Процесс сварки вольфрамовым электродом в аргоне с присадочной проволокой титанового сплава ОТ4 (стр. 6 из 12)
Влияние скорости сварки на положение дуги значительной мощности (300-800А) в пространстве при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов исследовалось в работе [40]. Практически во всех случаях дуга занимала положение соосное с электродом. Незначительные средние отклонения от столба дуги, по мнению авторов, скорее всего вызваны не изменением скорости сварки, а колебаниями параметров режима, изменением условий защиты и другими трудноконтролируемыми факторами.
В результате опытов, проведенных при сварке стальных пластин плавящимся электродом, в работе [42] было установлено, что при направлении сварки к токоподводу дуга отклоняется углом назад, а при сварке от токоподвода – углом вперед. Эти отклонения были наиболее заметны при сварке сравнительно узких пластин.
Авторы объясняют это явление взаимодействием тока дуги с магнитным полем тока растекающегося по пластине. Магнитное поле тока, текущего по электрическому контуру сварочной цепи используют для отклонения дуги углом вперед. Это позволяет повысить скорость сварки и качество формирования шва.
В работах [42, 43] установлено, что характер распределения тока по изделию в основном определяется той или иной тепловой обстановкой, сложившейся в нем при сварке. При этом большая часть тока всегда сосредоточена перед движущейся дугой.
По существующим представлениям [14, 15] одновременно увеличение мощности источника и скорости сварки приводит, в основном, к увеличению длины изотерм. Ширина изотерм также увеличивается, но стремится к ограниченному значению.
Изменение температурного поля, связанного с повышением скорости сварки, должно привести к перераспределению удельного сопротивления металла и, как следствие, тока по области свариваемого изделия. При этом перед дугой, где изотермы сгущаются, градиенты температур и удельного сопротивления металла возрастут, концентрация тока увеличивается, а позади дуги, в силу обратного явления, уменьшиться. Эта ситуация близка к случаю сварки узких полос в направлении к токоподводу. Магнитное поле тока, концентрирующего перед дугой, может оказаться достаточным для отклонения ее углом назад.
Существенное влияние на формирование швов при дуговой сварке могут оказывать и объемные электромагнитные силы, возникающие в жидком металле в результате взаимодействия магнитных полей токов, протекающих по дуге, жидкому металлу ванны и соединяемым деталям. исследования, проведенные в работе [41] показали, что при подводе тока непосредственно под электрод осисимметричное магнитное поле не изменяет положение жидкого металла. При сварке в направлении к токоподвода жидкий металл интенсивно вытесняется в сторону, противоположную токоподводу (в хвостовую часть ванны), а при сварке от токоподвода – в кратерную часть ванны.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в зависимости от направления сварки относительно токоподвода образующиеся объемные силы могут изменять расположение сварочной ванны и, как следствие, оказывать существенное влияние на формирование шва.
С учетом данных работ [14, 15, 43], одновременное увеличение мощности источника и скорости сварки должно привести к тому, что практически весь ток к дуге будет поступать через переднюю часть ванны. При этом жидкий металл будет вытеснен в хвостовую часть сварочной ванны, что может привести к образованию подрезов.
Изучая влияние материала и температуры предварительного подогрева свариваемого образца на критическую величину отношения тока к скорости сварки, при которой образуются подрезы. Авторы работ [31] приходят к выводу, что образование подрезов определяется силой давления дуги, массой металла сварочной ванны, физическими свойствами основного металла и скоростью его охлаждения. Однако тут же подчеркивается, что общая форма критических кривых ток/скорость сварки для различных материалов наводит на мысль, что явление образование подрезов может быть связано, скорее, с природой дуговой сварки, чем исключительно со свойствами свариваемого металла. Поэтому авторы считают, что наиболее перспективным путем ликвидации подрезов является уменьшение силы давления дуги на расплав сварочной ванны.
Полагают [32], что предельная скорость сварки, при которой образуются подрезы, определяются шириной шва и диаметром силового пятна дуги, ограниченным давлением Рmin, способным вызвать оттеснение металла ванны с боковых стенок. Появление дефектов, с точки зрения авторов, соответствует равенству диаметра силового пятна дуги и ширины ванны. Очевидно при таком понимании механизма образования подрезов вопрос о снижении силы давления дуги на сварочную ванну остается актуальным.
1.4 Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является исследование процесса сварки вольфрамовым электродом в аргоне с присадочной проволокой титанового сплава ОТ4 применительно к проблеме повышения качества формирования швов при сварке с повышенной скоростью. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- выбор оборудования и материалов для сварки;
- выбор методики и исследование распределения тока по пластине в зоне сварки;
- оценка влияния магнитного поля тока присадочной проволоки на сварочную дугу;
- исследование процесса формирования швов при сварке титанового сплава ОТ4 с повышенной скоростью;
- исследование механических свойств сварных соединений.
2. Методы исследования
2.1 Оборудование для сварки
Сварку выполняем на постоянном токе прямой полярности вольфрамовым электродом ЭВЛ-ФУ-150 ГОСТ 23949-80 в аргоне высшего сорта (ГОСТ 10157-79) с присадочной проволокой от источника питания ВСВУ-315 на специально изготовленном стенде.
Источник питания предназначен для автоматической сварки изделий из обычных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и титановых сплавов открытой и сжатой дугой в непрерывном и импульсном режимах. Источники обеспечивают стабилизацию установленного сварочного тока в пределах ± 2,5% при изменениях напряжения питающей сети ± 10%, длины дуги от 0,5 до 0,6 мм и температуры окружающей среды от +5 до +35°С.
Источник обеспечивает работу в непрерывном и импульсном режиме; автоматическое, плавное, регулируемое во времени нарастания тока в начале сварки от минимального до заданного значения, благодаря чему происходит равномерный разогрев конца вольфрамового электрода и повышает его стойкость; плавное регулирование тока дежурной дуги в импульсном режиме в пределах от 2 до 30% номинального сварочного тока; модулирование формы импульса от практически прямоугольной до треугольной, что дает различные скорости изменения полярности сварочного тока; плавное, регулируемое во времени снижение сварочного тока от рабочего до минимального значения в конце сварки при заварке кратера.
Независимость сварочного тока от температуры окружающей среды достигается помещением элементов электрической схемы, чувствительных к изменениям температуры, в термостат специальной конструкции, входящий в блок регулирования.
Функциональная блок-схема источник приведена на рисунке 2.1 в схеме:
Т - силовой трехфазный трансформатор;
V - силовой тиристорный выпрямительный блок;
ВИП - вспомогательный источник питания для возбуждения дуги;
ИЭ – измерительный элемент;
L - дроссель;
G - осциллятор;
БФИ - блок формирования импульсов управления тиристорами;
БРТ - блок регулирования тока;
ТБ - триггерный блок;
РБ - релейный блок.
Силовой трехфазный трансформатор Т имеет одну первичную обмотку ω1 и две вторичные обмотки ω2 и ω2n(рисунок 2.2).
Фазы первичной и вторичных обмоток соединены звездой. Напряжение от вторичной обмотки ω2 подводится к трехфазному выпрямителю V (основной силовой выпрямитель), собранному по мостовой схеме выпрямления на тиристорах, имеющему пологопадающую внешнюю характеристику. От вторичной обмотки ω2nнапряжение подводится к трехфазному неуправляемому выпрямителю Vв, собранному также по мостовой схеме, который входит в состав вспомогательного источника питания ВИП, включенного на дугу параллельно с основным. ВИП имеет крутопадающую внешнюю характеристику. Такая форма характеристики обеспечивается действием трех однофазных неуправляемых линейных дросселей Lв с разъемными ферромагнитными сердечниками. Требуемый ток возбуждения дуги устанавливается соответствующим зазором в разъемном сердечнике дросселя.
Т - силовой трехфазный трансформатор; V - силовой тиристорный выпрямительный блок; ВИП - вспомогательный источник питания для возбуждения дуги; ИЭ – измерительный элемент; L - дроссель; G - осциллятор; БФИ - блок формирования импульсов управления тиристорами; БРТ - блок регулирования тока; ТБ - триггерный блок; РБ - релейный блок.
Рисунок 2.1- Функциональная блок-схема источника питания
Рисунок 2.2-Принципиальная электрическая схема силовой цепи источника питания
Этот ток является минимальным током источника. Дроссели Lв выполняют также функции сглаживающих фильтров на малых токах и предотвращают возникновение автоколебательного режима при глубоком регулировании.
ВИП обеспечивает также необходимое напряжение холостого хода – 200 В для сварки в среде гелия и 100 В для сварки в среде аргона. В процессе сварки горят одновременно обе дуги. Маломощная дуга обеспечивает сигналы обратной связи по току и напряжению, необходимые для получения вертикального участка внешней характеристики источника до зажигания сварочной дуги. Совмещение двух существенно различных по форме внешних характеристик, когда маломощный вспомогательный источник имеет достаточное для надежного возбуждения дуги напряжение, а остальной источник - вертикальную внешнюю характеристику в диапазоне рабочих напряжений, позволяет существенно снизить напряжение холостого хода основного источника питания сварочной дуги, а следовательно, потребляемую мощность , массу, габаритные размеры, повысить КПД и коэффициент мощности. Ток возбуждения составляет около 3% от номинального сварочного тока.