Разработка способа зажигания дуги под флюсом при сварке на постоянном токе

Дуговая сварка является одним из самых распространенных видов сварки, получивших широкое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Широкое применение получила сварка под флюсом плавящимся электродом диаметром от 1,6 мм до 5.0 мм. Применяемые при этом полуавтоматы и автоматы содержат механизмы, обеспечивающие подачу электродной проволоки в зону сварки с постоянной скоростью.

Установление процесса сварки под флюсом, как и при сварке в среде защитных газов, носит циклический характер, то есть происходит после нескольких циклов соприкосновения электрода с изделием, горения и обрыва дуги. Это ухудшает качество начальных участков швов, приводит к значительному увеличению подготовительного времени и непроизводительному расходу сварочных материалов и электроэнергии, особенно при выполнении коротких швов, обварке труб и дуговой точечной сварке под флюсом.

Зажигание дуги и установление процесса сварки под флюсом являются важными технологическими операциями при выполнении сварки на сварочных автоматах и полуавтоматах, а также при сварке коротких и точечных швов.

Существуют различные способы зажигания дуги при сварке под флюсом. Наиболее распространенным является способ зажигания дуги путем предварительного замыкания электрода с изделием. При этом дуга зажигается при разрыве межэлектродного промежутка под напряжением сварки. Этот способ не гарантирует надежное начальное зажигание. Поэтому в ряде случаев сварка начинается на выносных пластинах, которые после окончания сварки удаляются, что ведет к значительным затратам времени, сварочных материалов и электроэнергии. Кроме этого даже при возбуждении дуги с первого раза не обеспечивается глубокое проплавление в начале шва из-за низкого тепловложения.

Другие способы предусматривают подготовку конца электрода (заточку) и непосредственную его подачу через флюс до соприкосновения с изделием, однако это не гарантирует надежного зажигания дуги и ведет к значительному увеличению подготовительного времени.

При зажигании дуги подачей электрода непосредственно через флюс без применения каких-либо схем управления процессом нами установлено, что вероятность зажигания не превышает 40%.

Известны попытки бесконтактного зажигания дуги под флюсом с использованием для пробоя межэлектродного промежутка высоковольтным, высокочастотным напряжением 2−4 кВ, 250−400 кГц от сварочного осциллятора. Однако в этом случае усложняется работа сварочного оборудования и возникают помехи по сети и эфиру.

Таким образом все перечисленные ранее способы зажигания сварочной дуги под флюсом не гарантируют надежного зажигания дуги, требуют значительного времени на подготовку и не отвечают требованиям ресурсои энергосбережения.

Наиболее перспективным решением рассматриваемой проблемы является использование разработанного для сварки в СОг способа бесконтактного зажигания дуги.

Настоящая работа посвящена решению важной и актуальной задачиразработке способа зажигания дуги под флюсом при сварке на постоянном токе, отвечающего условиям ресурсои энергосбережения, надежности и современным требованиям техники безопасности.

В работе рассмотрены способы зажигания дуги и дана их классификация. Рассмотрена общая теория электрического пробоя между сближающимися сварочными электродами. Установлены факторы влияющие на возможность электрического пробоя дугового промежутка при зажигании дуги напряжением, не превышающим напряжение холостого хода серийного сварочного источника питания при сварке под флюсом. Определены условия возникновения низковольтного импульсного разряда и его перехода в дуговой разряд и далее к параметрам установившегося процесса сварки под флюсом. Разработано, изготовлено и внедрено оборудование для бесконтактного зажигания дуги при сварке под флюсом.

Разработанный способ зажигания дуги под флюсом позволяет осуществить этот процесс от источника питания с напряжением, не превышающим напряжение холостого хода серийного сварочного оборудования [1,2].

На защиту выносятся:

— определение факторов, влияющих на бесконтактное зажигание дуги;

— модель силового воздействия электрода на изделие;

— в связи с необходимым механическим воздействием электрода на частицы флюса теоретическое и экспериментальное определение влияния продольного изгиба электрода на устойчивость системы «сварочная головка — электрод — изделие» ;

— механизм влияния механической прочности и грануляции сварочного флюса на стабильность бесконтактного зажигания дуги;

— разработка устройства для бесконтактного зажигания дуги под флюсом от управляемого сварочного источника питания.

Разработанное оборудование для бесконтактного зажигания дуги и установления процесса сварки плавящимся электродом под флюсом внедрено на ОАО «Ростсельмаш» г. Ростов/Дон, в вагонном депо Каменоломни СКЖД и ОАО «Ташсельмаш», республика Узбекистан, г. Ташкент.

Работа выполнялась в лабораториях кафедры «Технология металлов» Ростовского государственного университета путей сообщения. 7.

По теме диссертации опубликовано 12 научных статей.

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава РГУПС с 1999 г. по 2002 г., на заседании кафедры сварки ДГТУ и на всероссийской научно-технической конференции с международным участием в МЭИ г. Москва, в ноябре 2000 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что явление НИР (низковольтный импульсный разряд), лежащее в основе бесконтактного зажигания дуги, имеет место под флюсом между сближаемыми электродами, причем флюс является механическим препятствием для сближения электродов на расстояния, обеспечивающие возникновение НИР, при напряжениях серийных сварочных источников питания.

2. Реализация способа бесконтактного зажигания дуги при сварке под флюсом обеспечивается удалением из межэлектродного промежутка частиц флюса и шлаковой корки при подходе электрода к изделию на расстояние, при котором происходит электрический пробой (несколько микрон и менее) низкими сварочными напряжениями.

3. Разработана модель силового воздействия электрода на частицы флюса. В системе «сварочная головка — электрод — изделие» при прохождении электрода через флюс силы, возникающие в процессе раздавливания и раздвижения гранул различных флюсов и шлаковой корки, значительно ниже критических сил, приводящих к потере устойчивости электрода на его вылете.

4. Для надежного бесконтактного зажигания дуги (исключающего пружинное распрямление электрода при соскальзывании с гранулы флюса) усилия прижатия прижимного ролика для диаметров от 1,6 до 5,0 мм должны быть регламентированы и составлять от 0,20 до 0,70 кН.

5. Оптимальное управление процессом бесконтактного зажигания дуги под флюсом позволяет обеспечить гарантированную надежность этого процесса (вероятность до 100%). Для неуправляемого процесса вероятность контактного зажигания дуги составляет до 40%.

6. Установлено различие в поведении плавленых и керамических флюсов при бесконтактном зажигании дуги. Несмотря на наличие металлических составляющих в керамических флюсах, надежное зажигание дуги возможно только при удалении пленки между электродами (частицы флюса налипают на торец электрода при его раздавливании) путем процарапывания ее во время движения сварочной головки вдоль шва. В этом случае надежность зажигания дуги, как и для плавленых флюсов, составляет до 100%.

7. Увеличение тепловложения в изделие при зажигании дуги, путем форсирования режима сварки по току и напряжению, обеспечивает быстрое нарастание глубины проплавления в начале шва.

8. При сварке под флюсом на малых и средних режимах реализация способа бесконтактного зажигания дуги обеспечивается программированием напряжения холостого хода источника питания и индуктивности в сварочной цепи, а при сварке на больших режимах достаточно обеспечить управление индуктивностью. Скорость нарастания тока при этом должна составлять 150 — 800 кА/с.

9. Применение бесконтактного зажигания дуги является важным фактором автоматизации, обеспечивает минимальное и стабильное время установления процесса сварки, экономию сварочных материалов, электроэнергии и упрощает сварочное оборудование.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА БЕСКОНТАКТНОГО ЗАЖИГАНИЯ ДУГИ ПРИ СВАРКЕ ПОД.

ФЛЮСОМ.

В настоящее время на железнодорожном транспорте широко применяются наплавочные работы для восстановления деталей подвижного состава (надрессорные балки, резьба осей колесных пар, фрикционные клинья, гребни колес и другие детали).

Основным технологическим процессом является наплавка под флюсом по нескольким причинам:

— обеспечивается высокая производительность (токи 300 — 500 А);

— использование открытой дуги (сварки в С02 и порошковой проволокой) на этих токах затруднено;

— в вагонных и локомотивных депо применение сварки в С02 затруднено из-за необходимости иметь баллонное хозяйство;

— сварка под флюсом обеспечивает высокое качество наплавленного металла;

— улучшаются условия труда и экологические показатели ремонта.

На указанных режимах сварки под флюсом на постоянном токе используется электродная проволока преимущественно диаметром 3,0 мм. Применять для ее подачи в дугу сварочные головки типа АБС, А, А-874Н представляется нецелесообразным из-за их больших габаритов, громоздкости и сложности.

Для этой цели можно с успехом использовать механизмы подачи сварочных полуавтоматов тяжелого типа А-537, А-1197П, А-765 и другие, обеспечивающие нужный диапазон изменения скорости подачи электрода. Однако в этом случае необходимо решить проблему начального зажигания дуги. Дело в том, что эти полуавтоматы предусматривают непосредственную (без реверса) подачу электрода к изделию, что для электродов диаметром 3,0 мм является неприемлемым. Надежность зажигания дуги в этом случае не превышает 40%.

Выход состоял в том, чтобы либо применить схему реверсирования электрода для зажигания дуги (однако такая схема не обеспечивает гарантию безотказного начального зажигания дуги), либо применить (обеспечить) бесконтактное зажигание дуги под флюсом.

Второй путь представляется более целесообразным и реализован на многих установках для сварки и наплавки под флюсом. Следует также отметить, что в случае альтернативы в применении электродной проволоки диаметром 2,0 мм или 3,0 мм предпочтение следует отдать проволоке диаметром 3,0 мм как более дешевой при прочих равных условиях и обеспечивающей большую жесткость системы «сварочная головка — электродизделие», необходимую для раздавливания зерен флюса.

Процесс бесконтактного зажигания дуги под флюсом осуществим на постоянном токе с помощью модернизированных источников питания с жесткой внешней характеристикой для электродов различного диаметра с использованием серийной сварочной аппаратуры, однако, имеются определенные условия, диктуемые спецификой применяемых флюсов.

Для плавленых флюсов и тонких электродных проволок (d3 = 1,6 и 2,0 мм) возможно контактное зажигание дуги непосредственной подачей электрода к детали. Вероятность зажигания с первого замыкания составляет до 40%). Поэтому и в этом случае при сварке под флюсом целесообразно применение бесконтактного зажигания дуги.

Для электродных проволок диаметром 3,0 мм и более обязательно применение бесконтактного зажигания дуги без каких-либо предварительных условий. Желательно ограничение усилия подачи электродной проволоки таким образом, чтобы электродная проволока равномерно и стабильно подавалась в зону горения дуги и усилия были достаточными для раздавливания флюса и шлаковой корки на конце электрода. Вместе с тем эти усилия не должны создавать заметного пружинного распрямления электродной проволоки при соскальзывании электрода с гранул флюса.

Плавленые флюсы обеспечивают бесконтактное зажигание дуги при неподвижном автомате.

Для некоторых марок керамических флюсов, зерна флюса легко разрушаясь, создают под торцом электрода тонкую пленку, препятствующую подходу его к изделию на пробивные расстояния при низких сварочных напряжениях. В этом случае бесконтактное зажигание дуги возможно только во время перемещения сварочного автомата когда происходит процарапывание пленки. Требования к подающему механизму такие же, как и для плавленых флюсов. Пылевидную фракцию, образующуюся в процессе эксплуатации и транспортировки, рекомендуется удалить.

При необходимости синхронизации работы нескольких сварочных головок, роботов и роботизированных систем предпочтительней применение плавленых флюсов.

Для больших режимов сварки (напряжение -40 В и более) достаточно управлять индуктивностью источника питания без программирования напряжения холостого хода.

Способ бесконтактного зажигания позволяет исключить применение выносных планок при зажигании дуги, уменьшить перекрытие шва в случае сварки кольцевых швов из-за отсутствия дефектов в начале шва.

Способ бесконтактного зажигания позволяет упростить новое оборудование, так как нет необходимости в реверсировании двигателя в момент зажигания, специальной подготовке конца электрода, программировании подачи электрода.