Способ регулирования процессадуговой сварки

11 ц 79373 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советскихф Социалистических Республик(088.8) по делам изобретеиии и открытий45) Дата опуб вания описания 07.01.8 2) Авторы изобретени А, Букаров, Н олова и Ю. нко(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕСССВАРКИ О ф"3 31 ЪЛИИзобретение относится к способам регулирования размеров проплавления при дуговой сварке стыковых соединений без разделки кромок неплавящимся электродом в среде защитных газов и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.В химическом, энергетическом машиностроении, авиа-, ракето-, судостроении и других отраслях народного хозяйства при сварке ответственных конструкций предьявляются повышенные требования к качеству швов, не допускаются непровары, чрезмерные усиления шва в корне, наплывы ит.д.В наибольшей степени перечисленным требованиям удовлетворяет дуговая сварка неплавящимся электродом в среде защитных газов и особенно получившая широкое распространение сварка импульсной дугой. В этом случае сравнительно простое и дешевое оборудование позволяет сваривать соединения из аустенитных и легированных сталей, спецсплавов, магниевых, титановых и алюминиевых сплавов, обеспечивая высокие показатели сварных соединений.Опыт показывает, что качество сварки стыковых соединений без разделки кромок, особенно неповоротных стыков труб, во многом зависит от точного фиксирования момента наступления сквозного провара в начале процесса, а при импульсной сварке в течение каждого импульса тока. При преждевременном включении перемещения 5 дуги или окончании импульса возможны непровары, а при задержке времени начала перемещения или окончания импульса чрезмерное усиление шва, наплывы со стороны проплава.10 Гарантированное и стабильное качественное проплавление стыкового соединения можно добиться при использовании систем автоматического регулирования проплавления, при которых параметры режима свар ки регулируют по сигналу о реальных значениях размеров проплавления.Известен способ импульсной дуговойсварки неплавящимся электродом в среде защитных газов соединений с буртом или 20 отбортовкой, при котором длительностьимпульса в процессе сварки регулируют путем отключения источника питания при достижении заданного напряжения на дуге, соответствующего полному оплавлению бур та и провару (11.Недостатки этого способа заключаются втом, что, во-первых, необходимо выполнять бурт, так как при поверхностной дуге без бурта изменения напряжения незначительны, а, во-вторых, напряжение дуги зависит50 55 60 65 от многих неконтролируемых параметров режима (от обгорания неплавящегося электрода, состава защитного газа, наличия загрязнений на поверхности металла и т, д.). Перечисленные факторы вызывают нестабильность сигнала о проваре, а следовательно, нестабильность качества сварного шва,Известен способ контроля режима дуговой сварки плавящимся электродом, при котором определяют время между обрывами дуги и об окончании переходного процесса судят по увеличению пауз между обрывами, причем время, принимаемое за эталон, выбирают как среднестатическое, зависящее от марки электрода, металла и электрических параметров сварочной цепи 2.Недостатки этого способа заключаются в том, что он применим лишь для плавящегося электрода и осуществляется при наличии обрывов дуги. Оба перечисленных фактора не допускаются при сварке ответственных конструкций.Известен также способ автоматического регулирования процесса дуговой сварки, при котором сквозное проплавление стыкового соединения определяют с учетом вероятных колебаний параметров дуги, в частности по осредненным произведениям отклонений электрической мощности дуги, измеряемой с интервалом времени не менее времени колебаний жидкого металла сварочной ванны и не более времени существования ванны 131.Однако этот способ применим при сварке проникающей дугой; при поверхностной дуге изменения мощности незначительны, а следовательно, точность определения сквозного провара низкая; изменения мощности могут возникнуть из-за обгорания электрода, изменения состава защитного газа, и т. д., что вызовет искажение сигнала и соответственно снизит точность определения сквозного провара.Целью изобретения является повышение точности регулирования начала процесса при сварке стыковых соединений со сквозным проваром поверхностной дугой. Для достижения этой цели в предлагаемом способе регулирования процесса дуговой сварки в среде защитных газов неплавящимся электродом, при котором сквозное проплавление определяют с учетом вероятных отклонений параметров дуги, фиксируют меняющееся местоположение зоны активного пятна дуги с максимальной плотностью тока и сквозное проплавление определяют по моменту прекращения блуждания зоны активного пятна и расположению ее в центре ванны соосно электроду, регистрируя, например, максимальную интенсивность излучения одной линии, выделенной из спектра испаряемых металлов в 5 10 15 20 25 30 35 40 45 активном пятне или яркосветящуюся зонув пятне дуги.На фиг, 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; нафиг. 2 - местоположения яркосветящейсязоны активного пятна дуги при неполном(а) и сквозном (б) проплавлении стыкового соединения; на фиг. 3 - характерныекривые распределения интенсивности испарения металла в активном пятне, по крайней мере интенсивности излучения однойлинии, выделенной из спектра испаряемыхметаллов в пятне.Блок-схема содержит неплавящийся электрод 1, соединенный через блок 2 для регулирования параметров режима с минусовым полюсом источника питания 3, плюсовой полюс которого подключен к свариваемому металлу 4. В активном пятне 5 дуги6 на свариваемом металле 4 выделяемоетепло расплавляет металл, образуя ванну7. Излучение от зоны 8 с максимальнойплотностью тока активного пятна 5 дуги 6(яркосветящаяся зона с максимальной интенсивностью испарения металла) черезсветовод 9, фокусирующую линзу 10 и светофильтр 11 попадает на фотоэлемент 12.Фотоэлемент 12 одним концом заземлен, адругим связан с блоком 13, регистрирующим переменную составляющую излучениязоны 8. Блок 13 через усилитель 14 связанс блоком 2 для регулирования параметроврежима,На фиг. 2, а цифрой 15 обозначена твердая граница данной поверхности сварочнойванны 7, а на фиг. 2,б - 16 - границаванны 7 газ - жидкость; на фиг, 3 - 17, 18,19 - характерные кривые распределенийинтенсивности излучения одной из линийспектра испаряемого металла по поверхности пятна 5 в различные моменты времени,На фиг. 1, 3 введены следующие обозначения:Х, - направление скорости сварки;1; - интенсивность излучения испаряемого металла;д, - диаметр электрически активного пятна 5 дуги 6 на свариваемом металле 4;ть т,т" - времена наростания интенсивности излучения одной из линий спектра испаряемого металла при сканировании активного пятна 5, регистрируемыефотоэлементом 12 в различныемоменты времени;т,т,т" - времена спада интенсивностиизлучения аналогично вышеописанному,Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.Между неплавящимся электродом 1 исвариваемым металлом 4 возбуждают дугу6, Тепловая энергия, выделяемая в активном пятне 5, расплавляет металл, образуяванну 7. Поскольку плотность жидкого металла р, меньше плотности твердого р, то объем жидкого металла Ъ, превышает расплавленный объем твердого металла Ч, т. е. Ч, -- 7". Это приводит кРжтому, что поверхность ванны 7, соприкасаемая с дугой 6, принимает выпуклую форму (фиг. 2,а), которая под действием давления дуги 6 непрерывно меняет свою конфигурацию, вынуждая зону 8 максимальной плотности тока дуги 6 в пятне 5 менять свое местоположение (фиг, 2, а). Кроме того, блужданию зны 3 способствуют конвективные потоки в ванне 7, которые, возникая в зоне 8, перемешают жидкий металл вглубь ванны 7, не соприкасаясь с твердой границей 15, вызывают интенсивное обратное движение жидкого металла. Тем самым создают благоприятные предпосылки для бурления металла и, следовательно, неустойчивому местоположению зоны 8 в активном пятне 5.Количество испаряемого с поверхности ванны металла прямо пропорционально плотности тока, Поэтому в зоне 8 максимальной плотности тока имеет место максимальная интенсивность испарения металла, выражающаяся, во-первых, ярким свечением этой зоны, а во-вторых, максимальной интенсивностью излучения испаряемых металлов, например, спектральных линий Ре 1, Р 11, Мп 1 и т. д. Излучение зоны 8 через световод 9 попадает на линзу 10, где осуществляют дополнительную фокусировку. Сфокусированный луч пропускают через светофильтр 11, выделяющий из непрерывного спектра испаряемых металлов одну из линий, например линию Мп 1 с длиной волны 4045, 82 А, Таким образом, фотоэлемент 12 регистрирует интенсивность излучения спектральной линии Мп 1. При сканировании прианодной области дуги симметрично относительно оси электрода 1, т. е. активного пятна 5, световод 9 улавливает изменение интенсивности излучения этой линии в разные моменты времени по одной из приведенных на фиг. 3 кривых (17, 18, 19). На выходе фотоэлемента 12 ток непрерывно изменяет свое значение от 0 до максимума, В блок 13 поступают непрерывно меняющиеся значения тока 1 ь т. е. переменная составляющая интенсивности излучения зоны 8, При блуждании зоны 8 переменная составляющая излучения имеет неодинаковые времена нарастания т, (т 1") и спада т (т") тока фотоэлемента 12 и блок 13 не пропускает этот сигнал, В момент прекращения блуждания зоны 8, а он, как было установлено, наступает при сквозном проваре, зона 8 занимает место в центре ванны 7 соосно электроду 1 (фиг. 2,б). Этому способствует провисание и образование вогнутой поверхности ванны 7. При подобном местоположении зоны 8 распре 510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 деление излучения спектральной линии Мп 1 занимает симметричное относительно оси электрода 1 расположение, т. е. время т 1 равно т 2. Блок 13 пропускает переменную составляющую тока, которую усиливает блок 14, а блок 2 выдает команду на начало перемещения электрода 1 или на прекращение тока в импульсе.Помимо регистрации сквозного провара системой автоматического регулирования, работа которой описана выше, предлагаемый способ можно осуществить при управлении процессом сварки вручную, Это сделать можно следующим образом, При возбуждении дуги 6 и образовании активного пятна 5 на металле 4 визуально наблюдают за местоположением яркосветящей зоны 8 в пятне 5. В момент прекращения блуждания зоны 8 включают перемещение электрода 1. Наиболее заметно момент прекращения блуждания зоны 8 связан с моментом сквозного провара при дуговой сварке стыковых соединений в нижнем положении.П р и м е р, Способ осуществлен при аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом неповоротных стыков труб размером Ы 34 Х 5,0 мм из стали 12 Х 18 Н 10 Т. Предварительно стыки без разделки кромок собирали на прихватках и устанавливали в специальное приспособление. Сварку осуществляли трубосварочным автоматом ОДАС на режиме:Сварочный ток 90 А Длина дуги 1,0 мм Диаметр вольфрамовогоэлектрода 3 ммУгол заточки электрода 20 Диаметр притупления 0,5 - 0,6 мм Расход аргона 5 л/минПосле возбуждения дуги 6 в нижнем положении визуально наблюдали за местоположением яркосветящейся зоны 8 в активном пятне 5 дуги 6. В первоначальный момент зона 8 блуждала по пятну 5 с частотой 3 4 Гц. Сварочная ванна 7 имела выпуклую форму и непрерывно меняла свою конфигурацию. По прошествии 25 сек ванна 7 приняла вогнутую форму, зона 8 заняла симметричное относительно электрода 1 и ванны 7 положение, прекратила блуждание. В этот момент включали перемещение электрода 1 и начинали сварку со скоростью 4,5 м/час. После полного оборота электродом 1 стыка трубы дугу 6 выключали и осматривали сварной шов. Во всех случаях наблюдали стабильный провар по всему периметру стыка труб.Предлагаемый способ регулирования процесса дуговой сварки позволил точно определить момент сквозного провара в начале процесса, избежать непроваров и чрезмерного усиления шва в корне. При регистрации сквозного провара предлагаемым спо 793731собом было замечено, что в последующем процессе сварки значительно возрастала стабильность провара по всему периметру, особенно стыков труб с толщиной стенок более 3 мм. Это вероятно связано с тем, 5 что предлагаемый способ позволяет точнее определить время окончания переходного процесса и установление квазистационарных размеров ванны. Кроме того, квазистационарные размеры ванны свидетельствуют 10 об установлении квазистационарных конвективных потоков в ванне, которые не в состоянии реагировать на случайные быстроменяющиеся условия или изменения параметров режима сварки, 15Предлагаемый способ позволит также разработать систему автоматического регулирования проплавления металла при сварке стыковых соединений поверхностной дугой, в том числе при сварке импульсной 20 дугой. Применение импульсной дуги с автоматическим контролем провара позволит отказаться от послесварочного контроля, а это значительно снизит затраты на него. Только при отказе от рентгеноконтроля эко номический эффект составит 100 - 1500 тыс, руб. в год. формула изобретения301. Способ регулирования процесса дуговой сварки в среде защитных газов неплавящпмся электродом, при котором определяют сквозное проплавление с учетом вероятных колебаний параметров дуги, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования начала процесса преимущественно при сварке в нижнем положении поверхностной дугой, фиксируют меняющееся местоположение зоны активного пятна дуги с максимальной плотностью тока и сквозное проплавление определяют по моменту прекращения блуждания зоны активного пятна и расположению ее в центре ванны соосно электроду.2. Способ по п, 1, отличающийся тем, что момент прекращения блуждания зоны активного пятна определяют по максимальной интенсивности излучения одной из линий, выделенной из спектра испаряемых металлов в активном пятне.3, Способ по п. 1, отличающийся тем, что момент прекращения блуждания зоны активного пятна определяют путем регистрации яркосветящейся зоны в пятне дуги.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство248108, кл. В 23 К 9/16, 1968,2. Авторское свидетельство590097, кл. В 23 К 9/00, 1976,3. Авторское свидетельство СССР508535, кл. В 23 К 9/10, 1974,793731 Фиг. актор И. Гохфельд аказ 2724(7 Изд.119 Тираж 1160 ПодписноеПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4(5 пография, пр. Сапуно Составитель Техред