительностью и заданными наперед геометрическими размерами и свойствами шва.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что способ импульсно-дуговой сварки обладает значительными преимуществами перед известными и в ближайшем будущем найдет широкое применение в промышленности. Наиболее перспективными областями внедрения импульсно-дуговой сварки являются полуавтоматическая сварка изделий из алюминиевых сплавов и сталей средних толщин, имеющих швы, расположенные во всех пространственных положениях, сварка металлов средних толщин на повышенных скоростях и материалов с большой теплопроводностью, а также сварка в защитных газах и средах с высокими потенциалами ионизации.
1. Разработан новый способ импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом, отличающийся наложением на дугу постоянного тока кратковременных мощных импульсов тока.
2. Программное регулирование импульсов тока позволяет управлять плавлением проволоки, переносом электродного металла, химическим составом, формой и размерами сварных швов во всех пространственных положениях.
3. По сравнению с другими способами при импульсно-дуговой сварке благодаря повышению устойчивости горения дуги значительно расширяется диапазон рабочих токов, повышается производительность и упрощается техника выполнения вертикальных, горизонтальных и потолочных швов.
4. Применение программного управления с автокоррекцией позволяет полностью автоматизировать процесс выполнения сложных швов импульсно-дуговой сваркой во всех пространственных положениях.
Импульсно-дуговая сварка — обзор технологии и оборудования
Импульсно дуговая сварка – это разновидность дуговой сварки, только с дополнительными толчками тока, который постоянно меняется от постоянного к переменному. Частота колеблется в пределах 20-250 Гц. Преобразованный сигнал различается по форме и углу волны, меняет пористость и отклонение. Эти показатели оказывают воздействие на режимы и свойства сварки. Сварочные аппараты на инверторно-импульсной основе обладают рядом достоинств и используются в различных нишах промышленности. Метод представляет собой процесс плавления проволоки под воздействием высокой температуры нагрева дуги и перенос расплавленного материала в ванну практически без рассеивания частиц. При импульсе тока образуется капля жидкого металла, которая попадает в зону соединения двух металлических поверхностей. При снижении температуры, когда нет импульса тока, происходит охлаждение поверхности. Такой способ позволяет работать с тонкими металлами, не прожигая их насквозь. Точечная сварка – это другой метод соединения металлов, в нем присутствует механическое воздействие силой. Такая технология была изобретена еще в начале двадцатого столетия, нашла свое признание и начала активно развиваться. Сейчас аппаратом для такого рода сварки может пользоваться даже новичок, полностью не изучивший все азы сварочного дела.
Особенности импульсной сварки
Этому виду сварки под силу соединение таких капризных металлов как сплавы меди, сталь и многие другие цветные сплавы, в том числе алюминиевые. Импульсная сварка отлично справляется со сложными стыковыми швами при соединении металлических заготовок с толстыми краями.
Исторически импульсная сварка была изобретена и разработана в качестве конкурентного метода электродуговой технологии, у которой имеются определенные недостатки с точки зрения производительности и качества сварочного шва.
Что выбрать – полуавтоматическую или импульсно-дуговую?
На сегодняшний день единственным конкурентом импульсного метода является сварка полуавтоматом. Основными технологическими преимуществами полуавтомата являются высокая скорость выполнения работ, широкий выбор защитных газов, а также постоянство процесса. Есть и недостатки:
Подбор оборудования зависит от специфики проводимых работ. Если в списке требований на первом месте стоит качество сварочного шва с четким обратным валиком, выбор очевиден – импульсно-дуговая сварка. Полуавтомат лучше использовать при проведении работ на значительных площадях.
Суть процесса
Принцип импульсной сварки.
Если коротко, то это процесс последовательного расплавления металла заготовки в определенных точках со следующим этапом в виде покрытия.
Главный элемент данного процесса – так называемая дежурная дуга невысокой мощности, которая продолжает работать в остановках между повторяющимися импульсами и передает импульсный ток лишь частично.
Эта дуга практически не влияет на металл между импульсами, она отлично и устойчиво горит в пространстве. Второе состояние этой же дуги – импульсное, которое плавит металл в точках приложения.
Соотношение токов от дуги в разном состоянии – импульсном и дежурном должно быть правильным, что может ускорить сварку и повысить качество шва.
Возможности классической дуговой сварки в среде защитных газов сильно расширяются, если металл плавится под воздействием импульсной дуги.
Короткие импульсы производятся за счет энергии специального аккумулятора, который предварительно заряжается от электрической цепи. Главная технологическая особенность и преимущество метода – способность импульсной сварки формировать неразъемные соединения металлов с абсолютно разным составом.
Оборудование для импульсной сварки требуется особое – это особый специализированный – импульсный сварочный аппарат с определенными расходными материалами. Импульсный аппарат генерирует дозированные сварочные импульсы.
Расходными материалами являются разного рода электроды – плавящиеся и неплавящиеся.
В состав импульсного сварочника входят следующие элементы:
Электрическая схема устройства импульсной сварки.
Два способа импульсной сварки определяются выбором и использованием электродов:
Так или иначе это контролируемый повторяющийся процесс переноса расплавленного металла расходника в защитной среде газа.
Вот как это происходит:
С точки зрения электрической составляющей процесса импульсной сварки в аппарате применяется трансформация сетевого напряжения в выпрямленное постоянное, после чего оно превращается в напряжение с высокой частотой.
Импульсный сварочник своими руками
Схему устройства импульсной сварки своими руками можно найти на многих ресурсах. Запчасти для импульсного сварочного аппарата имеются в свободной продаже, а потому никто не сможет вам помешать изготовить аппарат дома. Аппарат для точечной сварки можно изготовить из обычной микроволновки.
Пример схемы импульсного сварочного аппарата
Перед изготовлением необходимо произвести расчет мощности и силы тока. Если поискать, примеры расчета найдете на специализированных форумах. Таким образом, собрать инверторный импульсный сварочный аппарат способен каждый. Главное — забывайте про соблюдение техники безопасности во время сборки.
Технические нюансы
До начала работы приёмник энергии нужно подключить к сети электропитания, чтобы зарядить его до нужного уровня. Сама импульсная сварка занимает совсем немного времени, так как используется энергия, имеющаяся в запасе в приемнике. Такую сварку вполне можно выполнить своими руками, она совсем не сверхсложная.
При этом способе отлично контролируется и минимизируется малоприятное явление в виде разбрызгивания капель расплавленного металла. Имеется прекрасная возможность производить сварочные швы высокого качества практически в домашних условиях.
Швы формируются вследствие расплавления отдельных порций металла с последующим покрытием.
Важнейший момент – правильное выставление режима импульсной и дежурной дуги. Если режим верный, процесс пройдет быстро, правильно и, самое главное, безопасно, без всяких кратеров в ответственных стыковых участках.
Импульсная сварка на постоянном токе
Жесткость режима является технологической особенностью данного метода. Все дело в длительности импульса. Если его поменять, изменятся все параметры сварки.
Одно из важных преимуществ – возможность контролировать и минимизировать кристаллизацию металла. Можно изменять форму сварочной ванны. Дополнительно можно контролировать и снижать риск деформации сварочного шва.
Данный метод часто применяется для соединения металла с толщиной краев свыше 3-х мм.
Классификация видов
Импульсная сварка подразделяется на четыре вида:
Алгоритм действий
Это один из самых лучших видов сварки в целом. Нет никакого разбрызгивания, не формируются несплавления, варить можно в любом положении, очень экономно расходуются электроды. Швы формируются исключительно качественными без каких-либо прожогов.
Схема конденсаторной сварки.
Принцип действия сварочного инвертора в сочетании с импульсной технологией следующий: перенос металла электрода в сварочную ванну с одновременным регулированием тока.
Все начинается с формирования капли металла на конце электрода, которая при повышении тока попадает в сварочную ванну. Теперь этот горячий момент должен смениться холодным этапом с остыванием металла. Так может происходить много раз.
Проволока электрода должна быть хорошо разогрета. Это особенно важно при низких значениях тока.
Эти аппараты очень удобны в работе с понятными регулировками для грамотной и тонкой настройки. Обычно они снабжены неплохим программным сопровождением, что делает их еще более эффективными по всем критериям.
Преимущества ТИГ-сварки с подачей импульсов
Комбинация режима с импульсными токовыми колебаниями и метода TIG-сварки используется нечасто, но у нее есть ряд важных достоинств. В наибольшей степени они касаются возможности уменьшения тепловложения, но этим не ограничиваются. При работе с тонкими листами нержавеющей стали на высоких частотах можно добиться точности формирования шва. Изменение параметров тока при ТИГ-сварке от максимального к минимальному с паузами также позволяет минимизировать нагрев заготовки и ее коробление. На средних частотах можно добиться более эффективной концентрации токов, что способствует глубокому проплавлению при нормативных показателях тепловложения. Также за счет мелкокристаллической структуры сварка нержавеющих сталей на средней импульсной частоте обеспечивает высокую коррозионную стойкость шва. В дальнейшем отпадает потребность в нанесении специальных защитных покрытий, так как сама структура материала не поддерживает развитие ржавчины.
Главные достоинства метода
Преимущества импульсной сварки:
Чертеж устройства импульсной сварки.
На сегодняшний день у данного метода есть лишь один конкурент по популярности и эффективности – это сварка полуавтоматом. Она отличается высокой производительностью и, что немаловажно, непрерывностью процесса.
Но серьезным недостатком является разбрызгивание металла, при котором теряется до 30% материала. Кроме потерь, эти брызги нужно чистить после сварки, что очень непросто и портит внешний вид сварочного шва. Сварка импульсом исключает такую беду.
Главная область применения метода – монтаж трубопроводов самого ответственного вида, где особенно важны прочность шва с крепко сформированным обратным валиком без финишной зачистки.
Недостатков у этого метода всего два:
Импульсно-дуговая сварка: суть, виды, сфера применения, алгоритм, достоинства и недостатки метода
Импульсно-дуговая сварка – это вид дуговой сварки, при котором на дежурную дугу накладываются импульсы большего тока. Метод применим при сварке как в среде защитных газов, так и плавящимися и неплавящимися электродами.
Технология импульсно-дуговой сварки
Импульсно-дуговая сварка осуществляется посредством сварочного оборудования, предполагающего возможность наложения на постоянную дугу импульса, превосходящего в разы по силе тока показатели дежурной дуги.
Импульсно-дуговая сварка происходит, согласно следующему алгоритму:
Преимущества и недостатки
Импульсно-дуговой способ сварки разрабатывался как более универсальная и производительная альтернатива дуговому способу. Среди его достоинств можно назвать:
Недостаток импульсно-дугового способа сварки: данный способ неприменим для больших сварочных объемов.
Сфера использования
Изначально данный способ был придуман для сварки нержавеющий стали. Его первое применение – строительство в 1932 году американского поезда Pioneer Zephyr, где применение сваренной этим способом нержавеющей стали позволило сократить вес состава, а, значит, увеличить его скоростные параметры.
Позже выяснилось, что импульсно-дуговая сварка может успешно применяться при соединении друг с другом как разных марок сталей, так и цветных металлов: алюминиевых, медных, никелевых сплавов и титана.
Диапазон заготовок, который можно сваривать с помощью импульсного способа сварки – от 1 до 50 мм.
Сейчас импульсно-дуговой способ широко применяется при монтаже трубопроводов разного назначения. Он обеспечивает качественный сварной шов практически без дефектов, хорошо сформированный обратный валик, не требующий зачистки, и достаточную прочность сварного соединения, что является приоритетным для данных видов конструкций.
Виды импульсной сварки и их краткая характеристика
Классификация видов импульсно-дуговой сварки основана на разнице способов преобразования тока для создания импульса. Всего их выделяют четыре: магнитно-импульсный, аккумуляторный, инерционный и конденсаторный.
Магнитно-импульсный вид
Суть данного вида сварки – соединение металлических деталей путем их соударения с использованием в процессе импульсного электромагнитного поля.
В процессе сварки одна деталь остается неподвижной, а вторая приводится в движение электромагнитным полем, генерируемым сварочной установкой. В момент их сближения образуется дуга, которая сваривает заготовки. Магнитно-импульсная сварка актуальна в машиностроении для соединения трубчатых деталей между собой и с другими деталями. Также ее применяют для сварки плоских деталей по их наружному и внутреннему контуру. Магнитно-импульсная сварка может применяться для соединения деталей с диапазоном толщин заготовок 0,5-2,5 мм.
Этот вид сварки не получил широкого распространения из-за сложности технологически-настроечного процесса и быстрого износа сварочного оборудования.
Аккумуляторный вид
В сварочных аппаратах, предназначенных для этого вида сварки, необходимая сила тока для импульса генерируется с помощью щелочных аккумуляторов. Их отличительная конструкционная особенность – низкое значение внутреннего сопротивления, что позволяет выдать ток короткого замыкания, который по силе во много раз превосходит ток стандартной разрядки. Подобный вид сварки на данный момент находится в стадии разработки и широко не применяется.
Инерционный вид
В инерционном виде сварки применяется накопленная энергия вращающегося маховика, который приводится в движение общим валом роторного силового генератора.
Схема сварки трением
В момент сварки скорость движения маховика замедляется, и он трансформирует запасенную кинетическую энергию в форме импульса сварочного тока.
Конденсаторный вид
При конденсаторной сварке импульс, необходимый для сварного процесса, обеспечивается энергией короткого импульса тока при разряде конденсатора. Этот вид сварки имеет ограничения по максимальному сечению свариваемых заготовок. Область его применения – соединение листового металла с крепежными элементами различной конструкции (шпильками, втулками, гвоздями и т. д.). Также он успешно используется в производстве электронных компонентов и приборостроении, где необходимо сваривать между собой мелкие детали и металлы малых толщин.