автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение устойчивости малоамперной дуги переменного тока при сварке вольфрамовым электродом тонколистового алюиминия и его сплавов

ц о ■ ; 1 • •

В0ЛГ0ГРАДОИ1Й ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ' ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукопчси ЛАПИН Игорь Евгеньевич

повышение устойчивости маломерной дуги переменного тока ПРИ сварке вольерашвш электродом тонколистового алшиние и его сплавов

Специальность 05.03.06 - Технология к машины сварочного произЕоцства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 1992

Работа выполнена на кафепро "Оборудование и технология сварочного произЕОп.ства"Волгогрз ясного ордена Трудового Красного Знамени политехнического икотитута.

Научный руководитель

- доктор технических наук,профессо] Седых Владимир Семенович

Официальные оппоненты

- доктор технических наук,профессор Столбов Владимир йзанович

- кандидат технических наук,доцент Бондарев Юрий Александрович

Везущее предприятие

- завод экспериментального машиностроения НПО "Энергия" С г .Калининград Моек.об л.)

Направляем Ван для ознакомления автореферат диссертации соис катеяя Лапчна И.Е. Просив Вас и сотрудников Валего учреждения, иктересувщихся темой диссертации,принять участие в заседании ene .дуализированного совета или прислать свой отзыв в одном экземпляра, заверенный печатью по адресу: 400066, г.Волгоград, пр.В.И. Ленина,23, политехнический институт, ученому секретарю специализированного совета К 063.76.03.

Защита состоится " ТПCL 1992 г. в 10 часов на заседании специализированного совета К 063.76.03 в Волгоградском политехническом институте.

С диссертацией мокко ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан IS92 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наух, доцент

■глцка i общая хАРжгететикд работы

Актуальность темы. Значительную нолю объема сварочных работ составляет в настоящее время сварка тонколистовых конструкций из алюминия и его сплавов: трубГ обечаек, зацитньэс кояухов и каркасов, элементов теплообыенной аппаратуры, корпусов электротехнических приборов и т.п. Среди известных способов сварки алюминия наибольшее распространение получила аргонодуговая сварка на переменном токе неллавящикся электродом з непрерывном и импульсном режимах. Преимуществами данного способа являются его относительная, дешевизна,надекная защита сода сварки, высокое качество катодной очистки свариваемых кромок в процессе сварки, возможность выполнения соединений в любых пространственных положениях,простота средств механизации процесса и т.д. Однако, низкая стабильность малоамперной цуги переменного тока, существенная зависимость параметров сварного шва от длины цуги, а также значительные размеры зоны термического влияния затрудняют процесс сварки тонколистового алюминия и значительно сникают качество сварных соединений. Эти недостатки аргоно-дуговой сварки, зачастув приводят к браку тонколистовых сварных алюминиевых конструкций, который в серийном производстве составляет значительный процент.

Практически единственным способом дуговой сварки листовых конструкций из алюминия толщиной менее 0,8 мм в настоящее время является ыикроплазменная сварка на переменном токе. Однако и этому методу свойственен ряд недостатков. Так, стоимость технологического процесса при микроплазменной сварке в 2 раза ЕШе, чем при аргоно-сугобой, что объясняется сложность» и дороговизной оборудования и технологической оснастки, требующей высококвалифицированного об-слукиЕащего персонала, необходимостью использования разнородных газов в качестве плазмообразуадего и защитного, высокими требованиями к точности сборни свариваемых элементов. Существенным недостатком микроплазменной сварки является повышенное давление сжатой цуги на сварочную ванну,величина которого в 2,5-3 раза больше, чем при аргонодуговой сварке, что при выполнении соединений из тонколистовых металлов приводит к провисанию сварных швов, значительно повышает вероятность образования прожогов и ..вляется основной причиной повышения требований к точности сборки заготовок под сварку.

С учетом сказанного, применение аргонодуговой сварки для выполнения соединений из тонколистовых металлов выглядит наиболее рациональным как по экономическим соображениям, так и в силу опре-

деленных технологических преимуществ. Повышение стабильности дуге вого разряда на малых токах при атом является одной из актуальны) пробьем в производстве сварных тонколистовых алюминиевых конструг ций.

Актуальность теш подтверждается ее внпоянвдием по проблеме 0.72.01 ПШТ СССР: в 1987 г. - по теме I-01-01 и с 1988 по 1991 ! - по теме 2-01-1-а "Сводного плана важнейших НИРиПКТР в области сварочной науки и техники" Научного и Координационного Советов по сварке.

Цепыо настоящей ргботы является исследование и разработка ега собов и средств повышения устойчивости малоашернсй (5-30 А) цуп переменного тока при сварке тонколистовых конструкций из алсминт и его сплавов.

Научная новизна. На основе анализа электрофизических явлений малоамперной дуге установлена зависимость стабильности цуговего разряда на переменном токе ст длительности перехоявых процессов при повторных возбуждениях цуги на обратной полярности и величии преццуговых токов в переходный период. Доказано, что на скорость формирования катодных процессов и устойчивость дуги оказывают пе] востегзекное влияние скорость нарастания и абсолютное значение на. пряжения, прикладываемого к дуговому промежутку после смены поля] ногти, а такгке проводимость в этот период остаточной плазмы дугового разряда. Исслецована взаимосвязь этих параметров и определены условия устойчивого горения малоамперной цуги при сварке на гк реыенном тоне с применением источников питания, обеспечивающих с: нусоицальну® и прямоугольную форму выходного напряжения.

Установлены основные закономерности влияния условий работы и конструкции неплавящихся электродов на стабильность повторных во; бувщений цуги б полупериоды обратной полярности и пространственную устойчивость дугового разряда.

Получены экспериментальные зависимости пространственной усто чивости и проплавлящей способности ьапоаыперной дуги при сварке тонколистового алюминия асимметричными разнополяршми импульсами тока прямоугольной формы от соотносения амплитудных значений ток. и длительностей горения цуги в полупериодах прямой и обратной по лярности.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. В ходе исследований разработаны новые конструкции неплавящихся электродов и двухэлектроцчых сварочных горелок для сварки на пер манном токе с применением вспомогательного дугового разряда, уст

новлена оптимальная: схема питания и совиестного горения сновко? и вспомогательной дуг, обеспечиватадая ст?бильность процесса сварки при величине тока г А и более. Разработана инвертсрная приставка к серийным источникам питания постоянного ■"ока для СЕарчи тонколистового алюминия асиынетричнтаи разно по лярньшк импульсг.ми тока прямоугольной формы.

Результаты исследований внедрены на ПО "Баррикады" (г.Волгоград) и заводе экспериментального машиностроения НПО "Энергия" (г.Калининград Моск.обл.) • Прм/ьтдленная проверка покаоага високу-э надежность и хорошие технологические характеристики разработанной сварочной аппаратуры. Еовкпены качес-гзо ы надежность сварных ссеяи-нений, снижен уровень брака.

Апробапяя работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "ICC--летие изобретения сварки по метопу Н.Г.Славчноза и современные проблемы развития сварочного производства" (Пермь, I96S); научно« семинаре "Достижения и перспективы развития сварочного производства" (Москва, 1988); I Мекзукарояной конференции молодых ученых и специалистов в области сварки и смежных технологий (Киев, 1939); ежегодных научных конференциях Волгоградского политехнического института (Волгоград, IS37-i990).

Структура и сбьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, выполнена на 170 страницах у.пьи-нописного текста, содержит 65 иллюстраций, 2 таблицы и IC5 наименований литературных источников, Екп-эча.-i II наименований на иностранных языках.

соде?::акке работы

Глава I является обзорной. В первой ее части на основе литературных ванных рассмотрены электрофизические особенности дуги переменного тока с электродами из различных материалов, приведен анализ причин снижения ее устойчивости при уменьшении сварочного тока. Показано, что основным условие:* устойчивого горения калоампор-ной дуги при сьарке нсплаьяцимся эле::гроцом тонколистового алюминия является стабильность повторных Еозбуяденкй ее после скенн полярности. 3 литературе описаны дви основных механизма повторного возбукдення открытие дуг: токой термоэлектронной эмиссии и остаточной плазмой. В рассматриваемом случае при повторных возбуждениях дугового разряда в полупериоцы прямой полярности реализуется

с

первый г ¡указанных механизмов. При отоы, благодаря знсохим знач ниям тока термозниссил с вольфрамового кахода, проводимость дуго го промежутка после смены полярности подцеркиваетсп в течение дл тельного времени на уровне, достаточном для формирования цугосог разряда, возбуждение которого происходит при напряжении на дуговом промежутке, практически не превылата^еи напряжение горения цу Наибольсие трудности возникают при повторных возбуждениях цуги к обратной полярности, когда величина тока термоэииесии ничтожно ы ла, а формирование разряда за счет остаточной плазмы затруднено из-за низкой тепловой инерционности столба малоамперной пугк. Ос бую значимость здесь приобретают вопросы, связанные с Нормирован ем катодных процессов, поскольку неблагоприятные условия эмиссии электронов с поверхности электрода в преддуговой период резко сн кают проводимость дугового промежутка в этой зоне и является осн ной причиной срыва повторных возбуждений цуги.

С особенностями протекания приэлекгроцннх процессов на алпми ниевом катоде связывав? также повыненное блукцание активного пят на по поверхности металла в процессе сварки. По шекито Г.И.Леско ва, это вызвано интенсивны!/ испарением металла в зоне привязки р • ряда и определяющим образом влияет на устойчивость дуга в пространстве .

ьо второй части литературного обзора рассматриваются сучест щие способы пезышения устойчивости цуги переменного тока при сва ке алюминия. Особое внимание здесь уценено конструкциям источник питания переменного тона с синусоидальной и прямоугольной Фсрмо" еыходного напряжения, примензшга импульсных стабилизаторов дуги, ынкроп.газмекной сварке.

Проведенный анализ литературы показал, что существующие спо собы сварки алтошния Еольфраковыы электродом, в зависимости от р алиэуеяого метода стабилизации процесса, обеспечивают устойчивое горение цуги в диапазона токоа, превьтаакдем 20-50 А, а повышение стабильности позторных ее возбуждений при сварке тонколистовых а миниевых конструкций остается до нашего времени актуальной пробя мой.

Б литературе отсутствуют систематизированные цанкые по сраг нкю эффективности применения различных истодов повышения ус™ойчи воет и цуг« при сваргсе на малых токах, тем не .менее проведенный V. сравнительный анализ позволяет выделить в этой области некоторые наиболее перспективнее направления. Так, например, наилучшие ре-

зультаты достигаются при сварке алюминия в случае гтрииеьгния источников питания, обеспечивавчич высокую скорость нарас-ания напряжения но. дуговом промежутке после смены полярности (источники питания переменного тон- с прямоугольной или близкой к ней формой выходного напряжения). Однако, какие-либо данные о конкретных возможностях чаких источников в условиях сварки тонко пистов'т материален при величине сварочного тока, не превышающей 30 А, в литературе отсутствуют.

Что касается стабильности цуги при сварке синусоипальнш током, то увеличение скорости нарастания напряжения на цуговом промежутке за счет сдвига $аз ыетау током цуги и питающим ее напряжением не обеспечивает устойчивости повторных возбуждений разряда в полупериоды обратнсГ- полярности и требует принятия пополнительных мер по его стабилизации. Наибольшее распространение среди них получило применение импульсных стабилизаторов дуги, однако, по имещиыся сведениям, эффективность их использования при сварке на ыалых токах весьма низка из-за высокой длительности протекания переходных процессов при повторных возбуждениях цуги.

Другой возможный способ, связанный с применением вспомогательной цуги и получивший широкое распространение в технологии • плазменной обработки материалов, применительно к условиям аргоно-цуговой сварки изучен недостаточно, что объясняется во многом отсутствием необходимой для этой цели специализированной аппаратуры. В литературе отсутствуют такке исследования влияния конструкции келлавяцегося электрода на устойчивость дуги переменного тока, в то время как опубликованные за последние годы материалы, кэсаа-щизся роли его в стабильности процесса сварки на постоянном токе, позволяет говорить о перспективности и необходимости разработок в ятом направлении и применительно к дуге переменного тока.

Сдеркивавдкы фактором в витии технологии аргонодуговой сварки тонколистового' алюминия на переменном токе является низкая пространственная устойчивость малоамперной дуги. В опубликованной литературе отсутствуют какие-либо предложения по устранению этого негативного явления и, в большинстве случаев, рекомендации но сварке тонколистовых конструкций из алюминия сводятся к необходимости выполнения соединений с отбортовкой кромок. С практической стороны решение этой проблемы носит первостепенный хз-

рактер и требует проведения в данной области, специальных исследований.

В соответствии с изложенным были поставлены следующие основные задачи диссертационной работы: исследовать эффективность применения вспомогательной дуги косвенного действия в целях повышения устойчивости малоакпериой дуги переменного тока при сварке алюминия; исследовать влияние конструкции неплавящегося электрода на стабильность калоамперной дуги переменного тока;- исследовать устойчивость ьалоамперной нуги при сварка алюминия с .применением источников переменного тока, обеспечивающих прямоугольную £орму выходного напряжения; исследовать пространственную устойчивость маловлгаерной дуги при сварке алюминия асимметричными раонополяр-ными импульсами тока прямоугольной $ормы; разработать.устройства и аппаратуру для сварки неплавящикся электродом тонколистовых алюминиевых конструкций.

Главы 2-5 посвяцены исследование устойчивости малоамперной дуги переменного тона и разработке аппаратуры для сварки неплавя-щиыся электродом тонколистового алюминия и его сплавов.

Основной причиной, обусловливающей низкую устойчивость цуги 'переменного тока при сварке вольфрамовым электродом алюминия, являются затрудненные условия формирования катодных процессов в полупериоды обратной полярности. Обычно трудности эти легко преодолевается подачей на цуговой промежуток стабилизирующих импульсов повышенного напряжения в момент перехода сварочного тска через нулевое значение, однако при сварке на малых токах мера эта является малоэффективной. Причина, по всей взроктности, заключается в том, что при сварка малоаыпериой дугой степень ионизации остаточной плазмы в момент подачи стабилизирующего импульса оказывается недостаточной для обеспечения необходимой плотности ионного тока и создания у катода электрического поля высокой напряженности для реализации механизма евтоэлектронней эмиссии. Обеспечить необходимую для формирования катодного падения потенциала величину ионного тока ыскно, поеысиб проводимость дугового промежутка путем "подогрева" его посторонним источником энергии, б частности, вспомогательной дугой косвенного действия. Резение ©той задачи потребовало разработки специализированных двухзлектрод-нкх горелок для сварки алюминия непиавящиыся электродом на пе- ' ременном токе с применением вспомогательного дугового разряда постоянного тока. В ходе исследований разработаны два варианта

таких горело к ка номинальные теки до 20 и 50 А, отличительными особенностями коточнк является возмстеость использования иеплазп-щихся электродов ультрзмалых диаметров (до 0,2 мм), обеспечивающих устойчивое горение малсамперной вспомогательной цуга, а также незначительные габарчты и вес горелок. Ошмным путем установлена оптимальная схема питания и совместного горения дуг постоянного и переменного тока, в соответствии с которой основной нд-плавятцийся з^октроц даухсэлектродной герелкя соединяется с одной из выходных клемм источника переменного тока и клеммэй с отрицательным потенциалом источника постоянного тока, вспомогательный электрод соединяется с клеммой положительного потенциала этого ке выпрямителя, а вторая выходная клемма источшка переменного . тока - со свариваемым изделием.

В проводимых экспериментах для питания цуги постоянного тока применяли специализированный трехфазный сварочный выпрямитель с напряжением холостого хода. 60 В. Питание дуги переменного тока осуцестгляяи от автотрансформатора с жесткой внешней вольтампер-кой характеристикой, обеспечивающего возмогеость плавного изменения выходного напряжения от 0 до 250 В. Регулировку сварочного тона осуществляла при помощи балластного реостата или дросселя'с переменной инпуктивностьп. Контроль эа эффективными значениями сварочного тока и напряжения осуществляли при поыоци стрелочк.« приборов магнитоэлектрической системы.Наблюдения эа формой кривых сварочного тока и напряжения на дуговом промежутке, а такке необходимые ссдаллогра^ичеекие измерения осуществляла при помоги двух-лучевого запэминачщего осциллографа C8-I4. Контроль за состоянием кеилавячихся электродов, длиной дуги и наблюдения эа зоной старки проводили, используя бинокулярный микроскоп МЕС-9. Устойчивость нуги сгенивали ее разрывной длиной по общепринятой методике. При аналисе полученнча. результатов дуговой разряд считали неустойчивые, если разрывная алана дуги составляла менее 5 т или наблюдались перебои в еэ горении.

Проведенные исследования показали, что устойчивость малоамперной нуги переменного тока при использовании вспомогательного пу-гезого разряда, косвенного действия по мере увеличения его тска существенно повышается. Значительное увеличение стабильности пуги наблюдается и при росте сварочного тока во всем исследуемом диапазоне изменения его от 5 до 30 А. Установлена такте существенная зависимость устойчивости дугового разряда от соотношения активной

и индуктивной составдетщюс сопротивления сварочной цепи. Так, при преобладании в сварочной цепа активной нагрузки предельная разрывная длина цуги переменного тока мало зависит от величины последнего, и, -дапе в случае высоких значений напряжения холостого хода источника пчтания ("50 В), не превышает 1,5-2 км. Анализ полученных «ля этого случая зависимостей напряжения зажигания дуги Цз в полупериоды обратной поляркости от длины дугового промежутка показывает, что при отсутствии "подогрева" разрядного"промежутка вспомогательной дугой незначительное увеличение длины дуги прямого действия приводит к существенному росту напряжения ее заяигания, и, если достигается критическая его величина, близкая к амплитудному значению напряжения на выходных клеммах трансформатора, дуговой разряд гаснет.

В соответствии со статической характеристикой тгобого дугового разряда увеличение длины нуги неизбежно связано с увеличением падения напряжения на ней. Учитывая, что, в отличие от стационарного процесса, горение цуги в рассматриваемом случае сопровождается паузами, что, собственно, и требует позшенного напряжения при каждом повторном ее возбуждении, увеличение длины дуги цолкно сопровождаться ростом пика зажигания по крайне мере на величину роста падения напряжения на столбе дуги. Это приводит ;> затягивании) преддугового процесса, поскольку скорость нарастания напряжения на дуговом промеяутке ограничена. Протекающие в этот период времени в ыезопекгроцноы пространстве процессы деионизации обусловливают снижение его проводимости, что, в своз очередь, токе требует увеличения напряжения для повторного возбуждения цуги. В результате напряжение заглгания с повышением длины дугового промежутка увеличивайся в геометрической прогрессии, а незначительные колебания длины дуги суцестгенно влияют на ее устойчивость. Применение вспомогательной дуги гкачительно сникает напряжение зажигания цуги переменного тока, причем, чем больше величина тока дуги косвенного действия, тем ыеньпе требуемая величина напряжения для повторного возбуждения дуги при одинаковой длине ее. Отсюда следует, что дополнительный "подогрев" дугового промежутка, сдерживая происходите в нем процессы деионизации во время пауз горения цуги, препятствует ускоренному росту необходимого для ее фор-кирогашг нгпрякения, обусловленному увеличением длины пути.

Исследования показали, что ка предцуговой стадии процесса возбуждения дуги в полупэриоды обратной полярности существенное

значение имеер характер изменения преддугового тока, дпгфллогра-$ические измерения дозволили установить, что тон в свэрочноЧ цопи посла смени полярности первоначально увеличиваете* в соответствий с прикладываемом я дуговому промежутку напряжением, т.е. пс синусоиде. Однако напряжение аежду электродами в -»тот момент не превц-вает нескольких волы и не мокет подчеркивать сучестэу^ий на этой стации тлеющий разряд. В результате процессов деионисации предцу-говей ток начинает уменьшаться, несмотря на продоягыоцийся рост напряжения: на дугоЕоы прсмегутке. В дальнейшем поя зо?цойст«иеч предцугоЕых токов формируется область катодного падения потенциала и напряженность электрического шля е этой зоне достигает значений, достаточных для реализации механизма азто-злектронной эмиссии. При это« проводимость гугя в катодной области резко яограс-;--тает и тлещий разряд скачкообразно переводит в дуговой.

Исследопание влияния длины дугового промежутка на протекание предпуговых процессов показало, что абсолютная величина пред путового тока в один и тот не момент времени не зависит рт метолект-родного расстояния. Б то жэ время, более коротким дугач соответствуют меньшие значения напряжения зажигания. Причина этогс заключается, по-видимому, в меньшем падении напряжения на столбе г летнего разряда при переходе его в дуговой.

Увеличение тока вспомогательного разряда при неизменной длине дуги переменного гска ловышает величину преддугового тока, однако не приводит к его росту во времени. ТТри этом отмечается уменьшение скорости падения преддугового тока, что существенно ускоряет возбуждение цуги, которое происходит гри меньшем напряжении зажигания.

Установлено, что с уменьшением цяига дуги переменного тока влияние вспомогательной дуги на величину напряжения зажигания снижается, а при длине дугового промежутка менее 0,5 мм значение его не зависит от :гока вспомогательно? дуги и находится в пределах 120-130 В. Аналогичное по величине значение U3 в стом случае наблюдается и при отсутствии вспомогательной цуги. Это говорит о том, что U» с уменьшением длины дуги и по v°pe роста преццугового тока стремятся к некоторой определенной величине ( в едннем случае 120-130 В), значение которой, по всей вероятности, отражает порядок катодного падения потенциала тлетдего разряда и ■ уменьшено быть не мокет.

Изучение зависимости характера протекания предпуговых процес-

сое от сопротивления сварочной цепи показало,.' что величина пред-пугсвого тока уменьшается с увеличением балластной нагрузки по закону, близкому к линейному. Это такте сопровождается увеличением длительности переходных процессов, ухудшением стабильности пов горнья возбуждений дуги и устойчивости разряда в целом. Увеличение скорости нарастания напряжения на дуговом промежутке за счет введения сдвига фаг мекцу тонок нуга и питающим.ее напряжением пу тем уменьшения активной составляющей сопротивления сварочной цепи значительно повышает устойчивость малоамперной дуги. С учетом полученного минимального еначеняя напряжения зажигания цуги на обратной полярности (330 В) напряжение холостого хода, обеспечивающее устойчивое горение дуги, для трансформаторов-с увеличенным магнитным рассеянием долкно составлять не менее 90 Б. Экспериментальная проверка показала, что устойчивое горение малоамперной щ ги во всеы исследуем« диапазоне сварочных токов обеспечивается в этом случае при токе вспомогательной дуги 8-10 А.

Применение вспомогательной цуги значительно повышает эффенти нссть применения импульсных стабилизаторов цуги переменного тока га счгт существенного сокращения длительности переходных пропесс< 'при повторных ее возбуждениях. Так, при сварке алюминия с примеш ниеы източников питания, оснащенных импульсными стабилизаторами, устойчивое герекие дуги на малых токах обеспечивается при напряяк нии холостого хода 70 В и величине тока вспомогательной цуги 1,5-2 А.

Вакным технологическим преимуществом сварки на переменном токе с применением вспомогательной нуги является отсутствие необходимости использования осцилляторов. Возбуждение дуги в этом случае происходит самопроизвольно при сближении горелки оо сваривав' мны изделием.

Одной кз поставленных в работе задач являлось исследование влияния конструкции недлавящегося электрода на устойчивость мало амперной гуги переменного тока. В литературе имеются сведения о влиянии нах'рева нг.плав ищемся электрода проходящим от вспомогате ноге источника током на устойчивость цуги. При этом отмечалось, что увеличение тока какала электрода приводит х существенному сн жению напрякения зажигания цуги в полупериоды обратной полярност С условиями работы неплавяцегося электрода связывают также устой чивость активного пятна дуги на поверхности его рабочего участка и, как следствие, пространственную устойчивость дуги в целом. Дл

изучения закономерностей влияния конструкции неплавящёгося электрода на устойчивость малоамперной цуги проведены аналитически* исследования его теплового баланса при сварке на переменном токе. По результатам расчетов построены зависимости распределения температуры по длине электрода э зависимости от его диаметра, Еылета и величины сварочного тока. В ходе исследований установлено, что с уменьшением диаметра неплавящегсся электрода характер распределения температуры по длине его вылета существенно изменяется. Проявляется это прежде всего в уменьшении температуры у рабочего торца электрода и более плавном снижении ее в направлении к корпусу. У глектродсв с большим диаметром более высокое значение теплового потока в охлаэдаемый олект рододеркатель обусловливает увеличение мощности теплового потока, поступающего в электрод о* цуги, поскольку процесс поддержания необходимой температуры на рабочей участка электрода является саморегулируемым. Это является одной из причин скатия плазмы у поверхности электрода и повышения температуры на его рабочем торце с- ростом сзарочнс?о тока. У эгек-троцез с большим термическим сопротивлением рылета (расчетным диаметром 0,3 мм) увеличение силы тока не сопровождается повелением температуры у рабочего герца, в то время, как температура удаленных от него участков нарастет болэе интенсивно. Аналогичное влияние на характер распределения температуры оказывает и увеличение вылета электрода. В результата с уменьшением диаметра неплав яг,е-гося электрода и увеличением его валета распределена температуры по длине электрода, благодаря возрастающему влиянию тепловыделения на его омическом сопротивлении, выравнивается, а сам электрод накаляется проходящим по нему сварочным током. Однако, на практике, возможность применения уль^ратонких вольфрачовьгх эл^ктрог.оъ при большом вылетр, не всегда осуществима из-за недостаточной ¡кесткости их при высокой температуре. Кроме топ, эффективность воздействия теплового излучения такого электрода на процессы в дуговом промежутке низка из-за значительной удаленности источника .тепла от зоны сварки. Исходя из полученных результатов, разработана конструкция ульгратонного (0,3-0,5 мм1 чеплавячегося электрода для сварки малоамперной дугой переменного тока, рабочий участок которого выполнен в вице спирали. Пирометрические исследования распределения температуры по длине рабочего участка такого электрода показали хороиуэ сходимость их с результатами аналитических исследований. Изучение влияния величины сварочного тска и

расхода защитного гаьа на тепловой балннг разработанного электрода показало, чго основными структурными составляющими его являются нагрев за счет тепловь'целзшя на омическом сопротивлении и ох-павдегае пасреаствам теплового излучения. Последнее обстоятельство, вероятно, служи? объяснением существенного повышения устойчивости малоамперной цуги при сварке на переменном токе с праменени ем разработанного электрода. Экспериментально установлено, что разрывная длина дуги при это« в зависимости от величины сварочког ■гска в 1,5-3 раза превосходит аналогичный показатель при сварке стандартными неплавящимиск электродами диаметром 1,5 мм.

Исследования пространственной устойчивости активного пятна цуги на поверхности рабочего участка электрода шказало, что во всем исследуемом диапазона токов перемещения его не отмечаются. Изучение состояния поверхности неплавччегося электрода после сварки позволило определить, что горение цуги при его использова нии протекает в наиболее благоприятном рекш.'с, с рассредоточении активным пятном, чем и объясняется относительно высокая стойкой •такого электрода яри сварке на переменном токе.

Другой возыоюый путь увеличения устойчивости дуги переменю го токр - увеличить скорость перехода питающего ее напряжения через ноль, свеяя к мишыуыу при'этом процессы деиониэации, сгя ванные с позторныыи возбуждениями дуги. Для исследования возмок ностей этого способа применительно к сварке мэлоамперной дугой разработана инвсрторная приставка к серийным источникам питания постоянного тока, обеспечивающая на выходе прямоугольную форму напряжения за счет резкого переключения полярности выпряыпенкс напряжения на нагрузке (дуге). Резработанкая схема управления инвертором позволяет з широких пределах регулировать амплитуду длительность поп/периодов тока прямой и обратной полярности.

Установлено, что при отсутствии стабилизирующих устройств i напрякенич на выходе инвертора 75 В, горение цуги вс всем исся ауенсы диапазоне сварочных токоз, независимо от соотношения дл тельностей шлупериоцов примой и обратной полярности, проксхоп только в .полупериоды прямой полярности, несмотря на высокую, ск рость нарастания напряжения при переходе его через нулевое зна чение, составлявшую 170 кВ/с. При увеличении напряжения на вш де установки возбуждение дуги в полупериоаы обратной подярнос" било достигнуто только при напряжении холостого хода 130 Б, а устойчивое горение дуги еэ веек диапазоне токов отмечалось пр

напряжении 160 В. Это подтверждает высказанное выло предположение, что повторное возбуждения дуги с катодом на алюминии не могут быть обеспечены при напряжении на дуговом'промегутке »;екее 130 В, а данные последних &кспериментов позволяет утверждать, что значение это не может быть снижено путем увеличения скорости нарастания напряжения на дуговом промгпутке при сиене полярности.

Осциллографические исследования прецдуговых процессов показали, что при недостаточном напряжении на пугоЕом промежутке тлеющий разряд в переходный период постепенно затухает и в дуговой процесс не переходит. При напряжении га дуговом промежутке выше установленного минимального значения под воздействием пред-дуговых токов в катодной области формируется обьемный положи- -тельный заряд, обеспечивакичй реализации механизма автоэлектронной эмиссии и переход тлегзпего разряда в дуговой. Характерно, что длительность переходного процесса в этом случае почти на порядок меные, чзм при сварке синусоидальным током.

Установлено, что стабильность дугового разряда при сварке на ' переменном токе прямоугольной формы значительно меньше зависит от длины дуги, чем при сварке синусоидальным током. Объясняется' зто тем, что Нормирование дугового разряда в первом случае происходит при постоянном по величине напряжении на дуговом промежутке, равном напряжение холостого хода установки. Увеличение длины дуги в этом случае не связано с процессами деионизации межэлектродного пространства из-за роста напряжения зажигания дуги.

Из сказанного следует, что устойчивое горение малоамперной дуги переменного тока прямоугольной формы «окет быть обеспечено без применения дополнительных стабилизирующих устройств при напряжении холостого хода источника питания не менее 160 В. Понизить напряжение до приемлемых значений ыогоо путем поцачи ка разрядный промежуток кратковременных импульсов повышенного напряжения.

В работе были проведены эксперименты по определения оптимальных параметров стабилизирующих импульсов напряжения по амплитуде и длительности юс применительно к условиям сварки тонколистового алюминия на переменном тоне прямоугольной фо^мн. Установленные опытным путем оптимальные параметры импульсов (напряжение 300 В, длительность 2 газ ) оказались существенно нике аналогичных параметров, устанавливаемых з серийных источниках питания при сварке синусоидальным током. Объясняется это значительным сокращением длительности переходных процессов при повторные возбуждениях цугя

и меньшей ее зависимости» от длины цуговсго'про:.;акутка. Установлено, что при использовании импульсных стабилизаторов устойчивое горение цуги обеспечивается при напряжении.холостого хода источника питания 55 В и более. Это говорит о том, что разработанная

- ■ *\ ииверторная приставка обеспечивает устойчивое горение малоамперной цуги переменного тока при работе в сочетании практически с любит серийными сварочными выпрямителями.

Экспериментальные данные показывают, что изменение частоты переменного тока не сказывается существенно на стабильности повторных возбуждений дуги, однако значительно влияет на устойчивость ее в пространстве..

Иявестно, что нлзкая пространственная устойчивость дуги при сварке аячзмикия обусловлена интенсивным блуяданием катодного пятна ее по поверхности свариваемого изпелия в полупериоды обратной полярности. При этом катеркап изделия подвергается катодному распыленно и на поверхности его образуется зонг, так называемой. катодной очистки. По ширине этой зоны и определялась пространственная устойчивость дуг::. В проводимых с этой целью экспериментах пласти-. ны из алюминия перемещали с постоянной скоростью под дугой и определяли шаркну зоны катодной очистки. Толщину пластин подбирали таким образом, чтобы катерная их в процессе воздействия дуги нэ доводился до расплавления. Этим обеспечивалось равенство условий горения пуги три всех параметрах режима.

Результаты опытов показали существенную зависимость пространственной устойчивости дуги от соотноаения длительностей полупериодов тсна прямой и обратной полярности и величины тока обратной полярности . Так, например, при неизменной длительности полупериоцов тока прямой полярности Гор сокращение длительности полупериоцов обратного тока Та}р значительно сникает ширину зоны катодного распыления. Это говорит о том, что амплитуда перемещений активного пятна цуги по поверхности свариваемого алтгиния б процессе горения цуги нарастает во времени от центра к периферии, т.е. чем больше относительная длительность горения цуги на обратной полярности • , тем шире зона катодного

Тир +

распыления и нике пространственная устойчивость цуги в целом. Характерно, что наиболее интенсивно процесс блукдания катодного пятна дуги прогрессирует в диапазоне нарастания Х"^ от 2 цо 10 шб , а при дальнейшем его увеличении процесс расширения зоны катодного

о

распыления постепенно прекращается и, при отношении -^г* <0,5 величина этой сочи приближается к значению этого параметра при сварке дугой постоянного тока обратной полярности, Устанс злено, что уменьшить блуждание катодного пятна можно, не изменяя соотношения , путем увеличения частоты переменного тока. Так, на-

tcffl о

пример, при = 0,75 увеличение частоты от 20 до 180 Гц в 2

Ufa

раза уменьпает сирину зоны катонного распыления. Поскольку относительная длительность горения пуп на обратное полярности при этом неизменна, допустимо предположить, ч*с стабилизация цуги в етом случае осуществляется за счет увеличения частоты импульсов тока прямой полярности, "еханизм протенаацкх при этом процессов моню описать с л едущим образом. Послс угасания г^уг-и прямой полярности, пространственная устойчивость которой достаточно высока, условия, наиболее благоприятные для формирования катодных процессов дугового разряда обратной полярности, существует в центре зоны катодного распыления, где выше температура металла и проводимость дугового промежутка. После возбуждения цуги обратной полярности температура металга в катодном пятне быстро достигает точки кипения, что, в связи с процессами парообразования, приводит к интенсивному его перемещения по поверхности изделия. Таким образом, при каждом повторном возбуждении дуги обратной полярности процесс блукдания катодного пятка начинается от оси свариваемого шва, а амплитуда перемещений его ограничивается частотой импульсов тока прямой полярности.

С понятиен пространственной устойчивости цуги и параметрами ее горения тесно связана проплавливая способность дуги при сЕарке тонколистовых материалов. При исследовании проплавляющей способности калсамперной пути подвергали проплавленив пластины из алюминия толщиной 0,45 мм, перемещая юс под цуго^ с постоянной скоростью, посла чего определяли плопвдь получаемых гроплавлений в зависимое-. ти от параметров режима горения цуги Тар , Го5р , ,1 . Величина tokoi Ц и подбиралась таким образом, чтобы по-

лусумма значений их оставалась постоянной.

Полученные данные однозначно свидетельствуют о том, что проп-лавлящгя способность малоамперной дуги с увеличением длительности и амплитуды тока обратной полярности существенно увеличивается. Однако, это имеет скорее негативный, чем позитивный характер, поскольку сопровождается значительным увеличением ширины сварных швов и объясняется, по-видимому, снижением плотности теплового

потока в свариваемый металл из-за роста блукдзния катодного пятке цуги.

Увеличить плотность теплового потека в сваривает? металл ко1 но, повысив устойчивость дуги в пространство за счет сокращения длительности полупериодов тока обратной полярности с одновременным увеличением частоты переменного тока. При э^ом оптимальный рс ким сварки необходимо подбирать следующим образом: длительность ^ амплитуда тока обратной полярности foSp , 1«.5р устанавливается и: условий получения необходимой ширины и качества катодной очистки, а Тс,о , 1ац - из условий необходимого проплавяенич свариваемого металла. При таком режиме величины , icip , как правило,

значительно нкт.е Гер .lap , что обеспечивает высокую стойксст! неплаЕщегося электрода.

ОБЩИЕ вывода

1. Устойчивость дугового разряда при сварке неплавяцимся эле? тродом на переменном -реке алюминия и его сплавов определяется стг бильностью повторных возбуждений нуги на обратной полярности, ре-паэдуя роль в механизме которкх играет скорость формирования катодных процессов в прецдуговой период. На длительность переходного процесса при повторных возбуждениях цуги с катодом на алюмини! оказывает первостепенное влияние скорость нарастания и абсолютно« значение напряжения, прикладываемого к дуговому промежутку после смены полярности, а такке проводимость в этот период остаточной плазмы дугового разряда. При этом резкое еннкение проводимости дз гового промежутка в момент смены полярности при сварке на малых токах из-за ннзной тепловой инерционности столба дуги является ос новной причиной снижения стабильности ее повторных возбуждений и дугового рззряда в целом.

2. Проводимость дугового промежутка в момент смены полярност! мо-кно повысить путем дополнительно!*: ионизации его плазмой вспомогательной дуги косвенного дейстЕИя. Применение вспомогательной ги предупреждает чрезмерный рост падения напряжения на тлеодем разряде в преддуговой период и, поддерживая на необходимом уровк< величину прецдугового тока,, повышает скорость формирования катод-ны:-: пр цессов.

3. Повысить стабильность повторных возбуждений дуги переменного тока при сварке тонколистового алюминия можно цутем примене-

Г9

ния неплавящихуя электродов специальных конструкций. Опрецелгд>т,ее влияние на устойчивость дуги оказывает при этом тепловое излучение рабочего участка электрода, роль которого аналогична тепловому воздействию факела плазмы, создаваемого вспомогательной дугой.

4. Повышения проводимссти дугового промежутка при смене полярности на электродах в процессе сварки переменны?.) током способствует увеличение скорости перехода питающего напряжения через кулевое згачение. При этом существенную роль играет высокая скорость изменения тока в процессе угасания цуги прямой полярности, что' препятствует деионизапии дугового промежутка и, наряду с высокой скоростью нарастания нзпряяенчя в предпугояой период, обеспечивает стабильные повторные возбуждения дуги в полупериоды обратной полярности.

5. Напряжение, требуемое для повторных возбуждений дуги переменного тока в полупериоды обратной полярности при сварке алюминия зависит от длины и проводимости дугового промежутка, а-минимальное гопустимое его значение составляет о::оло 130 В. При этом устойчивое горение дуги синусоидального тока в диапазоне изменения его 5-30 А и длине цугозого промежутка, в зависимости от величины сварочного токе, до 5 мм и Солее, обеспечивается в случае использования вспомогательной цуги применением сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием и напряжением холостого хода не менее 90 В. При использовании источников питания с прямоугольной формой выходного напряжения применение вспомогательной пуги ке сказывается существенно на стабильности дуги переменного тока, а минимально допустимое напряжение холостого хода таких установок, обеспечивавшее устойчивое горение малоамперной цуги, составляет 160 В.

6. Применение вспомогательной пуги обеспечивает устойчивое горение малоамперной цуги переменного тока при использовании в качестве источников питания серийных сварочных установок, оснащенных импульсными стаоилизаторами горения дуги. При использовании источников переменного тока с прямоугольной формой выходного напряжения в сочетании с импульсными стабилизаторами устойчивое горение малоамперной дуги обеспечивается при напряжении холостого хода сварочных устаноьон 55 8 ь более.

7. Стабильность дугового разряда при сварке тонколистового алюминия раз'юпояяркыми импульсами тока прямоугольной формы меньше зависят от длины цугозого промежутка, чем при сварке дугой л

синусоидальной формой изменения тока. Это является физической основой для возможного снижения в этом случае амплитуды и длительности стабилизирующих импульсов напряжения по сравнению с параметрами их, устанавливаемыми в серийных источниках питания при сварке дугой синусоидального тока.

8. Применение источников питания с прямоугольной формой выходного напряжения, обеспечивающих возможность раздельной регулировки амплитуды и длительности полупериоцов сварочного тока, позволяет повысить пространственную устойчивость малоамперной дуги при сварке алдоикия, что достигается сокращением длительности полупе-риодоз тока обратной поляркости или увеличением частоты переменного тока. Увеличение в определенных пределах коэффициентов асимметрии цуги по току и длительности пслупериодов прямой и обратной полярности с одновременным повипенкеы частоты переменного тока позволяет получать узкие сварные шзи при сварке тонколистового алюминия, обеспечивая при этом достаточную пространственную устойчивость малоамперной дуги, Еысокуо стойкость нэплавящегося электрода к хороязе качество катодной очистки свариваемой поверхности.

9. Возможность практической реализации результатов проведенных исследований обеспечена разработкой специальных конструкций двухэлектрецных горелок и неплавящихся вольфрамовых электродов, а такие инверторной приставки к серийным источника!,! постоянного тока, предназначенной для дуговой сварки асимметричным переменным током тонколистовых конструкций из алюминия и его сплавов.

Результаты исследований внедрены на двух машиностроительннх предприятиях с ожидаемым экономическим эффектом 30 тыс.руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Коросте^.ез' Б.А. .Косович В.А.,Лапин И.Е. Повышение устойчивости малоамперной цуги и перспективы ее применения для сварки

// IGO-летие изобретения сварки по методу Н.Г.Славянова и современные проблемы развития сварочного производства: Тез.докл. Веесочззн.научн.-техн.кокф.- Пермь, 1988. - Ч.З. - С. 18-19.

2. Косович В.А.,Лапин И.Е.,Седых B.C. Перспективные конструкции неллавяцихся электродов для аргонадуговой сварки и капг.авкк //Достижения и перспективы развития сварочного производства: Сб.докладов. - U., 1983. - С.139-144.

3. Косович В.А.,Лапин И.Е..Седых B.C. Устойчивость малоамперной цуги переменного тока при сварке алюминия //Рец. а. Автомат. • сварка. - Киев, X99I. - 13 е.: ил. -Библиогр.: б назв.- Деп.

в ВИНИТИ 13.П.9Г Jf 4280-B9I.

4. Косович Б.А.,Лапин И.2. Исследование электрофизических и технологических характеристик малоамперной нуги переменного тока

// Краткие аннотации работ по сзарке, выполненных в 1989 го-су. - Киев, 1990. - С.65.

5. A.c. 1412699 СССР, ¡ЛИ В23К 9/16. Двухэлектродная горелка /Лапин И.Е.,Коростелев Б.А.,Косович В.А.,Седых B.C. (СССР).

6. A.c. 1486307 СССР, ЬКИ В23К 35/02. Неплавячийся электрод для дуговой сварки и лайки / Коростелев Б.А.,Косович Б.А.,Лапин И.Е. и др. (СССР).

7. A.c. 1706799 СССР, MOT В23К 9/16. Горелка цгухэлектродная /Лапин И.Е..Косович В.А.,Седых B.C. (СССР).

Личной вклад автора. 3 работах /1,4/ автором обоснована возможность повшения устойчивости ыаяоамперной цуги переменного тока при сварке с применением источников питания с синусоидальным выходив:; напряжением путем применения вспомогательного дугового разряда. В работах /2,6/ проведен анализ влияния тепловых условий работы и конструкции неплаведихся элзктродов на физическую и пространственную устойчивость малоамперной дуги, предложена новая конструкция неплавящегося электрода для сварки на переменном то--ке. В работах /5,7/ предложены новые конструктивные решения систем охлаждения и компоновки узлов двухэлектродкых сварочных горелок. В работе /3/ автором Еыполнен сравнительный анализ и дана оценка эффективности применения разработанных ызтодов повышения устойчивости малоамперной дуги при огарке на переменном токе.