автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Управление технологическими свойствами дуги переменного прямоугольного тока при сварке алюминиевых сплавов малых толщин неплавящимся электродом

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Томский политехнический университет и Воронежская государственная архитектурно-строительная академия

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ТОКА ПРИ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МАЛЫХ ТОЛЩИН НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

Специальность 05.03.06 - Технология и машины сварочного

производства

На правах рукописи

КИСЕЛЁВ Алексей Сергеевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор А.М.Болдырев

Томск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................5

1. АРГОНОДУГОВАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЕЁ КАЧЕСТВА..........10

1.1. Технологические особенности аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов переменным током..............................................................................10

1.2. Способы повышения качества сварных соединений из

алюминиевых сплавов.......................................................................................13

1.2.1. Сварка модулированным током..............................................................14

1.2.2. Сварка переменным прямоугольным током...........................................17

1.3. Источники питания для сварки алюминиевых сплаврв переменным прямоугольным током........................................................................................19

1.4. Цель работы и задачи исследования...............................................................35

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТИРИСТОРНОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ.......................................37

2.1. Выбор схемы полупроводникового преобразователя.....................................37

2.1.1. Математическая модель тиристорного преобразователя.....................40

2.1.2. Анализ коммутационных электромагнитных процессов в тиристорном преобразователе................................................................47

2.2. Экспериментальное исследование тиристорного преобразователя

при работе на сварочную дугу..........................................................................57

2.3. Выводы..............................................................................................................62

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАЧАЛЬНОГО И ПОВТОРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ТОКА И УСТОЙЧИВОСТИ ЕЁ ГОРЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В СРЕДЕ АРГОНА..........................................64

3.1. Факторы, определяющие надежность начального возбуждения дуги бесконтактным способом....................................................................................64

3.1.1. Методика проведения эксперимента.......................................................65

3.1.2. Анализ результатов эксперимента...........................................................69

3.1.3. Возбуждение дуги контактным способом.................................................74

3.2. Факторы, определяющие надежность повторного возбуждения дуги.............76

3.2.1. Надежность повторного возбуждения дуги прямой полярности

в начальный период процесса сварки..................................................76

3.2.2. Особенности повторного возбуждения дуги обратной

полярности..............................................................................................87

3.3. Устойчивость дуги переменного прямоугольного тока..................................91

3.4. Выводы..............................................................................................................97

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ГОРЕНИЯ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ТОКА НА ЕЁ ПРОСТРАНСТВЕННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ И СИЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ............................................99

4.1. Пространственная устойчивость дуги переменного прямоугольного

тока........................................................................:............................................99

4.1.1. Пространственная устойчивость дуги с неплавящимся электродом..............................................................................................99

4.1.2. Факторы, определяющие пространственную устойчивость дуги переменного прямоугольного тока.......................................................101

4.2. Исследование влияния параметров переменного тока на давление

дуги....................................................................................................................112

4.2.1. Методика проведения эксперимента....................................................115

4.2.2. Результаты эксперимента.....................................................................119

4.2.3. Радиальное распределение давления дуги в период

протекания тока прямой полярности...................................................126

4.3. Выводы.............................................................................................................129

5. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СВАРКЕ. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................................................130

5.1. Особенности аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом тонколистовых алюминиевых сплавов переменным прямоугольным

током...................................................................................................................130

5.2. Исследование влияния параметров переменного прямоугольного

тока на свойства сварных соединений............................................................136

5.3. Разработка тиристорного преобразователя постоянного тока в переменный прямоугольный.............................................................................147

5.3.1. Формирование напряжения на коммутирующем конденсаторе...........148

5.3.2. Формирование напряжения на конденсаторе фильтра........................151

5.3.3. Амплитудная модуляция сварочного тока.............................................154

5.3.4. Блок управления тиристорным преобразователем...............................155

5.4. Внедрение результатов исследований............................................................162

5.5. Выводы...............................................................................................................162

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................................................164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение алюминиевых сплавов в различных отраслях промышленности, как конструкционного материала, обусловлено комплексом свойств, обеспечивающих им важные преимущества перед другими металлами и сплавами [151]. В авиационной промышленности, в приборостроении и других отраслях особое значение имеет производство тонкостенных неразъёмных соединений, что связано с улучшением технико-экономических показателей изделий.

Изготовление конструкций из алюминиевых сплавов предусматривает использование практически всех известных способов сварки [27, 76]. Однако наиболее широкое применение получила аргонодуговая сварка неплавящимся электродом переменным синусоидальным током, как наиболее отвечающая специфическим металлургическим и технологическим требованиям [1, 39, 45].

Одной из существующих проблем аргонодуговой сварки является изготовление тонкостенных изделий из алюминиевых сплавов. В этом случае необходимо применять малые действующие значения переменного тока при которых горение дуги характеризуется физической и пространственной неустойчивостью. При таких условиях осуществляется неравномерный ввод тепла в изделие, нарушается равновесие сил, действующих на сварочную ванну, что делает процесс сварки неуправляемым и приводит к прожогам или непроварам. В связи с этим возникает необходимость в улучшении технологических свойств малоамперной дуги переменного тока.

Одним из самых распространенных и эффективных способов управления технологическими свойствами дуги является воздействие на параметры режима сварки [16,162]. В 60-х годах было предложено использовать для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом переменный прямоугольный ток [52...57, 64]. При такой форме тока, в отличие от синусоидальной, обеспечивается возможность независимой регулировки амплитудно-временных параметров режима горения дуги прямой и обратной полярности, что позволяет управлять глубиной проплавления свариваемого металла, эффективностью катодного распыления поверхностной оксидной пленки и динамическим воздействием на расплав сварочной ванны.

Однако отсутствие информации об особенностях горения малоамперной дуги переменного прямоугольного тока и принципах управления её технологическими свойствами в значительной мере препятствует решению проблемы повышения качества и производительности сварки тонкостенных изделий из алюминиевых сплавов.

На основании изложенного можно констатировать, что необходимы дальнейшие исследования, направленные на совершенствование процесса сварки алюминиевых сплавов малых толщин неплавящимся электродом.

Целью данной работы является разработка алгоритма модуляции переменного прямоугольного тока и технических средств реализации, обеспечивающих повышение эффективности аргонодуговой сварки изделий из алюминиевых сплавов малых толщин неплавящимся электродом.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих.выводов и приложения.

В первой главе представлен анализ особенностей аргонодуговой сварки неплавящимся электродом и путей повышения её качества на основе экспериментальных и теоретических работ отечественных и зарубежных авторов. Проведен анализ схемных решений источников питания для сварки переменным прямоугольным током. Сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты исследований коммутационных электромагнитных процессов в тиристорном преобразователе при смене полярности тока в сварочной цепи. Разработана математическая модель тиристорного преобразователя. Определено влияние параметров тиристорного преобразователя на длительность коммутационных процессов при смене полярности тока. Показано, что разработанная схема тиристорного преобразователя в полной мере отвечает требованиям, которые предъявляет дуга переменного тока.

В третьей главе исследованы процессы в сварочной цепи при возбуждении и горении дуги переменного прямоугольного тока. Разработаны методики оценки надежности начального и повторного возбуждения дуги в среде аргона между вольфрамовым электродом и изделием из алюминиевого сплава. Определено влияние параметров режима горения дуги обратной полярности на условия повторного возбуждения малоамперной дуги прямой полярности в начале процесса сварки. Показано, что устойчивость малоамперной дуги переменного прямоугольного тока определяется условиями существования разряда в период протекания тока прямой полярности.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния модуляции переменного прямоугольного тока на пространственную устойчивость и силовые характеристики дуги. В ней доказана возможность управления концентрацией ввода тепла в изделие, определена взаимосвязь между давлением дуги и основными параметрами режима сварки.

В пятой главе исследовано влияние модуляции тока на свойства сварных соединений. Определены требования к процессу сварки алюминиевых сплавов малых толщин неплавящимся электродом. Разработано оборудование для аргонодуговой сварки переменным прямоугольным током модулированным по амплитуде.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы.

Материалы данной работы базируются на экспериментах, проведенных при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов переменным прямоугольным током неплавящимся электродом.

Научная новизна работы. Впервые определены причины нарушения физической и пространственной устойчивости дуги переменного прямоугольного тока. Установлено, что физическая устойчивость определяется условиями повторного возбуждения дуги обратной полярности, а при токе менее 10 А -условиями горения дуги прямой полярности. Показано, что пространственное положение дуги стабилизируется при кратковременном ограничении тока в сварочной цепи перед сменой полярности с обратной на прямую и в начальный период горения дуги прямой полярности. Установлено влияние параметров мостового тиристорного преобразователя на электромагнитные коммутационные процессы при смене полярности тока в сварочной цепи. Показано, что начальное возбуждение малоамперной дуги следует осуществлять при обратной полярности питающего напряжения. Установлена взаимосвязь между параметрами режима горения дуги обратной полярности, надежностью повторного возбуждения дуги прямой полярности в начале процесса сварки и стойкостью вольфрамового электрода. Показано, что разработанный алгоритм модуляции тока повышает эффективность процесса сварки алюминиевых сплавов малых толщин.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований сформулированы требования к способам и средствам управления процессом аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов малых толщин, при выполнении которых обеспечивается повышение скорости сварки и

качества сварных соединений. С учетом этих требований разработан принцип построения источников питания на базе тиристорных преобразователей. Опытные образцы источников питания прошли испытания в производственных условиях и внедрены в Томском Конструкторском Бюро "Проект" (1988 г.), в ОКБ НП "Оптика" СО АН СССР (1985 г.) и на Новосибирском заводе химконцентратов (1996 г.).

Автором защищаются:

1. Взаимосвязь параметров мостового тиристорного преобразователя с электромагнитными коммутационными процессами при смене полярности тока в сварочной цепи.

2. Результаты экспериментальных исследований начального возбуждения и физической устойчивости дуги переменного прямоугольного тока.

3. Механизм воздействия амплитудно-временных параметров переменного прямоугольного тока на пространственную устойчивость душ.

4. Требования к способам и средствам управления процессом аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов малых толщин.

Работа выполнена на кафедрах "Оборудование и технология сварочного производства" Томского политехнического университета и "Сварка в строительстве" Воронежской государственной архитектурно-строительной академии. По результатам работы получено 5 авторских свидетельств на изобретения. Материалы исследований опубликованы в 10 печатных работах. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение специалистов на областном семинаре "Сварка и пайка в приборостроении" (г. Пенза,

1981 г.), на 2-й Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов (г. Ташкент,

1982 г.), на областной научно-практической конференции "Машиностроению -прогрессивную технологию и высокое качество деталей" (г. Тольятти, 1983 г.), на 5-й

^ Всесоюзной научно-практической конференции "Автоматизация новейших электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов" (г. Уфа, 1984 г.), на научно-технической конференции сварщиков Урала и Казахстана "Сварка модулированным током" (г. Караганда, 1985 г.), на Всесоюзном семинаре "Применение импульсных процессов в сварке" (г. Ростов-на-Дону, 1987 г.), на объединенном заседании секций Научного и Координационного советов по сварке "Источники питания и системы автоматического управления сварочным оборудованием" и "Оборудование для

дуговой сварки" (г. Алма-Ата, 1990 г.), на 1-й научно-практической конференции сварщиков Средней Азии и Казахстана (г. Караганда, 1991 г.), на международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники" (г. Ростов-на-Дону, 1993 г.), на Российской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка-97»" (г. Воронеж, 1997 г.), на научных семинарах кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" Томского политехнического университета, кафедры "Сварка в строительстве" Воронежской государственной архитектурно-строительной академии и кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" Воронежского государственного технического университета. Разработанный источник питания для сварки алюминиевых сплавов малых толщин демонстрировался на Всесоюзной выставке "Вузы РСФСР - машиностроению" (г. Тольятти, 1983 г.).

Автор благодарит к.т.н. А.Ф.Князькова за консультации по вопросам разработки оборудования для сварки и к.т.н. Р.И.Дедюха за участие в обсуждении результатов экспериментов.

1, АРГОНОДУГОВАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЕЁ КАЧЕСТВА

1.1. Технологические особенности аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов переменным током

Соединения из алюминия и его сплавов получают с помощью дуговых, контактных, лучевых и других способов сварки. Наиболее широкое применение нашел способ дуговой сварки плавлением. В частности, при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов толщиной менее 3 мм применяется аргонодуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом переменным током [1, 2, 3, 4]. Этот способ сварки является наиболее универсальным и обеспечивает возможность получения всех типов соединений в различных пространственных положениях и в труднодоступных местах [2].

Питание сварочной дуги переменным током, а также использование инертного защитного газа связано с металлургическими особенностями сварки алю