Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением

 

2.2.3. Импульсная  сварка вольфрамовым электродом.

В ряде случаев целесообразно  использовать сварку вольфрамовым электродом импульсной дугой. Подача импульсов  осуществляется, как правило, с частотой до 50 или свыше 100Гц и эти импульсы накладываются на базовое напряжение на дуге. Импульсы имеют остроугольную  или прямоугольную форму и  служат для улучшения формирования сварного шва (при частоте следования 1-50 Гц) и для улучшения удаления окисной пленки (при частоте следования более 100 Гц). Наиболее часто такие  импульсы применяются при сварке тонколистового металла. Для сварки в импульсном режиме выпускаются  приставки к установкам УДГУ-351АС/DC и УДГУ-501AC/DC (типа ППС-01 -пульт пульсирующей сварки). Пульт пульсирующей сварки ППС-01 позволяет

 

регулировать максимальное и минимальное значения импульсов  тока, а также их продолжительность. В стандартном исполнении он позволяет  регулировать частоту следования импульсов  до 10 Гц, по спецзаказу- до 30Гц. Это обеспечивает снижение вероятности прожогов свариваемого металла и улучшает формирование сварного соединения.

 

2.3. Плазменная  сварка.   

 Плазменная сварка  является дальнейшим развитием  и усовершенствованием аргонодуговой  сварки вольфрамовым неплавящимся  электродом. Плазменная сварка –  это сварка плавлением, при которой  нагрев производится сжатой дугой.  Сжатая дуга – это дуга, столб  которой сжат с помощью сопла  плазменной горелки, потока газа  или внешнего электромагнитного  поля. Промышленное развитие получили  сварочные плазменные горелки,  где стабилизация и сжатие  дуги осуществляется с помощью  сопла плазменной горелки и  потока плазмообразующего газа.     При свободном горении дуги температура столба достигает 5000-6000К и столб дуги имеет форму усеченного конуса (рис.2.2, а). При ограничении возможности свободного расширения дуги температура ее возрастает. Кроме того, при сжатии столб дуги принимает практически цилиндрическую форму (рис.2.2, б), стабилизируется анодное пятно на изделии, тепловой поток становится более сосредоточенным, глубина проплавления возрастает, снижается нагрев основного металла, прилегающего к шву. 

 

Рис.2.2. Схемы сопловых частей аргонодуговой (а) и плазменной (б) горелок   

Сжимающее дугу сопло, через  которое проходит плазма, имеет два  важных размера – диаметр выходного  отверстия dc и длину lc. Расстояние, на котором установлен электрод от выходного отверстия сопла, называется углублением электрода ly, а расстояние между внешней поверхностью (торцом) сопла и свариваемым изделием – рабочим расстоянием Н. Рекомендуется длину цилиндрической части сопла lc выполнять в диапазоне 0.5-2 dc. Соотношение lc/ dc носить название калибра и является важной характеристикой сварочной плазменной горелки, так как определяет давление сжатой дуги на сварочную ванну и возможность возникновения аварийного режима работы горелки – двойного дугообразования (дуга горит между электродом и соплом, соплом и изделием). Чем меньше длина цилиндрической части сопла, тем меньше вероятность возникновения этого аварийного режима.  

По сравнению с аргонодуговой  сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом плазменная сварка имеет  следующие преимущества:  

• Меньшее влияние возможного изменения расстояния от торца сопла  до изделия на геометрические размеры  зоны проплавления;   

• Меньшее влияние изменения  тока на форму дуги, а, следовательно, и на стабильность проплавления металла;  

• Высокая надежность зажигания  дуги благодаря дежурной дуге;  

• Отсутствие включений вольфрама  в сварном соединении;  

• Повышенная скорость сварки;  

• Меньшее тепловложение  и, следовательно, коробление изделий.  

Если принять одинаковую скорость сварки, то при плазменной сварке необходим ток в два  раза меньший по сравнению с аргонодуговой  сваркой, сварные швы более узкие  и с уменьшенной зоной термического влияния, благодаря чему уменьшается  деформация конструкций. Недостатком  плазменной сварки является то, что  применяются водоохлаждаемые плазменные горелки и значительно усложняется  и удорожается оборудование.  

Плазменная сварка алюминия и его сплавов в связи с  необходимостью разрушения и удаления окисной пленки выполняется сжатой дугой постоянного тока обратной полярности. Электрод в такой горелке  служит анодом. В табл. 2.4 приведены  рекомендуемые значения допустимого  сварочного тока прямой и обратной полярности для вольфрамовых электродов различных марок и диаметров.  

Таблица 2.4.  

Допустимые значения постоянного  тока прямой и обратной  полярности для электродов различных марок [8]

Диаметр электрода, мм

Максимальный сварочный  ток (А) для вольфрамовых  электродов при полярности

ЭВЧ

ЭВЛ

ЭВТ-15

ЭВИ-3

прямой

обратной

прямой

обратной

прямой

обратной

прямой

обратной

2,0

50-90

20-25

110-150 30-

35

140-180

35-40

160-200

40-50

3,0

160-200

30-35

240-280

40-45

300-340

45-50

320-360

50-70

4,0

320-370

40-50

470-520

50-60

530-580

60-70

600-660

70-80

5,0

570-600

50-70

680-740

60-80

770-830

70-90

860-920

80-110

6,0

 

70-90

 

80-110

 

90-120

 

100-130

8,0

 

110-140

 

120-160

 

140-180

 

160-200

10,0

 

160-210

 

170-220

 

200-250

 

220-270 

 

Как следует из табл. 2.4, при  переходе на обратную полярность происходит многократное снижение допустимого  тока. Поэтому, наиболее разумным решением является использование медных сферических  водоохлаждаемых анодов. Это обеспечивает возможность изменения сварочного тока в широких пределах (до 300А) при  сохранении высокой (более 10 часов) продолжительности  работы. Работы в этом направлении, как отмечалось выше, проводит ЗАО  НПФ «ИТС» и ВАТТ МО РФ, г. С-Петербург.  

Процесс возбуждения дуги в установках обычно происходит следующим  образом:    

 • С помощью высокочастотного  высоковольтного напряжения осциллятора  в промежутке электрод – сопло  возбуждается искровой разряд, который  затем переходит в дуговой  (под воздействием электрического  поля источника питания), т.е. возбуждается  так называемая дежурная дуга  постоянного тока, горящая между  электродом и соплом.   

 • Потоком плазмообразующего  газа катодное пятно дежурной  дуги перемещается с внутренней  конической поверхности сопла  на его цилиндрическую поверхность,  одновременно с этим дежурная  дуга растягивается и плазменная  струя длиной 20-40 мм истекает из  сопла.   

 • При касании факела  дежурной дуги изделия замыкается  цепь электрод – изделие и  возникает основная дуга, ток  дежурной дуги снижается до  нуля.  

Для плазменной сварки алюминия применяют установки типа УПС-301 (токи до 300А) и УПС-501 (токи до 500А). В  последнее время наиболее часто  применяют источник питания ВД-306ДК или ВД-506ДК и приставку БУСП-ТИГ  для аргонодуговой сварки, которая  служит для подключения плазменной горелки, регулировки тока дежурной дуги, базового тока, скорости нарастания-снижения базового тока, времени продувки до и после сварки и времени горения  дежурной дуги после выключения основной сварочной дуги.  

В качестве плазменной горелки  часто применяли плазмотрон типа ПС-3, конструкция которого допускает  использование медного или вольфрамового  электродов. Плазмотрон разработан СПбГТУ, выпускался заводом «Электрик». В  настоящее время наибольший интерес  вызывает псевдоплазменная горелка  с медным анодом разработки ЗАО НПФ  «ИТС» и ВАТТ. Существует соглашение, что после промышленных испытаний  промышленное производство этой горелки  будет осуществлять немецкая фирма  «Abicor Binzel»  

Рекомендуемые режимы плазменной сварки сплава АМг6 приведены в табл.2.5.  

Таблица 2.5.  

Ориентировочные режимы плазменной сварки стыковых соединений  из сплава АМг6 толщиной 3,2 мм. [5]

Род тока

IСВ, А UД, В

 

VСВ, м/ч

dПР, мм

q/v.103, Дж/м

Постоянный (обратная полярность)

87

33

23

1,8

225

Переменный

220 21

20

2,0

415

 

 

 

Механические свойства сварных  соединений из сплава АМг6 толщиной 3,2 мм, выполненных на постоянном токе обратной полярности следующие: предел прочности .В = 32,3 – 33,4 кгс/мм2 (316,9 – 327,7 МПа), угол загиба . = 78 – 81 град. [5]   

 

2.4. Механизированная  аргонодуговая сварка плавящимся  электродом. 

 

2.4.1. Механизированная  сварка плавящимся электродом  непрерывным током  

Механизированную сварку плавящимся электродом применяют для  получения стыковых, тавровых, нахлесточных и других соединений алюминия и его  сплавов толщиной 4-6 мм и более. Этот способ является самым производительным среди ручных видов сварки. За границей наиболее распространенный среди видов  сварки алюминия.  

Отличием механизированной сварки алюминия от традиционной механизированной сварки сталей является: использование  аргона в качестве защитного газа, тефлоновых подающих каналов вместо стальных, специальной формы роликов  в подающем механизме, специальных  мундштуков на горелках. В СССР ввиду  отсутствия дешевых тефлоновых каналов  этот метод сварки был незаслуженно не востребован.  

Электрическая дуга при этом способе сварки горит между изделием и плавящимся электродом (проволокой), который подается в зону дуги обычно с постоянной скоростью.  

Надежное разрушение пленки окислов при механизированной сварке плавящимся электродом достигается  лишь при питании дуги постоянным током обратной полярности. Механизм удаления окисной пленки в этом случае заключается в разрушении и распылении ее тяжелыми положительными ионами, бомбардирующими  катод (эффект катодного распыления).  

Недостатком способа сварки алюминия плавящимся электродом является некоторое снижение по сравнению  со сваркой неплавящимся электродом показателей механических свойств. В частности, уменьшение прочности  шва об

ясняется тем, что электродный  металл, проходя через дуговой  промежуток, перегревается в большей  степени, чем присадочная проволока  при сварке неплавящимся электродом. Также происходит худшее удаление окисной  пленки, т.к. при аргонодуговой механизированной сварке непрерывным током сварочный  процесс сопровождается короткими  замыканиями, в момент которых катодное распыление отсутствует.  

Для устранения этих недостатка в сварочной установке ВД-306ДК применены принципиально новые  технические решения: низковольтная  постоянная подпитка сварочной дуги напряжением 10-11В, которая накладывается  на общую картину сварочного напряжения.  

Для сварки, как правило, применяют  проволоку диаметром 1.2-1.6 мм, так  как из-за недостаточной жесткости  сварка алюминиевой проволокой меньшего диаметра затруднена. Применение проволоки  большего диаметра принципиально возможно, однако сварные соединения в этом случае получаются крупночешуйчатые, что ухудшает их внешний вид и  механические свойства.   

Установки для механизированной сварки состоят из выпрямителя (ВД-306ДК и т.д.), механизма подачи (ПДГО-508, ПДГО-510 и т.д.) со специальными роликами.  

Конструкция механизма подачи должна обеспечивать надежное и стабильное поступление мягкой алюминиевой  проволоки. Обычно в таких механизмах предусматривают две пары специальных  ведущих и прижимных роликов, что уменьшает возможность проскальзывания  проволоки и ее сминания.  

Наиболее применимы сварочные  горелки немецкой фирмы «Abicor Binzel»  с тефлоновым подающим каналом. Следует  отметить, что в виду использования  аргона, как защитного газа, чаще всего применяют водоохлаждаемые  модели горелок. Сопло горелки должно обеспечивать надежную защиту инертным газом жидкой сварочной ванны. Диаметр  сопла горелки для механизированной сварки алюминия обычно 18-22 мм.  

Ориентировочные режимы механизированной аргонодуговой сварки алюминия плавящимся электродом приведены в табл. 2.6.  

Таблица 2.6.  

Ориентировочные режимы механизированной аргонодуговой сварки алюминия и  его сплавов плавящимся электродом. [5]

Тип соединения

b, мм

dЭЛ._ПР., мм

IСВ, А

UД, В

VCВ,  м/ч

Расход аргона, л/мин

Число проходов

Встык, без разделки кромок

4-6  8-10  12

1,5-2,0  1,5-2,0  2,0

140-240  220-300  280-300

19-22  22-25  23-25

20-30  15-25  15-18

6-10  8-10  10-12

2  2  2

Встык, с Vобразной разделкой  кромок на подкладке

5-8  10-12

1,5-2,0  2,0

220-280  260-280

21-24  21-25

20-25  15-20

8-10  8-12

2-3  3-4

Встык, с Х образной разделкой  кромок

12-16  20-25  30-60

2,0  2,0  2,0

280-360  330-360  330-360

24-28  26-28  26-28

20-25  18-20  18-20

10-12  12-15  12-15

2-4  4-8  10-40

Тавровое, угловое и нахлесточное

4-6  8-16  20-30

1,5-2,0  2,0  2,0

200-260  270-330  330-360

18-22  24-26  26-28

20-30  20-25  20-25

6-10  8-12  12-15

1  2-6  10-40 

 

Особый интерес при  механизированной сварке алюминия вызывает использование источника питания  ВД-306ДК с механизмом подачи ПДГО-508(510) (полуавтоматический модуль мультисистемы  «Сорока»). Использование этого источника  вызывает большой промышленный интерес  в виду того, что в нем применены  принципиально новые технические  решения: низковольтная постоянная подпитка сварочной дуги напряжением 10-11В. Особенностью низковольтной подпитки напряжения на сварочной дуге является наложение постоянно действующего отрицательного потенциала. Это обеспечивает непрерывное горение электрической  дуги, улучшает удаление окисной пленки, обеспечивает более мягкий переход  капель электродного металла в сварочную  ванну, уменьшает разбрызгивание и  улучшает стабильность горения электрической  дуги и качество формирования сварного соединения. Высоковольтная подпитка служит для облегчения зажигания  дуги. Таким образом, в указанной  схеме стало возможным производить  регулирование продолжительности  коротких замыканий и их частоты, возможность регулирования тока короткого замыкания. Установка  имеет также возможность регулировки  угла наклона вольтамперных характеристик  и возможность производить сварку на значительном удалении от источника  питания (до 20м). Последнее обеспечивается за счет применения обратных связей по току и напряжению на дуге. Для реализации последнего необходимо применять подающий механизм ПДГО-510Т и выпрямитель  ВД-306ДК. Следует напомнить, что этот источник обеспечивает высококачественную сварку алюминия и его сплавов  в режиме ручной дуговой сварки. Кроме того, его использование  позволяет решить проблемы комплектации сварочной техникой цехов, когда  все виды сварки (ММА, МИГ,ТИГ) можно  производить на базе одного выпрямителя, комплектуя его различными приставками (БУСП-ТИГ, ПДГО) для реализации различных  технологических процессов.