Способ механизированной дуговой сварки

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 79108 5 В 23 К 9/173,2 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ИЯ ОПИСАНИЕ Б Т К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ табл 5 ил.МзИзобретение относится к области меха- ной зависимостью, а оптимальный режим низированной сварки, преимущественно поддерживают с помощью положительной модулированным током, в защитных газах. обратной связи по току сварки, воВдействуОнонайдетширокоеприменение вотраслях ющей на величину сварочного напряжения. машиностроения, судостроения,строительства и др., где используется механизирован- Способ обеспечивает оптимальные усная дуговая сварка. ловия плавления электрода, но не позволяетОпределяющими направлениями, свя- осуществлять контроль за переходом казанными с развитием сварки а защитных- пель электродного" металла з сварочную газах, является сведение к минимуму раз- ванну,т.к.непредусматриваетприменение брызгивания электродного металла и различных вольтамперных характеристик создание оптимальных условий для источникапитанияиуправлениеими,Это,в плавления основного и электродного. своюочередь, затрудняет управление уров- металлов. Последнее связано с точностью нем разбрызгивания.настройки сварочного режима и возможно- Известен способ дуговой сварки ь застью оперативного контроля и управления щитных газах, при котором питание дуги плавлением электрода, осуществляют от источника, имеющего вди-Известен способ дуговой механизиро- апазоне рабочих режимов сварки крутопаванной сварки, при котором напряжение дающую внешнюю характеристику, присварки регулируют в зависимостиот тока снижениийапряжелнзия на дуге на 15-20 автоматически, в соответствиис определен-" нижезаданногорабочего значения питание(54) СПОСОБ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ(57) Использование: во всех отраслях производства, где применяется автоматическая 2сварка в защитных газах, Сущность изобретения: при механизированной дуговой сварке для определения оптимального режима определяют напряжение холостого хода, при изменении токового диапазона напряжение холостого хода источника питания изменяют в соответствии с зависимостью Охх = Од + еь 9 й )( д, где Од, д - величина напряжения и сварочного тока, а - угол наклона крутопадающего участка вольтамперной характеристики источника питания, К - коэффициент модуляции, Определение величины Охх по зависимости позволяет с высокой точностью и оперативностью производить настройку рабочих парамет-ров сварки в автоматическом режиме. З 120 25 30 35 40 45 50 55 дуги осуществляют по пологопадающем илижестком учас гке характеристики.Но этот способ не предусматривает регулирование напряжения холостого хода,которое является одним из определяющихфакторов создания оптимальных условийплавления электрода и переноса капель всварочную ванну, А это, в свою очередь,затрудняет контроль за разбрызгиванием иформированием шва. Кроме того, диапазонсварочных режимов, Ьхватываемых известным способом, ограничен.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ механизированной дуговойсварки модулированным током, при котором для определения точки оптимальногорежима сварки для каждой скорости подачиэлектрода устанавливают оптимальный наклбн крутопа:ающЕй ветви вольтампернойхарактеристйки ис. очника питания, Для установления этого наклона фиксируют напряжение холостого хода Ох.х, и токкороткого замыкания 1,з. путем опытногоподбора для каждсго режим;, сварки.При переходе ст одного уровня модуля ции к другом 1 кроме напряжения холостогохода источника питания и тока короткогоэамыканйя в паузе и импульсе необходимофиксировать еще порядка 12-ти параметров: ток, напряжение, скорость подачи плавящегося электрода, ток и напряжение вточке пересечения вольтамперных характеристик источника и дуги, а также длительность импульса и паузы,Манипуляция таким количеством параметров не позволяет с достаточной точностью и оперативностью переходить содного режима мо туляции тска на другой.Это, в свою о .еред затрудняет контроль зауровнем разбрызгивания электродного металла, не позволя т обеспечить требуемоеколичество сварных швов, отрицательносказывается на их формировании,Следующим недостатком известного;технического решенйя является его ограниченные техйологические возможности,обусловленные тем, что Ох.х. источника питайия"определяют "для каждой скорости- подачи электрода,вследствие чего невоз" можнО установить оптимальный режимсварки, используя эесь диапазон скоростейподачи плавящего электрода и тока сварки,Кроме того определение аклона круто- падающего участка вольтамперной характеристики источника питания при сварке без коротких замыкани л не"представляется возможным ввиду отсчтствия такого параметра, как ток короткого замыкания,Это свидетельствует о том, что процесс без коротких замыканий по известному способу просто невозможен,Доказательством ограниченных технологических воэможностей способа-про-отипа являются заявлено, е пределы скорости подачи плавящегося электрода и соответствующие им параметры сварки. Если рассмотреть максимально возможные 10 изменения скорости подачи электродной проволоки по способу, взятому эа прототип,то можно отметить следующее: при под, = = 100 м/ч в паузе (соответствующей току 1, = 75 А), максимально возможное увеличение скорости подачи плавящегося электрода в импульсе - 500 м/час (ток 1 в, = = 210 А). Такой токовый диапазон 75 - 210 А явно недостаточен для обеспечения сварки с глубокой модуляцией (в упомянутом способе она равна 2,8).Целью настоящего изобретения ядляется устранение указанных недостатков - уменьшение разбрызгивания, улучшения формирования с зарных швов и расширение диапазона режи.иов свзрки путем более точного определения напряжения хола того хода источника питания,Эта цель достигается тем, что в известном способе механизированной дуговой сварки, преимущественно модулированным током, при котором для определения точки оптимального режима сварки, совпадающей с точкой пересечения круто-.и полого- падающей участков вол ьтампернои характеристики источника питания, опзеделяют напряжение холостого хода Ох.х,) источника питания и устанавливают оптимальный наклон крутопадающей ветви вольтамперной характеристики источник питания, согласно изобретению, при пе-входе от одного у 1 ювня мощности дуги с другому вначале определяют коэффициент модуляции К, например, по формуле:ЬЮК=- -ЛИгде ЬВ/1 - изменение мощности дуги на стадии образования капли электродного металла в устанавливаемом режиме, сварки = =ВА;Л Я - изменение мощности дуги на стадии образования капли электродного металла начального режима сварки, ВА;а затем определяют Ох.х, в устанавлива змом режиме по следующей зависимости:Ох.х, = Од+ 19 а К 1,где Од - напряжение сварочной дуги в устанавливаемом режиме, В;1 д-ток сварочной дуги, в устанавливаемом режиме, А;а - исходный угол наклона крутопадающего участка вольтамперной характеристики источника питания начального режима (задаваемая величина).Т.о. рабочим режимом сварки является . режим, при котором точка пересечения круто- и пологопадающего участков вольтамперной характеристики источника питания совпадает с точкой оптимального режима сварки, задаваемого прямой нелинейной зависимостью напряжения дуги (Од) от тока дуги (д) и являющейся вольтамперной характеристики дуги (кривая 2 на фиг. 2, 3, 4).Эта кривая 2 задается по методике, согласно которой каждой скорости подачи плавящегося электрода, а соответственно, и сварочному току, соответствует определенное сварочное напряжение.Для каждого диапазона режимов сварки существует определяемый-теоретически или практически угол а наклона крутопадающего участка вольтамперной характеристики источника питания, выходящий из упомянутой точки оптимального режима и определяющий величину напряжения холостого хода. При изменении сварочного режима (переходе от одного уровня модуляции к другому) изменяется соотношение сил, действующих на,каплю электродного металла, обеспечивающих ее переход в сварочную ванну, Для создания оптимальных условий горения дуги и обеспечения минимальных потерь от разбрызгивания при изменении сварочного режима необходимо изменить наклон крутопадающей ветви вольтамперной характеристики источника на определенную величину.Согласно предлагаемому техническому решению при изменении уровня мощности сварочной дуги изменение напряжения холостого хода источника питания регулируется наклоном крутопадающего участка его вольтамперной характеристики, который, в свою очередь, определяется путем ввода величины д аи корректировочного коэффициента режима модуляции К - являющегося функцией сварочного тока и напрякения. . тд а отражает наклон крутопадающей ветви вольтамперной характеристики источника для выбранного типа, диаметра электрода и сварочных материалов и для каждого диаметра электрода и сварочных материалов остается неизменным во всех диапазонах сварочных режимов.. Величина тд а определяется как отношение изменения напряжения Л О от тока дуги 1 д, тд а= .ЛО представляет собойЛОдразность напряжения холостого хода источ ника питаййя и напряжения дуги и определяется соотношением ЛО = Ох,х. - Од.Коэффициент 1 зависит от условий плавления и переноса электродного металла в паузе и импульсе и изменяется в зависимости от глубины модуляции сварочного тока 1 - может быть определен, как отношение изменение мощности дуги на стадии образования капли электродного металла в устанавливаемомм режиме Л Ю 1, к изменению 510 держивается таковым в каждом диапазоне сварочных режимов. С увеличением глубины модуляции величина коэффициента Кможет изменяться в зависимости отдиэпазойа" мощности ЛИ/ на стадии образования кап-ли начального режима сварки, или коэффициент изменения тэнгенса угла наклонакрутопадающего участка вольтамперной ха 15 ЛЯ 1рактеристики источника,"т."е. Е =, илиЛЧкак отношение тангенса угла наклона круто-падэющего участка вольтамперной характеристики источника в устанавливаемом20 режиме 19 а 1 к тангенсу угла наклона1 д а крутопадающего участка вольтампер-.ной характеристики источника в начальномщ а 1режиме сварки, т. е.=сдаЛВ/1 определяется как произведениеЛО/ = Л Гд Л Од, где Л д =(двэх дп 1 п )1 1 1- разность между максимальным (дп 1 ах ) иминимальным (два ) амплитудным значением тока на стадии образования капли вустанавливаемом режиме сварки; Л Од == (Одвах - Одвгп ) разность между максимальным (Одпах ) и минимальным (Одви )значением напряжения на стадии образования капли в устанавливаемом режиме,35 ЛР/ определяется по выражению ЛО/ =дн ЛОдн, где Лдн = (днвах днви)разность между максимальным днвах и минимальным днви амплитудным значениемтока на стадии образования капли началь 40 .ного режима сварки;Л Одн = (Однвах - Однвгп) - соответственно, разность максимального Однвах и минимальноГО Однви значений напряжения настадии образования капли начального режима сварки,Указанные величины, отражающие изменение тока и напряжения при изменениирежима сварки, показаны на приведеннойна фиг. 1 осцилограмме процесса,Если физические условия плавления ипереноса электродного металла при изменении уровня модуляции изменяются незначительно, т. е. отношение ЛВ/1 к ЛЧЧстремится к единице; то наклонкрутопадающего участка остается неизменным и под 1791086сварочных режимов и становится меньшейлибо большей единицы,Таким образом, имея заданный тангенсугла йаклона крутопадающей ветви воль-тамперной характеристики источника на определенном "начальном"уровне сварочногорежима, и, зная величину корректирующегокоэффициента на устанавливаемом (конечном) уровне, легко изменить напряжениехолостого хода по предлагаемой зависимости,Сущность изобретения поясняется приведенными на фиг. 2, 3, 4 вольтампернымихарактеристиками источника питания и дугидля различных интервалов, которые условно 15можно разделить на три диапазона; средний, пониженный и повышенный, фиг. 2 -для среднего диапазона (д = 150 - 350 А);фиг,3 - для повышенного - 1 д выше 350 А;фиг, 4 - для пониженного - д до 150 А, 20Фиг. 2 - отражает процесс на среднемдиапазоне, наиболее применимом при механизированной сварке в защитных газах. Вэтом интервале начальном режиме паузе иимпульсе (устанавливаемом режиме) изменяются незначительно и поэтому во всеминтервале коэффициент К может соответствовать единице (к " 1, и ЛЮ 1 = Л Ю), Этоозначает, что угол наклона крутопадающейветви вольтамперной характеристики остается неизменным во всем интервале среднего диапазона токов, что значительноупрощает настройку режимов в этом диапазоне.Режим в паузе устанавливается следующим образом: по заданной скорости подачив паузе и известной зависимости вольтамперной характеристики дуги (кривая 2) определяется точка оптимального режимасварки - т. А с координатами 1 дп и Одп. 40Наклон крутопадающего участка характеристики 1 и, определяющий напряжение холостого хода в паузе Ох;х.п. устанавливается попредлагаемой зависимости путем ввода базовых значений тц а и ЬИ, а Я 1 в режиме 45пауза определяется в процессе работььПри переходе сварочного режима в режим импульса устанавливаемый режим точка А занимает положение А, котораяустанавливается в соответствии с вольтамперной характеристикой дуги (кривой 2) и засчет ранее введенного наклона характеристики источника питания и и определенногокоэффициента К устанавливается величинаОп в импульсе(в устанавливаемом режиме) определяемая по предлагаемой зависимости. Т. о. определяется оптимальныйрежим сварки при изменении диапазона по.предлагаемому решению. Как видно из фиг. 2, для среднего диапазона сварочного режима характерно параллельное перемещение крутопадающего участка вольтамперной характеристики источника при переходе от одного уровня модуляции к другому (наклон участка в импульсе занимает положение 1 и).Фиг. 3 отражает процесс на малом диапазоне сварочных токов, наиболее предпочтительных для сварки тонколистовых металлов, Точка А отражает оптимальный режим в импульсе, при котором сварочный ток равен 1 дп напряжение Одп, угол а наклона крутопадающего участка 1 и характеристики источника питания определяет напряжение холостого хода в импульсе Ох.х.п В укаэанном диапазоне при сварке на малой глубине модуляции, когда ток паузы 1 дп незначительно отличается от тока импульса (т, А соответствует этому режиму) коэффициент модуляции К может не изменяться и оставаться равным единице, Изменение напряжения холостого хода источника производят согласно описанному выше случаю сварки на средних режимах, где сохраняется параллельность крутопадающих участков вольтамперной характеристики (т,е. участок Ь параллелен участку 1 и).При значительном ограничении тока паузы (точка В) изменение напряжения холостого хода осуществляется при неизбежном увеличении коэффициента К, связанным с тем, что вольтамперная характеристика дуги в области значений малых токов имеет падающий характер (участок 2, кривая 2) и для поддержания устойчивого горения дуги в паузе процесса напряжение возбуждения дуги (Од, точка В 1) должно быть выше напряжения ее горения в паузе Одя, .Т, е. для обеспечения устойчивого протекания процесса в паузе необходимо, чтобы кривая вольтамперной характеристики дуги пересекала характеристику источника в двух точках - В(соответствующий моменту зажигания дуги в паузе при напряжении Од) и точке В, соответствующей режиму горения ее в паузе при точке 1 дп и напряжении Одп . Напряжение холостого хода источника при этом соответствует Ох.х,п .При параллельном перенесении круто- падающего участка вольтамперной характеристики источника питания в положение и нарушаются условия стабильности процесса сварки, вызванные тем, что вольтамперная характеристика источника питания не пересекается с вольтамперной характеристикой дуги. Отсутствие точки пересечения этих характеристик, соответствующей режиму зажигания, свидетельствует об отсутствии стабильного дугового разряда. Этоприводит к с щественным амплитудным колебаниям тока на стадии образования капли, что в свою очередь влечет за собойвозрастание величины ЛИ/ и, как следствие, коэффициента К. Увеличение коэффи циента К позволяет изменить угол наклона крутопадающего участка вольтамперной характеристикиисточника- питания с а на а.Для определения величины напряжения холостого хода Ох.х.п в устанавливае мом режиме (в паузе) достаточно установленного в импульсе значения 1 ц а и ЛИ/. Изменение Ох.х., как и в предыдущем случае производится по заявляемой зависимости, 15фиг, 4 отражает процесс сварки на повышенных режимах (например, более 300 А). Этот режим является наиболее производительным для сварки металлов больших толщин. Как л в предыдущих двух случаях, 20 . если условия плавления и переноса электродного металла в паузе и импульсе изменяются незначительно (чему соответствует коэффициент модуляции, равный единице), измененйе напряжения холостого хода ис точника питания производится путем параллельного переноса крутопадающей ветви его вопьтамперной характеристики.Так, точка А Отражает установившийся режим сварки в паузе, при котором 1 д, и Одп - 30 ток и напряжениепаузе, а- угол наклона крутопадающего участка характеристики источника). Точка А соответствует режиму сварки в импульсе ри токе 1 дп и напряжении Одп, Параллельный перенос крутопада ющего участка характеристики источника питания позволяет определить значение напряжения хогостого хода в импульсе Ох.х,п,При бользой глубине модуляции, когда условия плав ления и переноса электродно го металла в паузе и импульсе значительно отличаются, т. е, ЛИ/1 Ф ЛИ/ определение величины наряжения холостого хода источника пита ия в изменившемся (устанавливаемом) режиме, в данном случае это т, 45 А осуществлчется за счет изменившегося коэффициента К.В рассматриваемом диапазоне сварочных токов процесс протекает преимущественно без коротких замыкачий. Поэтому 50 колебание мощности ЛИ/1 на стадии образования капли в устанавливаемом режиме (в импульсе) значительно меньше колебания . ее на начальном уровне сварочного режима .(в паузе). В этом случае ЛИ// Л И/1. Это 55 . означает, что угол а 1 стал меньше угла а.Уменьшением угла наклона крутопадающего участка вольтамперной характеристики снижается избыточная мощностьисточника ййтания, которая неизменно при сутствовала бы в случае, если бы величина напряжения холостого хода источника (Ох.х,п ) устанавливалась углом а, (наклон крутопадающего участка в этом случае занимал бы положение 1 п).Как видно из фиг, 4, значение Ох.х.п намного превышает величину напряжения Ох,х.п, а для ведения процесса с таким значением Ох.х.п потребовался бы специальный источник питания большой мощности, что экономически нецелесообразно.Способ осушествляют следующим образом.Для каждого электрода и сварочного материала, используемых при сварке в защитных газах, устанавливается по известной методике закон изменения напряжения дуги от тока сварки (или скорости подачи плавящегося электрода). Эта зависимость позволяет определить рабочую точку процесса сварки, которая является точкой пересечения трех характеристик; вольтамперной характеристики дуги, круто- и пологопадающего участков вольтацперной характеристики источника питания, Исходный наклон крутопадающего учэстка устанавливается заданием базового ща, который, как и вольтамперная характери:тика дуги, устанавливаетсг предварительно для каждого диаметра электрода и сварочного материала определяемый опытным путем,Критерием оценки оптимальности угла наклона крутопадающего участка вольтам- . перной характеристики (щ а) являются минимальные амплитудные йзмейбниямощности дуги (ЬИ/) на стадии образования капли электродного металла.Определенные экспериментально соаи ЛИ/ для различных сварочных и сварнваемых материалов, являются исходными (базовыми) для дальнейшей настройки режимов сварки согласйозаявляемой мате- матической зависимости.При переходе от одного сварочною режима к другому могут произойти отклонения от заданного амплитудного инте 1)вала изменения мощности дуги на стадии образования каплй электродного металла (Л И/), свидетельствующие об отклонении системы от устойчивого состояния. Условием возвращения системы в устойчивое состояние является выбор нового ангенса угла наклона крутопадающей ветви (тц а), который Гудет определять устойчивы л процесс в изменившемся режиме.Таким образом, имея пределы изменения величин Л И/ на стадии начального режима сварки и Л И/1 на стадии15 20 25 30 35 40 45 щего участка вольтамперной характеристи 50 ки источника питания начального режима(задаваемая величина); устанавливаемого режима сварки определяем коэффициент К по ранее установленному отношенйю"ЛЮ 1Ь5Известность коэффициента 1 дает возможность определить величину тангенса уг-ла а, отражающего наклон крутопадающегоучастка вольтамперной характеристики истбчника питания в устанавливаемом (изменившемся) режиме сварки.ЬЮ 1 д а 1ДЮ ща- . отсюда д а 1 =тда О,. в устанавливаемом режиме определяют по зависимости;Ох.х. = О+К тда 1 д,Од - напряжение сварочной дуги в устанавливаемом режиме;л - ток сварочной дуги в устанавливаемом режиме;а - исходный (базовый) угол наклонакрутопадающего участка вольтамперной характеристики источника питания начального режима (величина задаваемая).Т,о. предлагаемый способ позволяет бо лее точно определять при переходе от одного уровня мощности дуги к другому, так какне требует определения дополнительныхпараметров режима сварки в отличие отпрототипа, где для установления оптимального Ох.х, необходимо оперировать порядкас четырнадцатью сварочными параметрами,На фиг. 5 показано изменение напряжения холостого хода и напряжения сварки вовсем токовом диапазоне, наиболее широкоиспользующемся для механизированнойсварки в углекислом газе - от 50 до 400 А,Эти зависимости получены в процессесварки при изменении сварочного тока, Изполученных зависимостей видно, что начальный наклон крутопадающего участка .вольтамперной характеристики источника(щ а) в процессе сварки изменялся.В области токов 80 - 290 А (среднийдиапазон сварочных режимов) коэффициент К оставался равным единице, При измененЙи скорости пОдачи плавящегосяэлектрода в этом токовом диапазоне изменение напряжения холостого хода источника питания происходит при неизменномугле й, тангенс которого равнялся 0,13,В диапазоне токов, меньших или равных 80 А в результате изменения коэффициентас 1 на 1,5 1 д а 1 стал равным 0,195 В/А,В области токов, больших 80 А, коэффициент уменьшился и тд а 1 стал равным0,104 В/А,В таблице приведены значения Ох. дляданного диапазона сварочных режимов в зависимости от изменения сварочного тока,Как видно из полученных результатов,для установления оптимального режимасварки при изменении токового диапазона достаточно ввести один раз всего лишь три вышеупомянутых параметра, и дальнейшая настройка режима производится автоматически. Для настройки режима по известному решению в рассмотренном случае сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей с учетом всего токового диапазона, отраженного на фиг, 5, необходимо было бы для каждого значенияд подбирать экспериментально наклон крутопадающего участка вольтамперной характеристики источника питания, Это связано с негативными явлениями, о которых было сказано выше,Ф о р мул а изобретения Способ механизированной дуговой сварки, преимущественно модулированным током, при котором для определения точки оптимального режима сварки, совпадающей с точкой пересечения круто- и пологопадающих участков вольтамперной характеристики источников питания, определяют напряжение холостого хода источника питания и устанавливают оптимальный наклон крутопадающей ветви вольтамперной характеристики источника питания, о т л й ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения разбрызгивания электродного металла, улучшения формирования сварных швов и расширения диапазона режимов сварки путем более точного определения напряжения холостого хода, при переходе от одного уровня мощности дуги к другому напряжение холостого хода источника питания в устанавливаемом режимеопределяют по следующей зависимости: Ох.х. = Од+ 1( щ я д,где Од - напряжение сварочной дуги в устанавливаемом режиме, В;д - ток сварочной дуги, в устанавливаемом режиме, А;а- исходный угол наклона крутопадаюМ - коэффициент модуляции, МЬВ 1, М 1 - мощность дуги на стадии обраэования капли электродного металла в устанавливаемом режиме сварки, ВА;Ю - мощность дуги на стадии образования капли электродного металла начального режима сварки, ВА.1791086 а,Ь а иг 0 Фиг. 5 едактор нно-издательский комбинат атент", г. Ужгород, ул.Га Производ а,10 4 н и,1Составитель Л.КистерскаяТехред М.Моргентал Корректор Н. Ревская каз 116 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/б