способ бесконтактного возбуждения сварочной дуги

Формула изобретения

1. СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ в газовой среде, при котором используют лазерное излучение, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, уменьшения стоимости и габаритных размеров оборудования, экономии электроэнергии путем исключения нагрева электрода и уменьшения средней мощности лазерного излучателя, после подачи напряжения холостого хода источника сварочного тока на дуговой промежуток подают импульс напряжения на лазерный излучатель, а лазерную искру создают с помощью сфокусированного лазерного пучка в зазоре между электродом сварочной дуги и изделием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности возбуждения сварочной дуги, лазерный пучок направляют в сторону изделия под острым углом к оси электрода и фокусируют в середине дугового промежутка, причем длину промежутка l_д выбирают не более величины l_опт cos , где l_опт - максимальный размер высокотемпературного ядра лазерной искры вдоль оптической оси за время существования искры в используемом газе при заданных параметрах импульса лазерного излучения и фокусирующей системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности.

Известные методы бесконтактного возбуждения сварочной дуги условно можно разделить на две группы. К первой относятся те из них, в которых дуга инициируется в результате протекания физических процессов в искровом разряде, возбуждаемом в межэлектродном промежутке с помощью осциллятора [1] или других источников высоковольтных импульсов (например, основанных на применении пьезокристаллического элемента [2]. Вторую группу составляют способы, в которых возбуждение дуги обеспечивается за счет нагрева рабочего конца электрода до температуры, достаточной для термоэлектронной эмиссии. Необходимая температура обычно достигается в результате воздействия на электрод того или иного высококонцентрированного источника нагрева. Известно использование в качестве такого источника плазменной или свободно горящей дуги, электронного или лазерного пучка, возможен также нагрев электрода джоулевым теплом.

Недостатком известных способов возбуждения дуги является то, что они сопровождаются достаточно мощным электромагнитным излучением в виде радиопомех. В связи с повышением требований к уровню радиопомех, вызванным развитием электронных сварочных источников питания и автоматизированных систем управления, применение этих способов предполагает более сложные и дорогостоящие меры защиты от помех.

Способы, использующие лучевой или джоулев нагрев электрода, можно считать свободными от помех. Остальные, основанные на использовании вспомогательных дуг в роли источников нагрева электрода, сопровождаются появлением радиопомех в процессе возбуждения самих вспомогательных дуг. Учитывая, что возможности применения джоулева нагрева сварочного электрода ограничены из-за необходимости специальной конструкции электрода, в качестве перспективных при сварке от электронных источников питания и автоматизированных комплексов можно рассматривать лишь способы возбуждения сварочной дуги на основе лучевого нагрева, тем более что они исключают загрязнение сварного шва продуктами разрушения электродов или сопел вспомогательных дуг. Однако высокая стоимость, сложность и громоздкость оборудования сужают их область применения в настоящее время.

Наиболее близким к предлагаемому является способ возбуждения дуги с неплавящегося электрода с использованием лазерного излучения [3]. Он предусматривает нагрев рабочего конца электрода лучом маломощного лазера непрерывного действия. Лазер непрерывного действия требуемой для нагрева электрода мощности является дорогим и относительно громоздким устройством. Однако необходимость использования такого лазера диктуется самой сутью способа, поскольку нагреть электрод с помощью значительно более дешевого и компактного импульсного лазера разумной мощности невозможно из-за слишком малой (порядка десятков наносекунд) длительности импульса.

Недостатком известного способа [3] является также то, что он ограничен в применении, так как может быть использован только при сварке неплавящимся электродом. Для сварки (или других технологических процессов) плавящимся электродом его применения не имеет смысла, из-за того что при температуре плавления такого электрода, как правило, не достигается эмиссия, достаточная для возбуждения дугового разряда. Кроме того, быстрое изменение формы рабочего конца плавящегося электрода в процессе горения дуги требует слишком частой корректировки параметров лазерного пучка для осуществления оптимального режима нагрева электрода.

Относительно большое время разогрева рабочего конца электрода до необходимой температуры (порядка секунды - десятых долей секунды при мощности лазера 50-60 Вт и 650 Вт соответственно) ограничивает применение известного способа [3] при сварке в импульсном режиме.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа, уменьшение стоимости и габаритных размеров оборудования, экономия электроэнергии за счет исключения нагрева электрода и уменьшения необходимой средней мощности лазерного излучателя.

Для этого в способе бесконтактного возбуждения сварочной дуги в газовой среде, осуществляемом с использованием лазерного излучения, после подачи напряжения холостого хода источника сварочного тока на дуговой промежуток в последнем создают плазму импульсного оптического разряда (лазерную искру) с помощью импульсного лазерного излучения, направляемого в виде сфокусированного пучка в зазор между электродом сварочной дуги и изделием.

Целью изобретения является также повышение надежности возбуждения сварочной дуги.

Для этого лазерный пучок направляют в сторону изделия под острым углом к оси электрода и фокусируют в середине дугового промежутка, причем длину l_д промежутка выбирают не более величины l_опт cos , где l_опт - максимальный размер высокотемпературного ядра лазерной искры вдоль оптической оси за время существования искры в используемом газе при заданных параметрах импульса лазерного излучения и фокусирующей системы.

На чертеже позициями обозначены: электрод 1 сварочной горелки, изделие 2, сварочный источник питания 3, лазерный пучок 4, высокотемпературное ядро 5 лазерной искры.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Перед началом процесса лазерный излучатель размещают так, чтобы фокус лазерного пучка находился в зазоре между сварочным электродом и изделием. Включают сварочный источник питания, а затем подают импульс напряжения на лазерный излучатель. В результате действия импульсного лазерного излучения (длительностью импульсов порядка десятков наносекунд) в межэлектродном промежутке возникает лазерная искра.

Известно, что лазерная искра создает в газовой среде область со сравнительно низкой плотностью и высокой температурой (высокотемпературное ядро), которая существует в течение порядка 100 мкс после прекращения действия импульса лазерного излучения, сначала расширяясь в объеме до размеров порядка 1 см³ по мере развития лазерной искры, а затем уменьшаясь. Ядро лазерной искры имеет в продольном сечении (вдоль оптической оси) форму неправильного овала. Известно также, что высокотемпературная область лазерной искры создает условия для возникновения электрического разряда между двумя электродами и что он возникает в тот момент, когда расширяющееся горючее ядро достигает обоих электродов.

В предлагаемом способе возбуждения сварочной дуги в газовой среде между изделием и электродом после возникновения искры в межэлектродном промежутке ее высокотемпературная область, расширяясь, достигает рабочего конца электрода с одной стороны, и поверхности изделия с другой. При наличии на промежутке электрод - изделие напряжения достаточной величины, зависящей от длины l_д промежутка и рода используемого газа, а также при достаточно высоких динамических свойствах источника сварочного тока, позволяющих дуговым процессам развиться за время существования лазерной искры, возникает дуговой разряд.

Для большей надежности возбуждения оптическую ось фокусирующей системы располагают под острым углом к оси сварочного электрода, пучок фокусируют в середине дугового промежутка, а длину l_д промежутка выбирают не более величины l_опт cos , где l_опт - максимальный размер большой оси овала высокотемпературного ядра лазерной искры за время ее существования в используемом газе. Угол выбирают минимально возможным из того диапазона его значений, который допускает реальная конструкция сварочной горелки и фокусирующей системы. При указанных условиях линейный размер высокотемпературного ядра лазерной искры вдоль оси электрода (дуги) по мере развития искры становится равным или превышает длину l_д межэлектродного промежутка, т. е. весь промежуток заполняется плазмой импульсного оптического разряда.

Величину l_опт можно определить экспериментально по интерферограммам или теневым фотографиям, а также более грубо по очертаниям светящейся области лазерной искры на фотоотпечатке, полученном при выдержке не менее продолжительности существования лазерной искры, либо на основании имеющихся в литературе данных.

Так как предлагаемый способ не требует нагрева электрода до температуры, достаточной для термоэлектронной эмиссии, он может быть применен для возбуждения дуги с любого электрода - как неплавящегося, так и плавящегося.

Поскольку при правильно выбранных длине межэлектродного промежутка и напряжении холостого хода сварочного источника питания дуговой разряд возникает практически мгновенно после подачи импульса лазерного излучения, способ можно применить при сварке импульсами с нулевым током в паузе. Таким образом, расширяются технологические возможности способа.

В связи с тем, что энергия, необходимая для возникновения лазерной искры, приблизительно на 2 порядка меньше, чем для нагрева электрода до температуры термоэлектронной эмиссии, а также за счет малой длительности импульсов лазерного излучения средняя мощность лазерного излучателя, требующаяся для возбуждения дуги предлагаемым способом, намного меньше, чем у лазера непрерывного действия. Поэтому лазер, необходимый для осуществления заявляемого способа, представляет собой малогабаритный прибор, по сравнению с лазером непрерывного действия.

Кроме того, предлагаемый способ не требует корректировки параметров лазерного пучка в связи с изменением геометрии электрода по мере его эксплуатации.

Способ рекомендуется для возбуждения дуги с неплавящегося электрода при автоматической сварке. Он может быть применен также при осуществлении различных технологических процессов, использующих плавящийся электрод (например, прецизионной импульсной наплавки).

Способ реализован в ИЭС им. Е.О.Патона. Выполнен комплекс исследований по определению оптимальных условий возбуждения дуги с неплавящегося и плавящегося электродов в аргоне. Лазерная искра генерировалась твердотельным импульсным лазером производства НПО "Полюс" (Москва). Длительность импульсов излучения 5-7 нс, частота 0,1 Гц, энергия в импульсе 0,1 Дж, длина волны излучения 1,079 мкм, величина l_опт около 2,5 мм (средняя мощность излучения 0,01 Вт). Свободно горящая дуга возбуждалась в потоке аргона на прямой и обратной полярности от лабораторного сварочного источника с регулируемым напряжением холостого хода (номинальный ток источника 20 А) между электродом сварочной горелки и изделием (пластина из нержавеющей стали). В качестве электродов использовали вольфрамовую проволоку диаметром 1 мм и проволоку марок Св-08Г2С диаметром 1,2 мм и Св-06Х18Н9Т диаметром 2 мм. Опыты показали, что в тех случаях, когда лазерный пучок направляли в зазор перпендикулярно к оси электрода, дуга возбуждалась лишь при очень малых дугового промежутка - не более 1 мм. Например, вероятность возбуждения дуги длиной 0,8 мм при напряжении сварочного источника 80-100 В составляла всего 30-35%. Уменьшение угла между осью лазерного пучка и электродом до 30^о позволило получить такую же вероятность возбуждения дуги при длине промежутка 2,2 мм и обеспечить 100%-ную вероятность возбуждения для длин дуги 1-2 мм при напряжении холостого хода источника сварочного тока 80-100 В соответственно.