Назад: 6.4 САР проплавления при
дуговой, плазменной и электронно-лучевой сварке
6.5 Системы управления
переносом металла при сварке плавящимся электродом
Из известных способов управления
переносом металла при сварке плавящимся электродом наиболее широкое
распространение получили системы с программным изменением энергетических
параметров режима (напряжения и тока дуги) имульсно-дуговой
сварки.
Сварка
длинной дугой. Программное
изменение основных параметров режима сварки преследует две технологические
цели: управление переносом металла с электрода в сварочную ванну в различных
пространственных положениях; управление кристаллизацией металла шва и
термическим циклом. Управляемый перенос металла при сварке длинной дугой
можно осуществить лишь при пространственно устойчивых дугах, когда размер
капель переносимого электродного металла резко уменьшается с ростом тока в
узком диапазоне его изменения, т.е. при наличии в процессе сварки критического
тока. При значении тока ниже критического перенос металла крупнокапельный, выше
критического – струйный. К таким условиям следует отнести сварку всех известных
металлов и сплавов в аргоне, смесях защитных газов на основе аргона (не менее
80 %) и в комбинированной защитной среде на токе обратной полярности, а также
сварку активированным электродом током прямой полярности. Величина критического
тока при сварке в аргоне зависит от свойств материала электрода, его диаметра и
вылета. При сварке активированным электродом (обычно в активных защитных газах)
критический ток помимо указанных факторов зависит от состава и количества
активатора, места его нахождения – в составе металла электродной проволоки или
на ее поверхности. Аргонодуговая сварка на токах ниже критического не производится,
так как формирование сварного шва неудовлетворительное. Применение систем управления
с принудительным переносом металла позволяет вести процесс с мелкокапельным
переносом на токе в 2,5 – 3 раза ниже критического и позволяет осуществлять
сварку тонкостенных конструкций в положениях, отличных от
нижнего.
Основными параметрами
импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом помимо известных параметров
процесса дуговой сварки является амплитуда импульса, длительность импульса и
паузы, частота импульсов, базовый ток, скорость нарастания и спада тока
импульса, рис. 6.8.
Рис. 6.8. Осциллограмма тока дуги при
импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом
Для осуществления процесса сварки с управляемым
переносом металла разработаны специальные электронные системы. Одна из таких
систем управления переносом металла показана на рис.6.9. Система
включает транзисторный инвертор 1, вторичный выпрямитель 2, сглаживающий
реактор 3, датчик тока 4, блок управления 5, задатчик
тока 13, пульсатор 14, сумматор 11, функциональный генератор 12, датчик
нагрузки 17, токовый реле 18, осциллятор 19; 6, 7, 10, 15, 16 – цепи управления
соответствующими блоками системы источника питания.
Рис.6.9. Функциональная блок-схема системы питания
дуги
Устройство работает следующим образом. Формирователь напряжения задания 13 из опорного напряжения на
выходе 9 блока электронного управления 5 вырабатывает напряжения, которые устанавливаются
потенциометрами R2 (величина базового тока, а при сварке неплавящимся
электродом - ток дежурной дуги) и R1 (величина тока импульса) и подается на
пульсатор 14.
Пульсатор предназначен для
формирования сигнала на входе задания электронного блока управления при работе
системы питания в импульсном режиме. Пульсатор представляет собой
переключающий электронный коммутатор, состояние которого определяется
управляемым генератором временных интервалов. Входы
электронного коммутатора подключены к задатчикам тока
импульса R1 и тока базового или дежурной дуги R2. Длительность импульса и паузы
задается независимо друг от друга потенциометрами R3 и R4, при этом период
равен сумме длительностей импульса и паузы.
При включении тумблера S2 “импульсный режим” пульсатора
обеспечивает поочередную коммутацию входа задания
электронного блока управления с задатчиком
тока импульса R1 на время длительности импульса (R3) и тока дежурной дуги (R2)
на время ее горения R4.
В непрерывном режиме электронный коммутатор фиксируется
в положении, при котором вход задания блока управления постоянно соединен с задатчиком тока импульса R1. В этом режиме положение
потенциометра R2, R3, R4 не влияет на работу источника питания.
На выходе задания 8 блока управления 5 присутствует сумма
напряжений с выхода пульсатора 14 и периодического сигнала необходимой формы и
амплитуды с выхода функционального генератора 12. Параметры функционального
генератора 12 подобраны так, что в области рабочих напряжений обеспечивается
внешняя характеристика на источнике питания с падающим участком при напряжении
выше рабочего и со «штыковым» участком – ниже рабочего (рис.6.10).
Рис. 6.10. Внешние вольтамперные характеристики
источника питания с траекториями рабочей точки
Токовое реле 18 предназначено для дистанционного
включения внешнего осциллятора (предназначенного для бесконтактного зажигания
дуги), и его автоматического выключения после начального зажигания дуги и
установления процесса сварки или повторного зажигания дуги при случайных её
погасаниях. Для управления токовым реле 18 подключается кнопка S3
«Пуск» без фиксации, расположенная на пульте управления. Питание электронного
токового реле осуществляется от служебной сети током 27 В,
30 кГц, вырабатываемым электронным блоком управления.
При нажатии кнопки «Пуск» подается сигнал на запуск
инвертора и одновременно происходит замыкание и самоблокировка токового реле.
Одновременно включается питание осциллятора 19. Состояние токового реле 18 не
изменяется до момента зажигания дуги и установления процесса сварки. При
зажигании дуги резко возрастает амплитуда импульса напряжения на входе «датчика
нагрузки», срабатывает пороговое устройство, и реле 18
отключает питание осциллятора 19 от сети. При случайном
обрыве дуги (ток нагрузки равен нулю) напряжение на входе «датчика нагрузки»
равно нулю, в этом случае отключается пороговое устройство, и токовое реле
подключает осциллятор к сети питания.
В момент окончания паузы дуга имеет электрические
параметры (Iдд и Uд), соответствующие точке 1 на ВАХ I
(рис.6.10). Пульсатор переключает рабочую точку (1) в момент действия тока
импульса Iп в
положение 2 на ВАХ II, и в течение длительности действия импульса ток остается
неизменным, а напряжение дуги несколько увеличивается до точки 3. Это связано с
интенсивностью расплавления электродной проволоки, так как скорость плавления
электрода превышает скорость его подачи. Величина тока импульса выбирается из
условия отрыва и переноса одной капли или обеспечения струйного переноса
металла.
В момент окончания импульса тока пульсатор переключает
рабочую точку дуги из положение 3 в положение 4 на ВАХ
I. В связи с низким значением базового тока дуги происходит сокращение дугового
промежутка при неизменном токе, и рабочая точка переходит из положения 4 в
положение 1.
Системы управления переноса металла при сварке плавящимся электродом с
короткими замыканиями дугового промежутка. При сварке тонкими электродными проволоками
(диаметром 0,5-
При сварке короткой дугой имеет
место мелкокапельный перенос электродного металла с частотой, равной частоте
коротких замыканий. Процесс обладает рядом технологических преимуществ:
возможность осуществления процесса при низких значениях тока и, как следствие,
сварка во всех пространственных положениях; высокая стабильность процесса и
малые потери металла на разбрызгивание при оптимальных электрических параметрах
сварочной цепи.
Частота замыканий может достигать 150 c-1 и
зависит от многих факторов: напряжения между электродами, скорости подачи и
диаметра электродной проволоки, индуктивности сварочной цепи, свойств защитного
газа и т.д.
Сварка короткой дугой производится с постоянной
скоростью подачи электрода и является естественным импульсным процессом с
повторяющимися циклами, в пределах которых протекают характерные для него
явлениями (рис.6.11). Характерным для сварки с короткими замыканиями является неравномерность
расплавления электродной проволоки во время цикла. Однако интегральная скорость
плавления электрода равна скорости его подачи.
Рис. 6.11. Типичная осциллограмма тока и напряжения
процесса сварки короткой дугой: а – основные параметры процесса: tк – время короткого замыкания; tГ – время горения дуги, tц
– время цикла; t – постоянная времени сварочной цепи; б: 1 – короткое замыкание с
переносом металла, 2 – подброс капли вверх
Процесс протекает следующим образом. После разрыва
жидкой перемычки между сварочной ванной и электродом последний быстро
оплавляется (в связи с большим током короткого замыкания), и дуговой промежуток
увеличивается. Объем капли расплавленного металла на торце электрода
увеличивается, а скорость его плавления уменьшается.
Снижение скорости плавления электрода в этом случае
вызвано уменьшением тока после зажигания дуги, связанного перераспределением
энергии, запасенной в индуктивности сварочной цепи во время короткого
замыкания. При коротком замыкании установившийся ток короткого замыкания I0
= Uxx/Rц,
где Uxx – напряжение холостого хода источника
питания; Rц – полное сопротивление
сварочной цепи.
При горении дуги Iу
= (Uхх – Ед
)/(Rц + kдт
), где Iу – установившийся ток дуги; Ед.
– противоЭДС дуги, Ед. = Uка + kд ℓд; Uка
– сумма приэлектродных падений напряжений; kд – градиент потенциала в столбе дуги; ℓд – длина дуги; kдт
– крутизна статической характеристики дуги.
Разрыв перемычки между электродом и сварочной ванной
происходит при определенном токе – пиковом токе короткого замыкания Iп. Надежный разрыв перемычки происходит при
определенном “запасе” по току Iп £ 0,7 I0.
Слияние капли с металлом сварочной ванны определяется
формой контактируемых поверхностей и плотностью тока в контакте. Характер
образования и перенос капель зависит от величины тока короткого замыкания Iп и скорости его нарастания diкз/dt.
При малых величинах diкз/dt затягивается переход капель с электрода в ванну, в результате
чего нерасплавленный торец электродной проволоки утыкается в дно сварочной
ванны. Нерасплавленный участок на вылете электрода разогревается относительно
медленно, а затем перегорает с выбросом части электродной проволоки. Это
способствует повышению разбрызгивания металла и одновременно увеличивает tкз, что приводит к снижению частоты переноса
металла и равномерности формирования шва. Так как каждая капля способствует
образованию кристаллизационного слоя, то частота переноса металла оказывает
влияние и на размеры кристаллизационных слоев.
При значительном увеличении Iп
и diкз/dt в начале короткого замыкания капли с ванной происходит
рост электродинамической силы, аксиальная составляющая которая подбрасывает
каплю на электрод (см. рис.6.11,б). Это приводит к увеличению капли на электроде
и более длительному нахождению ее в контакте с нагретым до высоких температур
газом и, следовательно, к значительному окислению, неравномерности перехода
капель в сварочную ванну. При скорости нарастания тока короткого замыкания diкз/dt > 200-300 кА/с для электродных проволок диаметром 0,5-
Скорость нарастания diкз/dt определяется Iп и
электрическими параметрами сварочной цепи (активным и реактивными
сопротивлениями), от которых зависит постоянная времени питающей системы и
переходные процессы в ней.
Сварка в защитных газах с короткими замыканиями
производится полуавтоматами и автоматами с независимой (постоянной) скоростью
подачи электрода. Устойчивость работы системы «дуга-источник питания»
определяется точкой (а) пересечения статических характеристик регулятора,
питающей системы и дуги (рис.6.12). В процессе сварки с короткими замыканиями
длина дугового промежутка в процессе горения дуги изменяется, в результате чего
происходит отклонение тока DI и напряжения DU дуги. Величина этих отклонений зависит сильно от наклона вольтамперной
характеристики (ВАХ) питающей системы в области рабочей точки (а). При питании
от систем с жесткой ВАХ при изменении длины дуги возмущения по току DI ® max, а DU ® 0, при штыковой (крутопадающей) характеристике DI ® 0, а DU ® max.
При падающей ВАХ происходит одновременное отклонение по току и напряжению, и
чем больше крутизна наклона ВАХ, тем меньше DI и больше DU.
Рис. 6.12. Отклонение тока и напряжения дуги при
возмущении по ее длине при различном наклоне ВАХ питающей системы; 1, 2, 3 – внешние
характеристики питающей системы; ℓд1
и ℓд2 – ВАХ до и после сокращения длины дуги
На стабильность проплавления основное влияние
оказывает сварочный ток в процессе горения дуги, поэтому для обеспечения
равномерности проплавления свариваемых элементов целесообразно в рабочей точке
иметь штыковую характеристику, которая ограничивает ток короткого замыкания и
не препятствует надежному разрыву перемычки. Жесткая характеристика не
ограничивает Iкз, что приводит к чрезмерно
большим величинам diкз/dt и потерям электродного металла.
В связи с разработкой новых силовых элементов эта
задача решается путем создания малоинерционных систем питания с автоматическим
установлением необходимой величины тока короткого замыкания с оптимальной
скоростью его нарастания и спада. Такая система питания (рис. 6.13) включает:
первичный выпрямитель 20, транзисторный инвертор 1, вторичный выпрямитель 2,
сглаживающий реактор 3, датчик тока 4, блок управления инвертором 5, сумматор
11, функциональный генератор 12, формирователь напряжения задания 13 с выходами
заданного значения 15 и 16, соответствующий заданному режиму сварки и
повышенному заданию 14, первый и второй выходы которого подключены к выходам 15
и 16; компаратор 17, датчик напряжения дуги 18, интегратор 19; цепи управления
соответствующими блоками системы источника питания 6, 7, 10.
Рис. 6.13. Функциональная блок схема источника питания
Система питания работает следующим образом.
Формирователь задания напряжения 13 из опорного напряжения на выходе 9 блока
управления 5 вырабатывает постоянное напряжение, соответствующее заданному
значению режима сварки и повышенному заданию (выходы 15,16). Компаратор 17
имеет порог срабатывания, при котором переключение происходит только в момент
коротких замыканий. Интегратор 19 имеет единичный коэффициент передачи по
постоянному току и обеспечивает заданную скорость изменения напряжения на
выходе при скачкообразном переключении напряжения на входе. На входе задания 8
блока управления 5 присутствует сумма напряжений с выхода интегратора 19 и
периодического сигнала необходимой формы и амплитуды с выхода функционального генератора
12. Параметры выходного сигнала функционального генератора подобраны так, что
обеспечивается внешняя характеристика источника питания с падающим участком при
напряжении выше рабочего и «штыковым» участком при напряжении ниже рабочего
(рис.6.14). Осциллограмма тока и напряжения от управляемого источника дана на
рис.6.15.
|
|
|
|
Рис.6.14. Внешние вольтамперные характеристики источника
тока с траекториями рабочей точки |
Рис.6.15. Изменение тока и напряжения при сварке
короткой дугой от быстродействующего управляемого источника |
Во время горения дуги напряжение на выходе датчика 18 выше
порога срабатывания компаратора 17. В этом состоянии вход интегратора 19 через
коммутатор 14 подключен к выходу заданного значения 15. На выходе интегратора
19 и втором входе сумматора 11 присутствует это же напряжение, заданное точкой
(заданный режим сварки находится в положении точки (а) на характеристике I (рис.6.14), а величина тока соответствует участку Iд (см. рис.6.15).
При образовании капли заданного размера происходит
касание ее с металлом сварочной ванны при токе, соответствующем току горения
дуги. Капля, касаясь с расплавленным металлом сварочной ванны, смачивается, и в
результате образуется надежный контакт с металлом ванны. А напряжение дугового
промежутка резко падает до напряжения в точке (б) (рис.6.14).
После заданной задержки tЗ
напряжение на входе компаратора 17 становится ниже порога срабатывания, и в
результате переключения компаратора 17 и коммутатора 14 напряжение на выходе
интегратора 19 скачком изменяется от заданного значения (выход 15) до
повышенного (выход 16). Напряжение на выходе интегратора 19 начинает возрастать
с заданной скоростью, оптимальной для формирования перемычки между каплей и
сварочной ванной. Интервал времени, в течение которого происходит нарастание
тока короткого замыкания, соответствует участку I (рис.6.15). При этом рабочая точка перемещается из
точки (б) в точку (с). Когда напряжение на выходе интегратора 19 достигает
напряжения задания, повышенного на выходе 16, его рост прекращается, рабочая
точка останавливается в положении (с) на ВАХ II (рис.6.14). В оставшееся время до разрыва перемычки
величина тока короткого замыкания остается постоянной, ограниченной, что
способствует плавному перетеканию жидкого металла с электрода в сварочную
ванну. В момент разрыва жидкой перемычки рабочая точка с большой скоростью перемещается
с точки (с) в точку (d). Благодаря возросшему
напряжению на дуге компаратор и коммутатор переключаются в исходное состояние.
Напряжение на входе интегратора скачком снижается с повышенного до заданного.
Соответствующий спад тока (участок II), показан
на рис.6.14.
Инверторные источники с цифровым управлением способны
к сложному и быстродействующему управлению формой сварочного тока. Они
используют только трехфазное сетевое напряжение. Эти источники разработаны как
составная часть синергетической системы в сочетании с соответствующими
подающими механизмами.
Источники разработаны для
выполнения различных сварочных процессов:
· механизированной сварки сплошными проволоками в
активных и инертных защитных газах с управляемым переносом электродного металла
в сварочную ванну;
· сварки порошковыми проволоками – самозащитными
и газозащитными;
· ручной дуговой сварки штучным электродом и дуговой
строжки.
Источники питания этого типа для механизированных
способов сварки должны использоваться вместе с подающими механизмами,
обеспечивающими все сварочные возможности, запрограммированные в них. Вся
информация, необходимая для функционирования инверторного источника питания
сварочной дуги, поступает от подающего механизма.
В системе «источник питания – подающий механизм» при
сварке в защитных газах режим устанавливается за счет скорости подачи
электродной проволоки. Скорость подачи проволоки задается предварительно в
зависимости от толщин свариваемых деталей, требований по проплавлению и тепловложению в них и т.д. Источник питания, согласно предварительно
запрограммированным режимом сварки уставкам,
содержащимся в источнике питания, использует установленную скорость подачи
электрода для корректировки электрических параметров процесса сварки
(напряжение и ток дуги).
При ручной дуговой сварке штучными электродами, и
неплавящимся – в аргоне регулятор корректирует величину сварочного тока,
заданную в амперах.
При сварке в импульсных синергетических режимах
оператор может корректировать напряжение дуги за счет изменения ее длины.
Источники этого типа укомплектованы регулятором формы
тока. Этим регулятором оператор изменяет динамические свойства дуги от “мягких”
до “жестких” режимов во всех запрограммированных сварочных режимах путем
изменения величины индуктивности сварочной цепи