Перенос металла при коротких замыканиях

Типы переноса металла при сварке МИГ/МАГ.

Процесс сварки МИГ/МАГ, будучи процессом, при котором используется плавящийся электрод, характеризуется переносом электродного металла через дугу в сварочную ванну. Перенос металла осуществляется посредством капель расплавленного электродного металла формирующихся на торце электродной проволоки. Их размер и частота перехода в сварочную ванну зависят от материала и диаметра электродной проволоки, типа защитного газа, полярности и значения тока сварки, напряжения дуги и других факторов. Характер переноса электродного металла определяет, в частности, стабильность процесса сварки, уровень разбрызгивания, геометрические параметры, внешний вид и качество сварного шва.

При сварке МИГ/МАГ перенос металла осуществляется, в основном, двумя формами. При первой форме капля касается поверхности сварочной ванны ещё до отделения от торца электрода, образуя короткое замыкание и вызывая погасания дуги, отчего этот тип переноса получил название переноса с короткими замыканиями. Обычно, перенос металла с короткими замыканиями имеет место при низких режимах сварки, т.е. малом токе сварки и низком напряжении дуги (короткая дуга гарантирует, что капля коснётся поверхности ванны раньше своего отделения от торца электрода). Благодаря низким режимам сварки, а также тому факту, что в течение части времени дуга не горит, тепловложение в основной металл при сварке с короткими замыканиями ограничено. Эта особенность процесса сварки с короткими замыканиями делает его наиболее подходящим для сварки тонколистового металла. Сварочная ванна малых размеров и короткая дуга, ограничивающая чрезмерный рост капель, обеспечивают лёгкое управление процессом и позволяют осуществлять сварку во всех пространственных положениях, включая потолочное и вертикальное, как показано на этих рисунках.

При использовании сварки с короткими замыканиями применительно к соединениям с большими толщинами могут наблюдаться подрезы и отсутствие проплавления.

При второй форме капля отделяется от торца электрода без касания поверхности сварочной ванны и, поэтому, этот тип переноса называется переносом без коротких замыканий. Последняя форма переноса металла подразделяется на крупнокапельный перенос и мелкокапельный перенос.

Крупнокапельный перенос металла имеет место, когда сварка ведётся на высоких напряжениях дуги (исключающих короткие замыкания) и средних значениях тока сварки. Он, как правило, характеризуется нерегулярным переходом крупных капель расплавленного электродного металла (превышающих диаметр электрода) и низкой частотой переноса (от 1 до 10 капель в секунду). Из-за того, что сила тяжести играет решающую роль в этом типе переноса металла, сварка ограничена только нижнем положением. При сварке в вертикальном положении некоторые капли могут падать вниз, минуя сварочную ванну (как это видно на этом рисунке на последнем кадре).

Сварочная ванна имеет большие размеры и, поэтому, трудноуправляема с тенденцией стекания вниз при сварке в вертикальном положении или выпадения при сварке в потолочном положении, что также исключает возможность сварки в этих пространственных положениях. Эти недостатки, а также неравномерное формирование сварного шва приводят к нежелательности использования этого типа переноса металла при сварке МИГ/МАГ.

Мелкокапельный перенос металла характеризуется одинаковыми каплями малых размеров (близкими к диаметру электрода), отделяющихся от торца электрода с высокой частотой. Такой тип переноса обычно наблюдается при сварке на обратной полярности в защитной смеси на базе аргона и при высоких напряжениях дуги и токах сварки. В связи с тем, что этот тип переноса требует использования высокого тока сварки, приводящего к высокому тепловложению и большой сварочной ванне, он может быть применён только в нижнем положении и не приемлем для сварки тонколистового металла. Его используют для сварки и заполнения разделок металла больших толщин (обычно более 3 мм толщиной), в первую очередь при сварке тяжёлых металлоконструкций и в кораблестроении. Главными характеристиками процесса сварки с мелкокапельным переносом являются: высокая стабильность дуги, практическое отсутствие разбрызгивания, умеренное образование сварочных дымов, хорошая смачиваемость кромок шва и высокое проплавление, гладкая и равномерная поверхность сварного шва, возможность ведения сварки на повышенных режимах и высокая скорость наплавки. Благодаря этим достоинствам мелкокапельный перенос металла является всегда желательным там, где его применение возможно, однако, он требует строгого выбора и поддержания параметров процесса сварки.

При сварке МАГ в среде СО2 возможен только один тип переноса – с короткими замыканиями.

Источник

Перенос металла с короткими замыканиями

При этом типе переноса металла торец электрода с находящейся на нём каплей расплавленного электродного металла периодически касается поверх­ности сварочной ванны, вызывая корот­кие замыкания и погасания дуги. Обыч­но, перенос металла с короткими замы­каниями имеет месте при низких режи­мах сварки, т. е., малом токе сварки и низком напряжении дуги (короткая дуга гарантирует, что капля коснётся поверх­ности ванны раньше своего отделения от торца электрода). Этот тип переноса ме­талла имеет место как при сварке MIG (Рис. 1.8.10 и 1.8.11), так и при сварке MAG (Рис. 1.8.12). Рисунки 1.8.10 и 1.8.12 показывают этот тип переноса вместе с соответствующими осцилло­граммами напряжения дуги и тока свар­ки. В начале короткого замыкания на­пряжение дуги резко падает (до уровня напряжения короткого замыкания) и ос­таётся низким до его окончания, в то время как ток короткого замыкания быст­ро повышается. Разогрев перемычки жидкого металла между торцом электро­да и сварочной ванной (вызываемый проходящим высоким током короткого замыкания) способствует её разрыву.

Читайте также:  Анодная защита металла цинка

С короткими замыканиями

Рис. 1.8.9 Типы переноса металла при свар­ке MIG/MAG согласно классификации Меж­дународного Института Сварки

Типичные осциллограммы напряжения дуги и тока сварки процесса сварки MIG с корот­кими замыканиями и поведение капли в этих ус­ловиях.

Малоуглеродистая электродная провопока диа­метром 1,0 мм, защитный газ Аг+5%02;

U0 — 18 В; /с* = 170 А; вылет электрода = 18 мм.

В момент окончания короткого замыкания образуется характерная шейка жидкого металла, вызы­вающая повышение осевой со­ставляющей электромагнитной си­лы (пинч-эффект). Ток короткого замыкания сильно разогревает ме­талл шейки. Благодаря, в основ­ном, пинч-эффекту и силе поверх­ностного натяжения капля перехо­дит (всасывается) в сварочную ванну.

Разрыв шейки жидкого ме­талла может происходить с мень­шей или большей силой в зависи­мости от значения тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания должен быть, с одной стороны, достаточно вы­соким, чтобы обеспечить переход капли, а, с другой, желательно более низким для уменьшения разбрызгивания металла.

Кроме этого, если скорость нарастания тока короткого замыкания слишком ма­ла, короткое замыкание может продолжаться долгое время, и, в этом случае, торец электрода, не расплавившись, может погрузиться в сварочную ванну, приводя к не­обходимости остановки процесса сварки.

Для осуществления регулировки скорости нарастания тока короткого замыка­ния, источники питания с жесткой ВВАХ, обычно, имеют возможность выбора тре­буемой индуктивности сварочной цепи. Индуктивность определяет динамические характеристики цепи, и, таким образом, скорость изменения тока в цепи может быть управляема.

После окончания короткого замыкания дуга зажигается вновь. При этом, в мо­мент разрыва жидкой перемычки напряжение резко повышается, образуя на кривой напряжения характерный пик зажигания (совпадающий с моментом зажигания дуги). Хотя сразу же после окончания короткого замыкания ток начинает резко падать, его повышенное значение способствует быстрому оплавлению торца электродной про­волоки. Другими словами, сразу же после окончания короткого замыкания новая ка ми (или времени горения дуги), а также в нерегулярной форме кривых напряжения дуги и тока сварки.

0 914 0 924 0 934 0 944 0 954 0 964 0 974 t(C)

Осциллограммы напряжения дуги и тока сварки процесса MAG в среде С02 при использовании выпрямителя электромагнитной системы и характер переноса металла в этих условиях

Малоуглеродистая электродная проволока диаметром 1,2 мм, U6 — 22 В, let = 140 А,

В этих условиях наблюдается много случайных коротких замыканий типа преж­девременных (то есть коротких замыканий с очень малой длительностью, которые имеют место перед нормальными короткими замыканиями). Природа случайных преждевременных коротких замыканий связана как с действием сил управляющих переносом металла (сила поверхностного натяжения, электродинамическая сила, сила тяжести), а также с испарением металла в месте случайного контакта капли с поверхностью ванны и с хаотичным перемещением капли и поверхности сварочной ванны. В случае, если условия в момент контакта капли и поверхности ванны небла­гоприятны для перехода капли, капля будет оттолкнута от ванны и данное короткое замыкание окажется случайного (преждевременного) типа. Ясно, что такие короткие замыкания практически не сопровождаются переносом электродного металла, но могут вызывать разбрызгивание. Следует указать, что в некоторых условиях корот­кие замыкания типа случайных могут являться индикаторами перехода капель элек­тродного металла.

Источник

Управление переносом электродного металла

Механизм переноса электродного металла показан на рис. 2.29,а.

Рис. 2.29. Перенос электродного металла: а — силы, действующие на каплю; б — зависимость частоты переноса и размеров капли от силы тока; в — осциллограмма тока при импульсно-дуговой сварке

Капля расплавленного металла на электроде находится под действием нескольких сил. Сила тяжести FT направлена вниз, она зависит от диаметра капли dк. Сила реактивного давления Fр паров электродного металла отбрасывает каплю от ванны. Сила поверхностного натяжения Fп стремится уменьшить поверхность капли и поэтому препятствует ее отделению. Электродинамическая сила Fэ вызвана искривлением линий тока и пропорциональна квадрату силы тока, ее радиальная составляющая Fэк стремится пережать шейку капли, а осевая составляющая Fэо отбрасывает каплю к детали.

Проанализируем зависимость характера переноса без коротких замыканий от силы тока при сварке плавящимся электродом (рис. 2.29,б). При малом токе электродинамическая сила Fэ невелика, и капля переносится под действием силы тяжести FТ при достижении достаточно большого размера dк. Такой крупнокапельный перенос, как правило, имеет нерегулярный характер, отрицательно влияет на устойчивость процесса сварки, приводит к плохому формированию шва. При увеличении тока возрастает влияние электродинамической силы на перенос, что приводит к более раннему отрыву капли и, следовательно, снижению размеров капли. Перенос называется мелкокапельным, если dк < dэ. При еще более значительном увеличении тока, активное пятно дуги охватывает не только торец, но и боковую поверхность электрода, которая также оплавляется. В результате конец электрода приобретает форму конуса, с вершины которого жидкий металл стекает мелкими частицами, образующими непрерывную струю. При мелкокапельном и струйном процессе перенос становится направленным вдоль оси электрода в сторону детали, разбрызгивание уменьшается, а формирование шва улучшается, особенно в вертикальном и потолочном положении. Ток, характеризующий переход к струйному переносу, назван критическим Iкр.

Читайте также:  Фаскорез для листа металла

Разработано несколько технологических приемов для улучшения характера переноса. В тех случаях, когда нельзя увеличивать ток выше Iкр, можно обеспечить спокойный перенос крупных капель, переходя к обратной полярности дуги для уменьшения силы реактивного давления паров, используя электроды с основным или рутиловым покрытием. Другая группа приемов обеспечивает снижение Iкр, с тем чтобы перенос имел струйный характер. С этой целью на поверхность электрода наносят поверхностно-активные вещества или добавляют кислород в защитные газы для снижения сил поверхностного натяжения. Наконец, измельчению капель способствуют импульсные магнитные и механические воздействия, например, вибрация электрода. Ниже рассмотрены электротехнические приемы воздействия на перенос благодаря программному управлению силой сварочного тока с помощью источника.

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне выполняется при подаче мощных пиковых импульсов тока (рис. 2.29,в). В результате резкого возрастания электродинамической силы происходит сбрасывание капли с диаметром dк, существенно меньшим диаметра электрода dэ. Ток импульса Iи для надежного сбрасывания капли вместе с базовым током Iб должен превышать критический ток Iкр. Базовый ток Iб назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. Частоту подачи импульсов fи = 1/Т и их длительность tи подбирают так, чтобы каждым импульсом сбрасывать одну каплю.

Управление переносом при наличии технологических коротких замыканий каплями на ванну, которые наблюдаются при сварке покрытыми электродами и механизированной сварке в углекислом газе, наталкивается на серьезные технические трудности. В этом случае процесс плавления электрода имеет не столь регулярный характер, а капля, как правило, несоосна электроду, так что импульс тока может привести к выбрасыванию ее за пределы ванны. С появлением быстродействующих силовых транзисторов возникла возможность управления процессом переноса, оптимально удовлетворяющего как требованиям снижения разбрызгивания, так и обеспечения устойчивости.

Рассмотрим поэтапно один из примеров такого процесса (рис. 2.30).

Рис. 2.30. Управление переносом электродного металла при сварке с технологическими короткими замыканиями: а — кинограмма процесса, б — осциллограмма тока

На стадии дугового разряда образуется крупная капля сбоку от оси электрода, а ванна давлением дуги оттесняется из-под электрода. В конце этой стадии предусмотрено снижение тока (пауза) на время tп = 3-4 мс, при этом реактивное давление паров на каплю снижается, а сама капля приближается к ванне. В начале короткого замыкания в течение tк1 около 1 мс ток резко снижают, что гарантирует слияние капли с ванной, затем напряжение источника восстанавливают, что приводит к нарастанию тока короткого замыкания в течение tк2= 2-4 мс и перетеканию капли в ванну. В конце стадии короткого замыкания в течение tк3 = 1 мс ток снова снижают, что обеспечивает разрыв перемычки между каплей и электродом без газодинамического удара. Вслед за этим напряжение источника восстанавливают или даже кратковременно повышают для надежного повторного зажигания дуги. Такое управление переносом при сварке в углекислом газе позволяет существенно снизить разбрызгивание при высокой устойчивости процесса.

Источник

Устойчивость при сварке с короткими замыканиями

При сварке плавящимся электродом возмущения вызываются капель­ным переносом электродного металла. Особые требования предъявляют­ся к динамическим свойствам источника, если перенос сопровождается короткими замыканиями капли на изделие.

Характеристики переноса при естественных технологических ко­ротких замыканиях иллюстрируются рисунок. 5.12. Такие замыкания харак­терны для механизированной сварки в углекислом газе от источника с низким напряжением. На стадии дугового разряда (1) происходит плав­ление электрода и образование капли. По мере роста капли при непрерыв­ной подаче электрода длина дуги сокращается, а напряжение падает. Ста­дия дугового разряда продолжается в течение времени td = 0,005 — 0.1 с.

Рисунок. 5.12 – Процесс переноса капли с коротким замыка­нием (а) и осциллограммы напряжения и тока дуги при естественном (б, в) и управляемом (г) переносе

Затем капля касается ванны расплавленного металла, при этом дуга гас­нет, напряжение резко снижается, а ток возрастает — наступает стадия короткого замыкания. Ее длительность tK – 0,001—0,01 с. В начале ста­дии короткого замыкания (2) капля касается ванны на очень небольшой площади. Искривление линий тока, проходящих через жидкую перемычку между каплей и ванной, вызывает появление электродинамиче­ских сил, сжимающих перемычку и препятствующих переходу капли в ванну. Но при благоприятном ходе процесса переноса капля сливается с ванной и перетекает в нее (3). Это приводит к образованию тонкой пе­ремычки уже между каплей и электродом. Окончательное разрушение перемычки происходит под действием сжимающих электродинамиче­ских сил, а также благодаря перегреву и взрывному испарению металла перемычки при возрастании плотности тока в ней (4). После разрыва цепи короткого замыкания дуга повторно зажигается (5), при этом на­пряжение источника быстро восстанавливается до значения Uд, а ток снижается до Iд min с последующим плавным нарастанием до Iд. Опи­санные явления регулярно повторяются.

Читайте также:  Керамика для литья металла

Такой процесс, несмотря на резкие изменения параметров, обеспечи­вает практически равномерное плавление электродного и основного ме­талла и образование сплошного ровного шва, что позволяет говорить о технологической устойчивости процесса, не смешивая его с классиче­ским понятием устойчивости как длительной неизменности характера электрических процессов.

Условием технологической устойчивости процесса с естественными короткими замыканиями следует считать регулярную смену стадий ду­гового разряда и короткого замыкания. Поэтому в качестве непосред­ственного критерия оценки устойчивости можно принять частоту цикли­ческих изменений тока и напряжения. Например, при механизированной Сварке в углекислом газе процесс устойчив при частоте fц=10—150 Гц. При этом длительность коротких замыканий tк не должна превышать 0,01 с. Нежелательна и затяжка стадии дугового разряда td более 0,1 с. Абсолютно недопустимы длительные обрывы дуги, т.е. переход к стадии холостого хода источника.

Характер переноса капли интересует нас еще и потому, что он влияет на разбрызгивание электродного металла за пределы сварочной ванны. Приводящее к значительным потерям металла и повышению трудовых Затрат на зачистку сварного изделия от приварившихся брызг.

Приемы повышения технологической устойчивости и снижения разбрызгивания рассмотрим параллельно. Критическим для обеспечения непрерывности процесса является момент начала короткого замыкания (2). При слишком большом токе Iд капля не сливается с ванной, а иногда даже отбрасывается за ее пределы. Например, сварка в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм с короткими замыканиями не рекомендуется при токе более 400 А именно по этой причине в связи с многократными задержками в переносе капли и чрезмерным разбрызгиванием. Еще один критический момент приходится на окончание стадии короткого замыкания (3). Для надежного прерывания короткого за­мыкания необходимо интенсивное разрушение перемычки между каплей и электродом, что обеспечивается при достаточно большом значении тока короткого замыкания. Так, при сварке на токах от 50 до 300 А проволокой диаметром 0,5 — 1,4 мм необходим ток с пиковым значением Iкп=300 — 500 А. Принято также оценивать надежность по скорости нарастания тока короткого замыкания она для этих проволок должна быть выше 70 кА/с. При меньших значениях тока короткого замыкания и его скорости нарастания перемычка между каплей и электродом не разрушается, и стадия короткого замыкания затягивается, что приводит к погружению электрода в ванну. При этом дуга может не возобновиться, в результате непрерывность процесса нарушится. Однако и чрезмерно завышать силу тока короткого замыкания и его скорость не рекомендуется, поскольку при скорости более 180 кА/с наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла.

Рассмотрим способы воздействия на ток короткого замыкания. Если учесть кроме сопротивления источника RH еще и сопротивление вылета RB электродной проволоки, то пиковое значение тока короткого замыкания IкпU/(Rи + RB). Отсюда видно, что для увеличения пикового значения тока короткого замыкания следует увеличивать напряжение холостого хода U источника и снижать его внутреннее сопротивление RH. Для увеличения скорости нарастания тока короткого замыкания необходимо, кроме того, снижать индуктивность L. Перечисленные приемы, решая проблему надежного разрыва цепи короткого замыкания (момент 3 на рисунок. 5.12), обеспечивают выполнение главного условия технологической устойчивости. Но эти же приемы затрудняют слияние капли с ванной (2), играющее хоть и второстепенную, но заметную роль в обеспечении устойчивого процесса.

Очевидно, что для снижения разбрызгивания электродного металла на обоих критических участках стадии короткого замыкания следует снижать ток короткого замыкания и скорость его нарастания. В частности, полезно увеличение индуктивности. С этой целью в сварочных вы­прямителях используют сглаживающий дроссель. Особенно эффективен управляемый дроссель, в начале короткого замыкания он имеет большую индуктивность и, следовательно, сильно ограничивает ток, что способствует слиянию капли с ванной. В конце короткого замыкания его индуктивность резко снижают, и ток возрастает, что обеспечивает сбрасывание капли с электрода.

Последний критический момент (4) связан с необходимостью повторного зажигания дуги после короткого замыкания. При механизированной сварке в углекислом газе повторное зажигание происходит, как правило, надежно. Этому способствуют как быстрое восстановление напряжения источника, так и подпитывающее действие индуктивности в его цепи. И лишь при чрезмерно малых значениях U и L в кривой тока iд наблюдается провал до Iд min (показано пунктиром на рисунок. 5.12, в), что в сочетании с другими неблагоприятными факторами (затянувшееся короткое замыкание, большой вылет электрода, чрезмерное его отдергивание) может привести к обрыву дуги, нарушающему устойчивость процесса.

Как видно, требования к электрическим характеристикам источника для обеспечения устойчивости и снижения разбрызгивания на различных стадиях процесса разнообразны и противоречивы. Так, увеличение индуктивности L способствует снижению разбрызгивания, надежному повторному зажиганию дуги и слиянию капли с ванной, но препятствует надежному разрыву цепи короткого замыкания. Поэтому в простейших конструкциях источников их электрические параметры назначаются на основе компромисса между отдельными требованиями. В современных же конструкциях с обратными связями и программным управлением возможно полное удовлетворение всех требований на основе управляемого переноса металла.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector