Сварка алюминия импульсной дугой
Были прoведены экспeрименты для oпределения влияния увeличенной положительной полярности тока нa oчищенный кaтод, мощность дуги, напряжение нa дуге и гeометрию нaплавленного вaлика при TIG сварке алюминия нa переменных токах пpи пoстоянном и рaвном врeмени отрицательной и положительной полярности.
Другие страницы, по теме
"TIG сварка алюминия":
Для любoго исследуемoго знaчения положительного тока, тoк пpи oтрицательном пoлупериоде был устанoвлен тaк, чтo егo среднеквадратичное значение oставалось постоянным. Что кaсается геометрии наплавленного валика, тo результаты oтличаются oт приведeнных в литeратуре, в котoрой предполагают, чтo ток пpи положительной полярности нe играeт большoй рoли пpи плавлении алюминия, a тoлько oказывает влияниe на перeмещение оксидов. Несмотря на снижение значений отрицательного тока, увеличение тока положительного происходит при плавлении основания. Положительный ток был создан для меньшего влияния на катодную очистку, чем время положительной полярности.
Алюминий – цветной металл с уникальными характеристиками, которые позволяют использовать его во многих отраслях промышленности, например морской и авиационной. Он имеет плотность 2,7 г/см 3 (меньше среднего значения плотности стали (7,83 г/см 3 )), и он часто применяется там, где очень важен низкий вес конструкции. Несмотря на то, что технически чистый алюминий и большинство его сплавов имеют пониженные механическую прочность и твердость, некоторые сплавы могут предложить улучшенные характеристики для особого применения и, как со сталью, они могут обрабатываться для улучшения механических свойств. Другим важным аспектом характеристик данного материала является его коррозионная стойкость, гарантированная микроскопическим слоем оксида алюминия, который формируется на поверхности и который при разрушении быстро перемещается в многочисленные места. С другой стороны, слой подобного защитного оксида представляет главную трудность при дуговой сварке алюминия и его сплавов, потому что он имеет очень высокую температуру плавления (около 2,060°С), тогда как температура плавления металла ниже (около 660°С). В дополнение к высокой теплопроводности алюминия данный фактор предотвращает характерное плавление оксидного слоя, несмотря на то, что температуры сварки выше. В результате расплавленный алюминий или алюминиевый сплав под остающимся оксидным слоем не может быть сварен с помощью TIG при изменяющейся полярности вольфрамовым электродом с отрицательным полюсом (DCEN).
Поверхность оксидов на алюминиевых сплавах может перемещаться при помощи прямого тока и вольфрамового электрода, подсоединенного к положительному полюсу (DCEP) (Механизм перемещения оксида широко известен как катодная очистка.) Однако данный метод не широко используется из-за нестабильности дуги и износа вольфрамового электрода. Поэтому используется промежуточное условие, то есть использование переменного тока (АС), посредством чего происходит катодная очистка при положительном полупериоде AC сварочной волны.
При сварке АС в механизме эмиссии электрона имеется изменение при такой же частоте, при которой происходит смена полярности. При отрицательной полярности (EN) катод достигает достаточно высокой температуры для выхода электрона. Это происходит только для электродов, состоящих из материалов с высокой точкой кипения (выше 4,000 К), таких как вольфрам. При фазе, в которой катодом является заготовка (EP), эмиссия электронов не может происходить из-за термионного воздействия, по причине его низкой температуры плавления, а происходит эмиссия под действием электрического поля в микроскопической зоне поверхности катода (автоэлектронная эмиссия). Катодная точка, где происходит эмиссия, первоначально была расположена на наконечнике электрода, а сейчас перемещается на края ванны расплавленного металла, пытаясь найти точки выхода электронов (Рисунок 1). Катодная точка занимает намного меньше места при положительном полупериоде (А1). Таким образом, для получения тока, плотность энергии, содержащейся в А2, намного больше, чем в А1, в результате расплавления (испарения) оксидного слоя.
Рисунок 1. Зона воздействия плазменной дуги на поверхность заготовки при отрицательной полярности (А1) и передвигающаяся зона действия плазменной дуги на поверхность заготовки при отрицательной полярности (А2)
В результатах исследований указано влияние параметров сварки (таких как время положительной полярности и интенсивность положительного тока) на прямоугольную форму волны характеристики тока при TIG сварке алюминия на переменном токе. Главным аспектом сварки TIG на переменном токе, полученном при данных исследованиях, является влияние положительной полярности на профиль наплавленного валика. Исследования предоставляют результаты, которые отличаются от результатов в традиционных изданиях . Обычное понимание процесса TIG сварки на переменном токе предполагает, что отрицательная полярность будет образовывать благоприятное тепловложение для расплавления (около 70% тепла, образованного при достижении дугой заготовки). Таким образом, принято, что отрицательный ток будет оказывать большое воздействие на расплавление основного металла. При положительной полярности термический баланс может быть инвертирован по случаю износа вольфрамового электрода. По этой причине пришли к заключению, что положительная полярность тока может оказывать существенное действие на удаление оксидов, имеющих незначительную роль при плавлении основного металла и, следовательно, в формировании зоны плавления.
Рисунок 2. TIG сварка алюминия с электромагнитным источником питания: колебания тока и напряжения при AC
На Рисунке 2 показаны осциллограммы действующих тока и напряжения, полученные при TIG сварке алюминия на переменном токе, при использовании электромагнитного источника питания, без уравновешивания сигналов тока. Когда заготовка становится катодом, то напряжение в фазе выше при промежуточном состоянии, после того, как только прекращается термионная эмиссия, но расширенная область эмиссии остается. Когда катодом является вольфрамовый электрод, напряжение имеет пониженное среднее значение. Из-за значительных трудностей выделения электронов из холодного катода, ток в положительном полупериоде намного ниже, даже при повышенном напряжении, что также объясняет задержку зажигания дуги при переходе полярности с отрицательной на положительную, Рисунок 2. Влияние повышенного тока названо по Европейским Нормам выпрямлением дуги. Для транзисторных источников питания (в частности, которые используются здесь) при управлении тока в сигнал прямоугольной формы нет влияния тока (замечено только влияние на напряжение). Поэтому переход с одной полярности на другую происходит очень быстро, таким образом, способствуя избегать трудности, возникающие при повторном зажигании дуги.
Scotti (Скотти) провел эксперименты для определения влияния I(+), I(-) и t(-) (положительная сила тока, отрицательная сила тока и отрицательная полярность времени в соответствующем порядке) на некоторые аспекты, относящиеся к TIG-сварке алюминия на переменном токе, включая глубину провара, площадь проплавления и катодную очистку. Результаты опытов показали, что положительная сила тока не влияет на какие-либо приведенные аспекты. Изучение в большей степени было сконцентрировано на влиянии t(-) на площадь проплавления, в то время как влияние t(+) было неизменным при всех опытах, но только с одним исключением. В случае исключения t(+) возрастало, пока t(-) было неизменно, и, в результате, были улучшены геометрические параметры сварного шва (обеспечены ширина и высота шва). Несмотря на неожиданный результат для исследования данного феномена, дополнительные опыты не проводились.
Целью изучения, описанного в данной статье, является определение влияния имеющейся силы тока при положительном полупериоде на характеристику площади расплавления (глубину провара и площадь расплавления), площадь катодной очистки и поведение мощности и напряжения дуги при TIG-сварке алюминия на переменных токах.
2. TIG сварка алюминия переменным током : последовательность операций
Механизированные швы каплями металла были осуществлены с помощью сварочного процесса TIG при переменном токе для того, чтобы определить поведение расплавленного алюминия при увеличении сварочного тока при положительном полупериоде. В таблице показано испытание параметров, где I(+) и I(-) являются силой тока при положительных и отрицательных полупериодах соответственно.
Положительный ток I(+) был установлен, а отрицательный ток (IRMS) был рассчитан с помощью Уравнения (1) для того, чтобы задать значение тока RMS 100 А с прямоугольной формой сигнала. Во всех испытаниях была установлена продолжительность положительных и отрицательных полуциклов 10 мс. Данный результат при переменной частоте 50Гц, которая имеется в диапазоне, где возможны задержки повторного зажигания дуги, не оказывает влияния на сварочные свойства. В данной работе, автор наблюдал за задержками повторного зажигания даже в электронных источниках питания и рассчитывал их, для повышенных частот (в порядке кГц) качество швов может быть немного снижено. Было исследовано три сварных шва, для каждого в Таблице 1 приведены комбинации параметров, и было выполнено три испытания.
Использовался источник питания «Inversal 450» производства IMC, который позволяет регулировать сварочные параметры на панели управления. Устройство перемещения горелки позволяет придерживаться скорости сварки 3,33 мм/с (20см/мин). Длина сварного шва была около 200,0 мм.
Для тестов применялись электроды EWTh-2 с диаметром 3,2 мм, углом при вершине 45° и расстоянием между электродом и горелкой 3,0 мм. Перед каждым швом вольфрамовый электрод подлежал заточке или смене. Угол между осью электрода и поверхностью заготовки был установлен 90°. В защитных газах применялся технически чистый аргон с расходом около 7л/мин.
Разрезаемыми образцами были одиночные пластины из алюминиевого сплава 1200 с размерами 240х100х3 мм. Их очистка производилась удалением жира с поверхности спиртовым раствором. После проведения испытаний сварные швы были поперечно разрезаны на середине их длины для того, чтоб подготовить образцы к анализу. Зона сплавления была выявлена 5% фтористой кислотой, используемой в качестве реагента.
Применялась переносная система сбора данных SAP для наблюдения за сигналами напряжения и тока. Уравнение (2) реализовано в программном обеспечении SAP для расчета средней мощности (P) дуги. Продолжительность каждого сбора данных была 2 секунды при частоте выборки 5 кГц.(2) где:
Vi - напряжение при мгновенном I;
Ii – ток при мгновенном I;
n – количество точек, выполняемых системой.
Для того, чтобы минимизировать влияние высокой электропроводности алюминия на сварные швы, горелка удерживалась в том же положении, после зажигания дуги за период времени, достаточный для формирования ванны расплавленного металла. Следовательно, сохранялась стандартная ширина на всем протяжении сварного шва.
3. Результаты и обсуждение
3.1 Влияние I(+) на катодную очистку
На Рисунке 3 показаны сварочные швы в соответствии с одним из установленных тестов. Несмотря на то, что ширина шва постепенно возрастает пропорционально увеличению мощности положительного тока, это не оказывает значительного влияния на площадь очистки в отличие от предварительных результатов, где небольшое положительное отклонение влечет за собой уменьшение очищаемых участков.
Рисунок 3. Образование поверхности наплавленного валика при проведении испытаний: скорость сварки 3,33 мм/с (20,0 см/мин), время положительной и отрицательной полярности установлено 10мс .
Особое поведение было описано Barhorst (Бархорстом), большое влияние положительного тока на катодную очистку возможно из-за различий в последовательности операций.
3.2 Влияние I(+) на напряжение и мощность дуги
На рисунке 4 показано поведение напряжения RMS и средней мощности (P) в качестве функции положительного тока. На графиках (Рис. 4) представлено снижение значений напряжения RMS при положительных значениях тока в диапазоне от 35 до 80. Однако тенденции к очистке на схеме «положительный ток х средняя мощность» не наблюдалось на Рис. 4б.
Рисунок 4. а) Изменение напряжения RMS при увеличении положительного тока I(+); б) Изменение средней мощности при увеличении положительного тока I(+) .
Был проведен анализ колебания напряжения и тока для объяснения поведения напряжения RMS и средней мощности. Некоторые из них показаны на Рисунке 5. Они выделяют снижение средних значений напряжения при отрицательном полупериоде тока и увеличение тока, несмотря на малые величины, при положительном полупериоде. Следовательно, не происходит компенсации между различиями, которые наблюдаются при двух средних значениях напряжения, как следствие, напряжение RMS снижается при увеличении положительного тока I(+).
Снижение среднего значения напряжения при отрицательном полупериоде свидетельствует о том, что электроны эмитируются намного легче, чем при росте положительного тока I(+).Причиной этого может быть значительное нагревание вольфрамового электрода при положительном полупериоде. Таким образом, электрод расположен к термоэлектронной эмиссии при смене полярности. Другим фактором, содействующим этому, является возможность значительного нагрева плазмы, что способствует улучшению электропроводности и позволяет электронам проходить через нее при пониженном напряжении. Также, необходимо заметить, что отрицательный сварочный ток был всегда пониженным для того, чтобы установить значение тока RMS 100А, согласно принятой методики, что, в свою очередь, должно улучшить результат.
Рисунок 5. Колебания напряжения и тока в соответствии с Серией 2 (пунктирной линией показано средние значения напряжения для обеих полярностей)
Рисунок 6. Поведение средней мощности при положительных и отрицательных полупериодах
Средняя мощность быларассчитана отдельно для положительного полупериода, Мощность (+), и отрицательного полупериода, Мощность (-). Графики на Рис. 6 были начерчены с рассчитанными значениями для трех серий проведенных испытаний. Снижение в контуре отрицательного среднего значения мощности происходит из-за снижения как тока, так и напряжения при отрицательном полупериоде.
Как отмечено выше, положительное среднее значение напряжения показало незначительные изменения положительной силы тока. Однако усиленное увеличение в контуре положительной средней мощности происходит в основном из-за увеличения значения тока при проведении испытаний. На Рис.6 объясняется поведение средней мощности, показанной на Рис. 4б где, за исключением положительного тока 80А, все средние значения сохраняются в примерно родном диапазоне, без тенденции увеличения или снижения.
Рисунок 7. Поперечное сечение в соответствии с Сериями 1, 2 и 3: скорость сварки 3,33 мм/с (20,0 см/мин), время положительной и отрицательной полярности установлено 10мс
3.3 Влияние I(+) на зону плавления
Поперечное сечение на Рис.7 показывает, что сила тока при положительном полупериоде влияет на профиль шва в некоторой степени, который отличается от обычного представления процесса сварки TIG. Характеристика увеличения высоты шва (мм) и зоны расплавления (мм2) показаны на графиках на Рис. 8а и 8б.
Значительное влияние положительной полярности на расплавление заготовки объясняется двумя отдельными механизмами эмиссии. В положительной фазе цикла тока, увеличение напряжения на поверхности катода (падение катодного напряжения), необходимое для выделения электронов с холодного катода (автоэлектронная эмиссия), вводит значительную энергию на катоде, таким образом, содействуя значительному расплавлению основного металла.
Кроме того, Fuerschbach ссылается на Cobine, которые полагают, что во время электронной эмиссии с катода происходят потери тепла при выделении каждого электрона. Уравнение (3) рассчитывает тепло, образованное на катоде, как функция электронной эмиссии путем термоэлектронного механизма. Отрицательная фаза во второй части уравнения – продукт плотности электронного тока (je), умноженная на работу выхода на катоде (Ø), имеющую отношение к потерям, вызванным эмиссией каждого электрона. Однако такие потери применяются только для материалов, которые позволяют выделяться электронам под термоэлектронном влиянии, для таких как вольфрам. Это не является случаем, когда поверхность заготовок сделана из алюминия, из-за его низкой температуры плавления. В данном случае, поверхность выпускает электроны при помощи автоэлектронной эмиссии. Таким образом, такие потери тепла («охлаждение катода») не происходят, когда алюминиевая поверхность выпускает электроны при положительном полупериоде. Результаты показывают, что положительный ток играет роль в случае автоэлектронной эмиссии и влияет на размеры зоны расплавления.
где:
Hc = теплота, вводимая на катод
Ji = локальная плотность тока
Vc= падение напряжения на катоде
Vp = потенциал ионизации плазмы
- Увеличение силы тока при положительных полупериодах влияет на геометрию сварного шва. Даже при уменьшении отрицательного тока, увеличились высота шва и зона расплавления.
- Изменения положительной силы тока не оказывает значительного влияния на очищенную зону
- Средние значения напряжения при отрицательных полупериодах снизились, когда применялся более высокий положительный ток. Это характеризовало возможное увеличение температуры электрода и плазмы при применении повышенных положительных токов по причине того, что он в большей степени благоприятствует эмиссии и проведения электронов.
Рисунок 8. а) – Зависимость между положительным током и глубиной провара (мм); б) Зависимость между положительным током и зоной расплавления (мм2)
Сварка алюминия. Часть 7ая - Pulse
Применение импульсного режима синергетической сварки 1-MIG помогает решать следующие задачи:
- уменьшение тепловложения в изделие и тем самым значительное снижение коробления конструкции;
- малое тепловложение позволяет сваривать достаточно тонкий металл, например толщины 0,5 мм, а при достаточном навыке сварки алюминия и тоньше;
- получить поверхность сварного шва малой чешуйтости, т.е. иметь лучший товарный вид.
Указанные преимущества конечно относятся ко всем свариваемым металлам. Но специальные требования при сварке алюминия, особенно для получения качественных сварных швов, в том числе и ответственных изделий, очень хорошо решаются при применении импульсной сварки MIG. Сварочные программы, имеющиеся в памяти аппаратов, оптимизированы согласно специальных требований, встречающихся при сварке алюминия. Это касается в первую очередь горения сварочной дуги, особенно в начале и конце сварного шва, а также удаления брызг от плавления сварочной проволоки. Импульсные параметры источника питания изменяются автоматически в зависимости от скорости подачи сварочной проволоки, позволяя регулировку мощности одной кнопкой.
Импульсная сварка позволяет избежать следующие широко распространённые дефекты:
- дефекты начала сварного шва
Чтобы избежать образование дефектов в начале сварного шва, получающиеся в результате зажигания сварочной дуги на холодной части заготовки, нужно при сварке алюминия использовать функцию горячего старта (HotStart). Функция HotStart применяется для материалов с высокой теплопроводностью, особенно таких как алюминий. Этим начальные значения параметров сварки повышаются до собственно сварочных параметров.
Начальное место сварки нагревается быстрее, что позволяет избежать дефектов сварного шва.
При сварке толщин менее 1,0 мм, чтобы избежать прожог, следует включить дополнительную функцию мягкого старта (SoftStart).
Замедление подачи сварочной проволоки в начале сварки (CreepStart) способствует стабильному зажиганию электрической дуги, при этом проволока подаётся к изделию с замедленной скоростью. После зажигания электрической дуги скорость подачи сварочной проволоки возвращается к нормальной (заданной).
- конечный кратер
Из-за высокой склонности сварочной ванны на алюминии к образованию усадочной раковины в конце сварочного валика легко образуется кратер. Функция заварки кратера (CraterFillили Crater Level) уменьшает эту тенденцию за счёт контролируемого уменьшения сварочных значений, при чём усадочные раковины заполняются прежде чем может появиться кратер.
Главная проблема при сварке алюминия является порообразование, которые можно уменьшить с помощью импульсного MIG(Pulse) и особенно двойного импульса (DoublePulse). При этом дополнительно во время импульсной сварки на расплавленную ванну действует две различные сварочные мощности, которые перемешивают расплав, так что поры успевают удалиться из расплавленной ванны. Более подробно в разделе двойной импульсной сварки будет рассмотрено его действие на сварку алюминия.
Импульс, а особенно двойной импульс помогает также контролировать провар, т.к. кристаллизация происходит при незначительной сварочной мощности. При увеличении мощности увеличивается провар, также можно контролировать при соответствующей регулировке параметров импульсной сварки или с применением двойного импульса, частоты и амплитуды.
На сегодняшний день в программе фирмы KemppiOYимеются следующие сварочные аппараты обеспечивающие импульсную сварку методом 1-MIG: FastMigPulsecпроволокоподающими устройствами MXF-63, MXF-65, MXF-67 cпанелями управления PF-63 и PF-65; FastMigX с проволокоподающими устройствами MXP-37 и MXP-38.
Врукопашную выставить режимы импульсной сварки чрезвычайно сложно, т.к. требуется регулировка целого ряда параметров. Это может сделать не каждый квалифицированный сварщик, наладчик или оператор. Поэтому наличие в памяти аппарата синергетических функций для импульсной сварки очень сильно облегчает работу по наладке аппарата. Ведь требуется внести только те данные и сделать те же регулировки, которые указаны в предыдущем разделе.
НА диаграмме показан пример импульсных синергетических параметров для сварки алюминия проволокой AlSi5 диаметром 1,2 мм в аргоне. Сварочный аппарат с возможностью импульсной сварки должен иметь запас по сварочному току по сравнению со сваркой 1-MIG примерно в 1,5 раза выше. При выборе источника питания для сварки в импульсном режиме следует об этом помнить.
Двойной синергетический импульсный MIG
Применение двойного импульсного режима при сварке на синергетическом режиме 1-MIGреализовано на сегодняшний день на сварочных аппаратах ProEvolutioncпанелью управления MXEи на FastMigPulse. Для сварщиков стало большим подспорьем, когда специалисты фирмы KemppiOY, Финляндия в 2002 г. выпустили на рынок панель управления MXE, дающую возможность выставлять на сварочном аппарате ProEvolution синергетическую сварку 1-MIG, импульсную синергетическую сварку, а также включать функцию двойных импульсов простым нажатием одной кнопки. Но надо также помнить, что функция двойных импульсов работает только при сварке MIG в импульсном режиме.
Несколько слов о различиях между обычной импульсной сваркой и сваркой с использованием двойного импульса.
При импульсной сварке сварочный ток изменяется с желаемой частотой между выходным и пиковым значением тока. При этом протекающий ток управляется двадцатью параметрами, которые регулируют импульсный ток и поддерживают стабильное горение электрической дуги. Минимальный сварочный ток выбирается так, чтобы электрическая дуга не могла выйти за два импульсных значения тока; во время пикового значения тока отделяется капля от присадочной проволоки без того, чтобы произошло короткое замыкание. Импульсная частота лежит в нормальном диапазоне между 50 и 250 Гц. Для облегчения, в памяти сварочного аппарата имеются вызываемые собственные программы для различных материалов, толщин, диаметров сварочной проволоки и защитных газов, так что оператору нужно определить, кроме названных выше устанавливаемых значений, и точно выставить скорость подачи сварочной проволоки и длину электрической дуги. Импульсный способ сварки используется для соединения тонких материалов, т.к. он незначительно ограничивает сварочную температуру и энергетические затраты. Тем самым можно избежать прожога и перегрева листов, в итоге деформации незначительные, и также избежать потока брызг присадочного материала из-за воздействия импульсов. Также сварочная ванна легко контролируется, например, при сварке в различных пространственных положениях. При двойных импульсах, как сварочный ток, так и скорость подачи присадочной проволоки пошагово совпадают.
Кроме пульсаций сварочного тока с установленной частотой между минимальными и максимальными значениями нормального импульса на рисунке иллюстрируется дополнительно другие параметры. Частота, то есть относительная частота, с которой изменяется в сторону повышения в секунду, может выбираться в диапазоне: для ProEvolutionна панели MXE - от 0,1 до 3 Гц; для KempactPulse-3000 - от 0,3 до 8,0 Гц; для FastMigPulse-450 – 0,4 до 8,0 Гц. На рисунке имеет место это двойное повышение. Одновременно возрастает напряжение. Энергия электрической дуги следовательно увеличивается в процессе фазы двойного импульса по сравнению с уровнем нормальной импульсной сварки, при чём также повышается мощность плавления. Для традиционной импульсной сварки подача проволоки устанавливается на желаемое значение и выполняется сварка. При сварке двойным импульсом задаётся дополнительно скорость подачи проволоки (например 10 м/мин), а также амплитуда её изменения. Амплитуда определяется минимальным и максимальным значениями скорости подачи сварочной проволоки во время двойного импульса. В качестве примера на рисунке дана базовая скорость подачи проволоки, равная 10 м/мин, и выбранная для этого случая амплитуда, равная 2 м/мин, так что скорость подачи проволоки во время сварки варьируется между 8 м/мин и 12 м/мин, и возникает эффект качания подачи проволоки. В результате поверхность сварного шва напоминает качество поверхности шва, полученного при сварке методом TIG, и представлена на рисунке.
Угловой сварной шов листа толщиной 1,5 мм, полученный при сварке с двойным импульсом. Внешний вид шва напоминает валик полученный при сварке методом TIG.
- Двойной импульсный MIG – импульсный способ сварки, при котором пошагово изменяется сварочный ток электрической дуги. Это появляется в результате вариации скорости подачи сварочной проволоки и уровня импульсной сварки.
- Амплитуда, м/мин – Исходное значение скорости подачи сварочной проволоки и ± изменение скорости подачи проволоки. Например, величина подачи LS11 м/мин означает, что амплитуда 2,5 даёт изменение скорости подачи при сварке от 8,5 до 13,5 м/мин.
- Частота, Гц – число повышение фазы импульса за секунду.
Применение двойного импульса при сварке алюминия.
Цель в развитии источников питания, обеспечивающих получение двойного импульса, состоит в том, чтобы облегчить использование и оптимизирование преимуществ импульсной сварки при выполнении сварочных работ, а также улучшить качество сварного шва. Задача при сварке алюминия заключается в получении свободного от дефектов сварного шва и улучшении внешнего вида. Часто желательно получить внешний вид валика при сварке тонкого материала. Как при сварке методом TIG, например, при изготовлении велосипедов или мебели.
Наиболее часто встречающиеся дефекты при промышленной сварке алюминия это наличие пор в сварном шве и непосредственно дефекты, такие как подрезы и трещины в конце сварного шва. Причиной непосредственных дефектов считается недостаточная мощность электрической дуги при расплавлении окисного слоя (чья точка плавления лежит около 2052 ْ С), а также при технологических ошибках сварочных работ. Влияние недостаточной энергии электрической дуги дополнительно усиливается коэффициентом теплопроводности основного металла. С другой стороны незначительная точка плавления самого алюминия приводит к тому, что как следствие образуются подрезы рядом со сварным швом или поручаются прожоги. Причина в появлении трещин лежит главным образом в выборе присадочного материала и техники сварки; для выбора правильного присадочного материала помогают стандарты на алюминий его сплавы а также таблицы присадочных материалов, поставляемых поставщиками. Порообразование выходит на первый план если водород попадает в сварной шов. Превалирующими факторами являются чистота, технология сварочного процесса, подготовка свариваемых кромок и техника сварки, а также состав, структура основного и присадочного материала. Принимая во внимание порообразование на примере применения сплава AlMg4,5Mn чаще используют проволоку из сплава AlMgSi1.
Двойной импульс при сварке тонкого металла (1 … 5 мм)
К самым большим преимуществам сварки двойным импульсом тонкого металла считается лёгкая свариваемость и хороший внешний вид сварного шва. При сварке в различных пространственных положениях эти преимущества проявляются особенно отчётливо. Сварка выполняется с равномерным движением. Благодаря сварке двойным импульсом с характерным шаговым движением электрической дуги получается сварной шов, подобный шву, полученному при сварке методом TIG. Кроме того необходимое шаговое движение ведёт к специальным приёмам при выполнении сварных работ. Во время действия двойного импульса увеличивается энергия электрической дуги и скорость подачи, при чём гарантируется достаточный провар основного материала. При возвращении к началу импульса режима – этот процесс может быть описан как тормозная фаза - укорачивается электрическая дуга и сварочный процесс успокаивается. При неравномерном открытии корня сварного шва это является преимуществом, т.к. сокращается вероятность сквозного прожога. Это на практике означает, что у сварщика появляется время для контроля сварочной ванны. Чтобы действовал способ импульсной сварки, должен существовать капельный перенос без коротких замыканий и разбрызгивания.
В таблице представлены параметры для сварки с использованием двойного импульса для различных толщин алюминия, скорости подачи присадочной проволоки и её амплитуды, а также частоту двойного импульса. В качестве основного правила для сварки тонкого материала следует руководствоваться следующим: чем незначительнее толщина материала, тем выше частота двойного импульса и тем ниже амплитуда подачи проволоки.
Таблица. Параметры для сварки с использованием двойного импульса.
Двойной импульс при сварке толстого металла (более 5 мм).
Хорошие свариваемость и внешний вид имеют также значение и при сварке толстого алюминия. Для толщин материала более 5 мм провар и образование пор играют важную роль в оценке метода сварки. При методе сварки с двойным импульсом на глубину провара может влиять выбор амплитуды и частоты, как вытекает из шлифа, представленного на рисунке.
На рисунке представлены срезы углового шва, сваренного на нормальном и двойном импульсе, толщина материала 15 мм, марка AL 6082-T6. Используемые сварочные параметры:
Сварочный ток I=260 … 270 А, для обоих случаев
Напряжение U=28 В
LS (подача проволоки) 11,7 м/мин
На верхнем рисунке а) шов сварен на нормальном импульсе
На нижнем рисунке b) шов сварен с использованием двойного импульса
Как пример, на рисунке b) показан угловой шов сваренного на двойном импульсе листа толщиной 15 мм из материала AL 6082-T6. Выбор правильных параметров нужен для размера энергии электрической дуги, делает сварку комфортабельной и с хорошим контролем сварочной ванны, при чём нужная энергия электрической дуги достигается без предварительного подогрева, чтобы проплавить угловой шов.
Пример на рисунке а) показывает угловой шов, полученной при сварке на нормальном импульсе, хорошо видно вид поверхности, при этом энергии не достаточно, чтобы расплавить основной материал в требуемой мере. Способ сварки с использованием двойного импульса подходит для получения хорошего проплавления. Двойной импульс и прямое движение сварочной горелки ускоряет сварку с одной стороны на керамической подкладке с раскрытием корня шва от 4 мм. Особенно упрощается сварка горизонтальных швов, при следовании по верхней кромке углового шва. Порообразование протекает по той же закономерности как и при других формах тока. В сравнительном тесте был сварен горизонтальный шов алюминиевого листа толщиной 6 мм марки AlMgSi1 (Al6082-T6) на керамической подкладке с зазором в корне 4 мм, чтобы исследовать порообразование. Рентгенограмма сварного шва показала, что при сварке на двойном импульсе пор было меньше и они более равномерно распределены по сравнению с традиционной импульсной сваркой.
Инверторная технология открывает многосторонние возможности применения и адаптация источников питания для различных материалов и целей применения. В сварочных аппаратах серии KemppiProEvolution, KemppiFastMigPulse и KemppiFastMigXинтегрированы панели управления, которые обеспечивают режим традиционной импульсной сварки и сварки с использованием двойного импульса при сварке методом MIG/MAG. Функция двойного импульса и её применяемость для различных потребностей является интересной дополнительной опцией в поиске оптимальных решений в ситуациях, предлагаемых методом импульсной сварки. Их выгода лежит в хорошем качестве сварного шва и его внешним виде, в прямом ведении сварочной горелки и улучшении контроля глубины проплавления.
Дуговая сварка алюминия
Проблемы сварки алюминия и его сплавов по-прежнему актуальны. Часть из них, где не требуется высокая производительность и диапазон толщин металлов невелик, решается при применении аргонодуговой сварки неплавящимся электродом и в ряде случаев покрытыми электродами.
Другие материалы по темам "
, механизированная сварка алюминия":
Когда же необходима высокопроизводительная сварка металла широкого диапазона толщин в различных пространственных положениях, применяют дуговую механизированную сварку в аргоне. В этом случае одной из основных является задача управления массопереносом электродного металла, от которого зависят устойчивость дугового процесса, потери электродного металла, формирование и свойства сварного соединения, возможность сварки металлов широкого диапазона толщин в положениях, отличных от горизонтального.
При этом наиболее рациональным с технической и технологической точек зрения является импульсно- дуговая сварка алюминия с применением специальных импульсных источников питания, дополнительных генераторов к сварочным выпрямителям или, в последнее время, специальных транзисторных приставок, формирующих импульсы с определенными параметрами. Отмечается положительное влияние на форму и свойства сварного соединения из сплавов алюминия процессов сварки с периодическими изменениями параметров процесса, производимыми по определенным алгоритмам. Некоторые проблемы качественной сварки алюминия и его сплавов могут быть решены при применении комплексов дугового механизированного оборудования с синергетическим управлением переносом электродного металла.
Однако имеется достаточно широкий круг задач и технических решений, когда указанные способы сварки алюминия и его сплавов недостаточно эффективны или их реализация сопряжена с определенными техническими и экономическими трудностями.
Для случаев, когда применение импульсно-дуговой сварки сплавов алюминия вызывает затруднения, ставятся задачи полу чения соединений металла с широким диапазоном толщин при минимальных энергетических и материальных затратах с обеспечением определенных механических, а для проводников электрического тока — проводящих свойств. Наиболее рациональным и перспективным техническим решением является применение дуговой механизированной сварки с импульсной подачей электродной проволоки.
В ряде работ, посвященных анализу процессов сварки алюминия и его сплавов в аргоне с импульсной подачей электродной проволоки, отмечаются некоторые очевидные преимущества данного процесса. Широкое применение таких процессов, где не требуются источники сварочного тока с импульсным характером выходного напряжения, сдерживается из-за следующих причин. Прежде всего это отсутствие до недавнего времени надежной, воспроизводимой конструкции механизма подачи с возможностью (в обязательном порядке) управления параметрами импульсного движения электродной проволоки и правильно созданной системой подачи в целом. Кроме того, преодоление определенного стереотипа у технологов и сварщиков-полуавтоматчиков.
Цель данной работы — выявление некоторых дополнительных особенностей процесса дуговой механизированной сварки сплавов алюминия в аргоне с управляемой импульсной подачей электродной проволоки, в том числе металлов больших толщин, свариваемых в несколько проходов и применяемых как элементы шинопроводов в мощных электротехнических агрегатах — при энергогенерировании, производстве черных и цветных металлов, углеграфитовой продукции и др.
Прежде всего следует отметить, что механизированная дуговая сварка сплавов алюминия с импульсной подачей электродной проволоки во многих аспектах близка к импульсно-дуговой сварке. Это сходство просматривается в основном компоненте этих двух процессов — при правильно подобранных параметрах импульсов сварка производится с принудительным переносом электродного металла. Однако при сварке с импульсной подачей электродной проволоки необходимо лишь выбрать достаточные значения ускорения движения электродной проволоки в импульсе. В этом случае во всем диапазоне режимов сварки будет реализовываться импульсное управление переносом электродного металла. При импульсно-дуговом процессе каждому режиму должны соответствовать необходимые (требуемые) параметры импульсов от источника сварочного тока. Современные системы управления источников питания дуги, включая синергетические, легко осуществляют выбор параметров импульсов, но это уже другой уровень оборудования по сложности, цене и обслуживанию. Достаточно широко в настоящее время такое оборудование не может быть использовано. Оборудование с механизированной импульсной подачей электродной проволоки с управляемыми параметрами движения по сложности практически не отличается от обычных систем подачи. Кроме того, механические элементы передач (шестерни) современных конструкций импульсных механизмов подачи могут быть изготовлены из пластмасс. Такие механизмы могут заменить существующие в большинстве конструкций полуавтоматов, находящихся в эксплуатации в настоящее время. Источник сварочного тока остается тем же, т. е. можно задействовать практически источники сварочного тока всех типов, которые в настоящее время входят в комплекты полуавтоматов для сварки сталей в защитных газах стальной электродной проволокой.
Необходимо отметить, что на основании опыта разработки и внедрения дугового механизированного оборудования для сварки алюминия и его сплавов, а также имеющейся научно-технической информации можно систематизировать наиболее общие технологические требования при использовании различных систем и узлов в конструкции полуавтоматов:
— получение плотного шва с минимальным количеством пор, пустот и включений;
— широкий диапазон свариваемых толщин, включая минимальные, которые можно сваривать без технологических приспособлений;
— получение однородного состава металла шва;
— возможность сварки за несколько проходов без особых условий подготовки каждого предыдущего слоя при его закрытии последующим слоем;
— исключение непроваров при многослойной сварке и в зонах соединения основного металла с электродным;
— обеспечение качественного товарного внешнего вида шва;
— минимизация потерь электродного металла и энергетических затрат при сварке;
— не всегда требуется очистка электродной проволоки и свариваемого материала.
Все приведенные требования необходимо реализовать с минимальными затратами на оборудование при его простоте и надежности. Кроме того, немаловажным обстоятельством является возможность быстрого воспроизводства процесса сварки алюминия и его сплавов на широко применяемых в промышленности полуавтоматах для сварки сталей в углекислом газе.
Следует отметить наиболее эффективные методики оценки результатов, получаемых при механизированной сварке алюминия и его сплавов при различных способах подачи электродной проволоки:
— экспертная оценка устойчивого горения дуги и внешнего вида сварного соединения при сварке в различных пространственных положениях и разных условиях;
— металлографические исследования металла шва и ОШЗ;
— механические испытания образцов (при сварке алюминиевых конструкций из сплавов алюминия);
— электрические испытания образцов (при сварке алюминиевых контактных соединений, шинопроводов и др.).
Результаты опытнопромышленной проверки и использования полуавтомата для сварки алюминия и его сплавов, разработанного на основе базовой модели ПШ 107 В
Разработанная модель полуавтомата ПШ 107 ВА для сварки и наплавки алюминия и его сплавов с широким диапазоном типов и диаметров проволок и использованием новых разработок ряда основных узлов системы подачи проходила проверку в лабораториях ИЭС им. Е. О. Патона и в производственных условиях. При определении технических и технологических возможностей новой модели полуавтомата для сварки и наплавки алюминия и его сплавов учитывали возможности базовой модели ПШ 107 В. Выявляли необходимость введения в транзисторный электропривод обратных связей по дуговому процессу (току и напряжению) в сочетании с постоянно действующей обратной связью по частоте вращения вала электродвигателя механизма подачи. Установили, что при введении отрицательной обратной связи по напряжению дугового процесса положительного эффекта не наблюдается. Введение отрицательной обратной связи по току дугового процесса, особенно при использовании проволок диаметрами 2,0 мм и более, дает заметный эффект, проявляющийся, в частности, в более устойчивом течении процесса и формировании сварного шва. Очевидно, что применение быстродействующего транзисторного электропривода с малоинерционным электродвигателем ДПУ87-75 базового полуавтомата ПШ 107 В, а также коротких шланговых держателей пистолетного типа и разработанных роликовых движителей в системе подачи позволяет отрабатывать возмущения различного происхождения по току дугового процесса, стабилизируя его.
Измерения скорости подачи проволоки из сплавов алюминия, проведенные по методике работы на специально доработанном для этой цели новом шланговом держателе пистолетного типа, не выявили отклонений от заданного значения (±2—3 %) даже при дополнительных изгибах направляющего канала (при экспериментах формировали одно кольцо диаметром 400 мм).
Новые полуавтоматы для сварки с регулируемой импульсной подачей алюминиевой электродной проволоки проходили опытно-промышленную проверку на двух предприятиях Украины: Рудоремонтном заводе в г. Антрацит Луганской обл. и на предприятии ОАО "Укрграфит" в Запорожье. В первом случае сваривали корпуса радиаторов толщиной 4,0—6,0 мм проволокой Св-АК диаметром 1,2—1,4 мм. При этом применяли источник питания дуги ВДУ 506. Качество выполненных работ и надежность работы полуавтомата ПШ 107 ВА подтверждена соответствующими заключениями о выполненных договорных работах.
Рис. 1. Фрагмент углового шва при сварке мощных шинопроводов полуавтоматом ПШ 107 ВА: 1—3 — сварные слои
При внедрении полуавтоматов ПШ 107 В в ОАО "Укрграфит" задачи были более сложными. Сварочные работы выполняли специалисты АО "Термобр" на печах графитации. На предприятии выполняется большой объем работ по сварке участков алюминиевых шинопроводов сечением 20 х 350 мм и 29 х 250 мм, а также по приварке электроконтактных переходов, когда алюминиевые прутки диаметром 8,0 мм припаривают к шинопроводам. Тяжелые условия эксплуатации оборудования (запыленные электропроводные среды, резкие перепады температур и др.) носят постоянный характер, что связано с заменой медных шин на алюминиевые, а также регулярными периодами замены участков шинопроводов после их эксплуатации в условиях агрессивных сред. До внедрения нового оборудования сварку шин вели угольным электродом, а сварку электроконтактных переходов — полуавтоматом ПРМ-4. Сварка угольным электродом практически проводилась только в стационарных условиях и, что наиболее важно, участки шинопроводов, сваренные этим способом, имеют повышенное электрическое сопротивление, приводящее к существенным потерям электроэнергии. Полуавтоматы ПРМ-4 по своим техническим характеристикам малопроизводительны и недостаточно надежны для условий эксплуатации в цехах графитации. Новые полуавтоматы ПШ 107 ВА применяли и для сварки стыковых швов шинопроводов (проволока Св-А5 диаметром 2,5 мм, ток 300—350 А) (рис. 1), а также для приварки электроконтактных переходов (проволока Св-А5 диаметром 1,6 мм, ток 200—280 А) (рис. 2). На рис. 1, видно, что сварка производится в три слоя, поскольку толщина шинопровода составляет 40 мм.
Рис. 2. Сварка алюминиевых электроконтактных переходов полуавтоматом ПШ 107 ВА
Специалисты предприятий отмечают высокую производительность, надежность и мобильность (сварка в период монтажа графитной печи перед ее загрузкой) нового оборудования для механизированной сварки и наплавки алюминия и его сплавов.
В настоящее время полуавтоматы ПШ 107 ВА успешно эксплуатируются уже как постоянное оборудование на предприятиях ОАО "Укрграфит" (Украина), титано-магниевом комбинате "АВИСМА" (Россия) и др.
Рис. 3. Полуавтомат с импульсной подачей: 1 — механизм с регулируемым КВП; 2 — подающий ролик увеличенного диаметра; 3 — двухроликовый прижимной механизм
Следует отметить, что имеется большой круг задач, где использование сварки с регулируемой импульсной подачей электродной проволоки не всегда позволяет получить необходимый результат. Так, например, при сварке шинопроводов необходимо получить контактное соединение с минимальными потерями электроэнергии. Качество металла сварного соединения при этом по крайней мере не должно уступать качеству основного металла. То же относится и к шинопроводам мощных электролизных производств предприятий цветной металлургии при получении первичного алюминия и магния, где потери электроэнергии в контактных соединениях, в том числе и сварных, столь велики, что зачастую ставят производство на грань рентабельности. В таких случаях одним из наиболее рациональных способов сварки остается импульсно- дуговая сварка алюминия с применением специальных импульсных источников питания.
Рис. 4. Конструкция узла шинопровода, сваренная полуавтоматом ПШ 107 ВА с импульсной подачей: 1 — сварка гибкой связи; 2 — угловые швы; 3 — стыковой шов
Для выполнения комплекса работ по сварке элементов шино проводов применяли модернизированные полуавтоматы ПШ 107 ВА с импульсной подачей (рис. 3). При сварке алюминиевых шинопроводов выполняют сварку толсто- и тонколистовых элементов (гибкие связи), сварку в нижнем и вертикальном положениях. Один из узлов мощного шинопровода с токовой нагрузкой порядка 10 кА, предназначенный для установки на предприятии "АВИСМА", приведен на рис. 4. Следует отметить, что каждый раз при очередном ремонте только одного электролизера десятки таких узлов требуют замены, так как при демонтаже часть узлов разрушается. Применение механизированной дуговой сварки при сборке узлов шинопроводов позволило несколько изменить саму конструкцию шинопровода, отказавшись при этом от сварки угольным электродом, при которой электрические свойства сварного шва оказываются наихудшими. Сварку выполняли проволоками Св-А5 и Св-АК5 диаметром 1,2 и 1,6 мм. Параметры импульсной подачи выбирали исходя из результатов исследований данной работы, а также с учетом данных работ. Контрольную сварку проводили также полуавтоматом ПШ 107 ВА, но без импульсной подачи проволоки. Оба способа сварки проверяли при выполнении вертикальных швов. По результатам опроса опытных сварщиков можно сделать заключение, что применение импульсной подачи положительно действует на процесс, стабилизируя его. При этом отмечается легкое возбуждение дуги, хорошее формирование шва, отсутствие потеков расплавленного металла, которое обычно наблюдается при стандартной механизированной сварке.
Рис. 5. Микрошлифы швов, полученных при сварке током 140—160 А обычным полуавтоматом (а) и с импульсной подачей проволоки (б): 1 — включения в сварном шве
Электрическое сопротивление сварного узла шинопровода определяли по следующей методике. Специально сконструированными щупами, обеспечивающими гарантированное одинаковое усилие прижима контакта, из меряли падение напряжения на выбранном участке сварки для ряда значений тока (например, 100, 200 и 300 А). Затем вычисляли значения сопротивления сварного узла и усредняли их. Можно отметить, что во всех сравнительных замерах электрическое сопротивление узла, сваренного с применением импульсной подачи, неизменно на 3—5 % меньше электрического сопротивления узла при стандартной сварке.
При тех значениях токов, которые применяются при электролизе магния (225 кА), снижение затрат электроэнергии только за счет качественного выполнения контактного соединения в общей структуре затрат является ощутимой экономией.
На рис. 5 приведены характерные микрошлифы металла сварного шва в центральной его части, выполненные обычным полуавтоматом ПШ 107 ВА и таким же полуавтоматом, но с импульсным механизмом подачи проволоки на основе квазиволновой передачи (КВП). Параметры импульсной подачи проволоки Св-А5 диаметром 1,2 мм: шаг подачи 1,6 мм; частота импульсов 48—50 Гц. Форма импульсов близка к синусоидальной, а ускорение расплавленной капли электродного металла (расчетное) в пределах 40—50 м/с 2 . Видно, что при сварке с обычной подачей полученное сварное соединение имеет достаточно большое число неметаллических включений (в основном остатки оксидной пленки и пузырьки газов, поры, в том числе и как результат некачественно подготовленных поверхностей электродной проволоки и изделия, а также из-за проблем с защитной средой). Сварной шов в этом случае недостаточно плотный. Шов, полученный с применением импульсной подачи, существенно более плотный, так как практически лишен неметаллических включений. Этот эффект обусловлен более интенсивным перемешиванием жидкого металла ванны, дегазацией металла шва и всплыванием на поверхность неметаллических включений, что и отражается на электропроводных свойствах сварного контактного соединения.
Рис. 6. Микрошлифы начальных участков швов, полученных при сварке угольным электродом (а), обычным полуавтоматом (б) и с импульсной подачей проволоки (в)
Другой причиной повышения электропроводных свойств сварного электроконтактного соединения из алюминия является выявленное авторами различие в начальных фазах сплавления основного и электродного металлов при разных способах сварки. Это различие иллюстрирует рис. 6. Видно, что наилучшее сплавление происходит при сварке с импульсной подачей, что обусловлено лучшими условиями удаления в процессе сварки оксидных пленок, которые неизбежно присутствуют на свариваемом металле и являются причиной частичного несплавления.
1. Применение новых регулируемых механизмов импульсной подачи электродной проволоки при дуговой механизированной сварке сплавов алюминия позволило существенно улучшить формирование металла шва и его структуру и снизить потери электродного металла.
2. Улучшение электропроводных свойств алюминиевого сварного соединения при механизированной сварке может быть достигнуто в том числе и при использовании импульсной подачи электродной проволоки с управляемыми параметрами. При этом обеспечивается качественное выполнение сварного соединения, влияющее на электротехнические свойства токоведущих шин.
Читайте также: