способ зажигания дуги с контролируемым прилипанием электрода при ручной дуговой сварке

Формула изобретения

1. Способ зажигания дуги с контролируемым прилипанием электрода при ручной дуговой сварке, включающий касание электродом свариваемой детали в месте начала сварного шва и возбуждение дуги в момент отрыва электрода от детали, при этом момент касания электродом детали и момент отрыва электрода от детали детектируют путем измерения тока и напряжения в межэлектродном пространстве, формируют режим ограничения тока короткого замыкания, отличающийся тем, что для создания контролируемого прилипания в момент касания электродом детали формируют кратковременный начальный режим горячего пуска с повышенным током для нагрева электрода, режим ограничения тока короткого замыкания осуществляют током, достаточным для поддержания электрода в нагретом состоянии, а возбуждение дуги в момент отрыва электрода от детали осуществляют повторным режимом горячего пуска с повышенным током.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что режим кратковременного начального горячего пуска осуществляют током 1.5-2.0 установленного сварочного тока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность режима кратковременного начального горячего пуска составляет 0.5-1.0 с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение тока в режиме ограничения тока короткого замыкания выбирают от 0.1 до 0.3 установленного сварочного тока.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение установленного сварочного тока задают путем ручной уставки микропроцессорного блока управления, который рассчитывает остальные параметры режимов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение токов соответствующих режимов устанавливают путем изменения углов управления тиристоров.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к технологии дуговой сварки плавящимся электродом, в частности к способу управления зажиганием сварочной дуги при ручной сварке покрытым электродом после разрыва короткого замыкания электрода на деталь.

Известный уровень техники

Известен способ зажигания дуги - "чирканьем". Данный способ осуществляет зажигание путем перемещения электрода по поверхности детали. Способ применяется, например, при сварке покрытым электродом с использованием сварочного выпрямителя [Сварка и резка металлов: Учебное пособие. / Под ред. Ю.В.Казакова. - М.: Изд. Центр "Академия", 2002, - с.116]. На стадии промежуточных прерывистых коротких замыканий, которые возникают при скольжении электрода по поверхности свариваемой детали, идет разогрев торца электрода, а в конце движения с момента прекращения скольжения происходит установление дугового разряда за счет развития процессов автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии с катода, а также термической ионизации в межэлектродном промежутке.

Устройство для реализации данного способа представляет собой, например, сварочный выпрямитель марки ВД-306, содержащий трехфазный силовой трансформатор, выходные обмотки которого соединены с диодным выпрямительным блоком, выполненным по мостовой схеме. Один из выходов диодного выпрямительного блока соединен с покрытым электродом, а другой - с деталью. Устройство содержит регулировочный винт, который изменяет взаимное положение первичных и вторичных обмоток и этим позволяет сварщику выбрать необходимый рабочий ток сварки.

Недостатком данного способа является низкая надежность зажигания сварочной дуги и низкая точность позиционирования начальной точки установления дугового процесса.

Низкая надежность зажигания обусловлена тем, что зажигание дуги в момент отрыва электрода от детали происходит на холодном участке. В процессе зажигания дуги эффект термоэлектронной эмиссии незначителен.

При движении электрода по поверхности детали, т.е. при зажигании чирканьем, трудно совместить место надежного зажигания с необходимым местом начала сварного шва. Поэтому при дальнейшем перемещении электрода с временно возникшей дугой по детали к месту начала сварного шва на детали остаются следы воздействия дуги.

Кроме того, поскольку в устройстве отсутствуют элементы управления зажиганием дуги, надежность зажигания дуги зависит от мастерства сварщика.

Известен способ зажигания дуги "касанием". Данный способ применяется при сварке покрытым электродом, например, при использовании сварочного выпрямителя [Сварка и резка металлов: Учебное пособие. / Под ред. Ю.В.Казакова. - М.: Изд. Центр "Академия", 2002, - с.116].

Для реализации данного способа может быть использован также сварочный выпрямитель марки ВД-306.

Сварщик касается электродом поверхности свариваемой детали, при этом источник питания переходит в режим короткого замыкания с током, в 1.2-2.0 раза превышающим рабочий сварочный ток. В микроконтактах электрода с деталью металл разогревается и даже расплавляется. При последующем резком отводе электрода от детали микроконтакты разрываются, иногда с испарением перемычки. В межэлектродном пространстве (где роль анода обычно выполняет покрытый электрод, а роль катода - свариваемая деталь) развиваются процессы автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии с горячего катода, а также термическая ионизации паров металла и газа. С появлением большого количества носителей тока - электронов и положительных ионов - между электродом и деталью возникает дуга, т.е. самостоятельный электрический разряд в газах и продуктах испарения металлических электродов и компонентов покрытия.

Недостатком данного способа является низкая надежность зажигания дуги, поскольку процесс зажигания может прерваться на стадии короткого замыкания в результате кристаллизации жидких перемычек между электродом и деталью, т.е. прилипания электрода. Точность позиционирования начальной точки установления дугового процесса в данном способе несколько выше, однако, в целом он имеет те же недостатки, что и способ зажигания дуги чирканьем. Этот процесс также трудно управляем и зависит в основном от мастерства сварщика, его опыта при выборе режима.

Известны способы зажигания дуги, использующие так называемый мягкий (холодный) пуск (soft, cold start) или режим "против прилипания" (antistick) [Схемотехника инверторных источников питания для дуговой сварки/ Верещаго Е.Н., Квасницкий В.Ф., Мирошниченко Л.Н. и др. - Николаев: УГМТУ, 2000, - с.189]. Вероятность прилипания при использовании этих способов снижается за счет уменьшения тока короткого замыкания до 0.1-0.3 от рабочего сварочного. Такое снижение тока короткого замыкания и длительности его воздействия не допускает перегрева короткозамкнутого электрода, т.е. не приводит к плавлению микроконтактов на торце электрода с образованием жидких перемычек и увеличению площади контакта.

Однако данный способ обладает низкой надежностью зажигания дуги, поскольку процесс зажигания может прерваться сразу после короткого замыкания уже на стадии установления дугового разряда, если электрической мощности источника недостаточно для устойчивого горения дуги, т.е. поддержания межэлектродного промежутка в достаточно нагретом и ионизированном состоянии. Кроме того, данный режим не устраняет самого факта прилипания.

Известен способ зажигания дуги, использующий так называемый "горячий пуск" (hot start) [Металлургия дуговой сварки: Процессы в дуге и плавление электродов/ Походня И.К., Горпенюк В.Н. и др. - Киев: Наукова думка, 1990. - 224 с.]. Режим "горячий пуск" обеспечивает начальный ток, превышающий рабочий сварочный в 1.4-2.0 раза в течение нескольких секунд, что приводит к быстрому разогреву электрода, уменьшая тем самым вероятность кристаллизации жидких перемычек, т.е. прилипание электрода. Его параметры принимают по совокупности выполнения трех требований: предотвращения прилипания электрода, надежного установления дугового разряда, улучшения качества начального участка шва.

Обычно для выполнения этих требований (особенно для получения начального участка шва без пор) при горячем пуске в зависимости от типа электродного покрытия выбирают ток горячего пуска ˜1.4 от установленного сварочного тока, а время горячего пуска 1-3 с.

Недостатком данного способа является то, что полной гарантии отсутствия прилипания он не дает, поскольку главным в его назначении является все же улучшение качества начального участка шва, по которому и выбирают параметры горячего пуска.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ возбуждения дуги по устройству [Патент RU, 2066605. Источник питания для дуговой сварки, устройство для возбуждения дуги и устройство защиты от перегрузки по току; оп.20 августа 1996 года].

Способ осуществляется следующим образом. В исходном режиме холостого хода напряжение ограничено величиной около 15 В. Таким образом, с момента касания электродом детали создается режим ограничения короткого замыкания, в котором протекает небольшой ток, используемый для детектирования факта короткого замыкания. В момент размыкания электродов с небольшой задержкой устройство управления подключает к электродам силовой источник питания с напряжением около 70 В. Возникает режим возбуждения, в межэлектродном промежутке зажигается дуга.

Способ позволяет установить зону зажигания дуги в начале сварного шва, т.е. обеспечить точное позиционирование. Кроме того, начальный режим ограничения тока короткого замыкания в момент касания электродом детали и включение режима возбуждения дуги после отрыва электрода от детали устраняют эффект прилипания электрода.

Недостатком данного способа является низкая надежность зажигания дуги, поскольку зажигание происходит ненагретым электродом. Ток, протекающий от источника через электрод в режиме ограничения тока короткого замыкания, не обеспечивает нагрева электрода. Основная функция тока в режиме - измерительная, чтобы обнаружить момент касания электродом свариваемой детали и момент отрыва электрода от свариваемой детали. Таким образом, напряжения холостого хода силового источника питания может не хватить для зажигания дуги при сварке покрытым электродом, где для развития термоэлектронной эмиссии необходим нагрев электрода.

Задачей изобретения служит увеличение надежности зажигания дуги при обеспечении точности позиционирования.

Данная задача решается тем, что в способе зажигания дуги с контролируемым прилипанием электрода при ручной дуговой сварке, включающем касание электродом свариваемой детали в месте начала сварного шва и возбуждение дуги в момент отрыва электрода от детали, где момент касания электродом детали и момент отрыва электрода от детали детектируют путем измерения тока и напряжения в межэлектродном пространстве и формируют режим ограничения тока короткого замыкания, для создания контролируемого прилипания в момент касания электродом детали формируют кратковременный начальный режим горячего пуска с повышенным током для нагрева электрода, режим ограничения тока короткого замыкания осуществляют током, достаточным для поддержания электрода в нагретом состоянии, а возбуждение дуги в момент отрыва электрода от детали осуществляют повторным режимом горячего пуска с повышенным током.

Кроме того, режим кратковременного начального горячего пуска осуществляют током 1.5-2.0 от установленного сварочного тока, а длительность режима кратковременного начального горячего пуска составляет 0.5-1.0 с.

Значение тока в режиме ограничения тока короткого замыкания выбирают от 0.1 до 0.3 от установленного сварочного тока.

Значение установленного сварочного тока задают путем ручной уставки микропроцессорного блока управления, который рассчитывает остальные параметры режимов. Значение токов соответствующих режимов устанавливают путем изменения углов управления тиристоров.

Введение режимов начального кратковременного горячего пуска, который обеспечивает точечное прилипание электрода и формирование последующего ждущего режима, который поддерживает электрод в нагретом состоянии и не позволяет увеличиваться площади микроконтакта, обусловило новое свойство способа - состояние "контролируемого прилипания" электрода. Состояние контролируемого прилипания обеспечивается за счет размягчения или частичного расплавления торца электрода в микроконтактах, что предотвращает прочное прилипание электрода.

Использование повторного режима горячего пуска обусловило надежное установление дугового разряда, поскольку обеспечило благоприятное развитие явлений автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии с катода, а также термической ионизации в межэлектродном промежутке,

Таким образом возбуждение дуги идет в три этапа. Сначала в момент касания электродом детали формируют кратковременный начальный режим горячего пуска, достаточный для разогрева электрода. По истечении времени первого этапа создают режим ограничения короткого замыкания, причем уровень тока формируют достаточным для поддержания электрода в нагретом состоянии, без увеличения площади контакта и прочного прилипания, осуществляя тем самым контролируемое прилипание. Затем в момент отрыва электрода от детали осуществляют повторный режим горячего пуска с повышенным током, в результате чего в межэлектродном пространстве зажигается дуга. В совокупности эти этапы позволили повысить надежность зажигания дуги.

Кроме того, использование режима ограничения тока короткого замыкания позволяет стабильно зажигать сварочную дуги неопытному сварщику, не допуская при этом выхода из строя силовых элементов сварочного аппарата.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображены временная диаграмма тока и напряжения дуги, а также положения электрода, на фиг.2 дана осциллограмма зажигания сварочной дуги, на фиг.3 приведена схема устройства.

Устройство содержит силовой трехфазный трансформатор 1, выводы первичных обмоток которого W₁₁, W₁₂ и W₁₃ подключены к трехфазной сети (фиг.3). Выводы вторичных обмоток W₂₁ , W₂₂ и W₂₃ силового трансформатора 1 соединены с входами выпрямительного блока 2. Выпрямительный блок 2 может быть выполнен, например, по симметричной трехфазной мостовой схеме на тиристорах VS1-VS6. Первый выход выпрямительного блока 2 соединен через дроссель 3 с электрододержателем 4 и покрытым электродом 5, а второй выход через измерительный шунт 6 с деталью 7. Выводы измерительного шунта 6 соединены соответственно с первым и вторым измерительным входом блока 8 управления, третий и четвертый измерительные входы которого соединены соответственно с электрододержателем 4 и деталью 7. В качестве блока управления 8 может быть использован контроллер PIC 18F452. Управляющие выходы блока 8 управления соединены с управляющими входами выпрямительного блока 2, которые являются одновременно управляющими электродами тиристоров VS1-VS6. Кроме того, выход устройства ввода информации подключен к информационному входу блока 8 управления, а вход блока 10 индикации подключен к информационному выходу блока 8 управления.

В исходном состоянии t₀-t₁ устройство находится в режиме "ожидания", который характеризуется низким безопасным уровнем напряжения холостого хода и отсутствием тока дуги (фиг.1). Затем в момент t₁ сварщик касается электродом изделия непосредственно в точке начала сварного шва, устройство переходит в режим кратковременного начального горячего пуска с током, в 1.5-2.0 раза превышающим рабочий сварочный ток. Длительность t₁-t₂ импульса тока составляет 0.5-1.0 с. Ток и длительность импульса выбираются из условия обеспечения разогрева или расплавления небольшого участка (микроконтакта) торца электрода. Затем в момент времени t₂ путем регулирования углов запуска тиристоров VS1-VS6 ток уменьшают до уровня 0.1-0.3 от установленного сварочного тока и разогретый металл микроконтакта обеспечивает слабое прилипание электрода. Электрод в состоянии "контролируемого прилипания" может находиться достаточно длительное время t₂-t₃, произвольно выбираемое сварщиком. Ток в этот период, с одной стороны, должен поддерживать микроконтакт 11 в горячем состоянии, а с другой стороны, не позволить увеличиться площади микроконтакта. Затем сварщик в момент времени t₃, прилагая незначительное усилие, разрывает микроконтакт. Разрыв может быть осуществлен либо вертикальным движением электрода вверх, либо наклоном электрода с опиранием на покрытие. В месте разрыва микроконтакта 11 зажигается дуга 12. Момент отрыва электрода 5 от детали 7 детектируется блоком 8 управления по скачку напряжения дуги и затем блок 8 управления формирует повторный режим горячего пуска в период времени t₃-t₄ путем регулирования углов запуска тиристоров VS1-VS6 выпрямительного блока 2. Режим повторного горячего пуска поддерживается в течение 1.0-3.0 с. Данного времени достаточно для установления надежного дугового разряда. Затем система выходит на рабочий режим со сварочным током, достаточным для установления процессов плавления электродного и основного металлов и процессов переноса металла. Все значения токов, а также длительности режимов задаются с помощью устройства ввода информации 10 и отображаются на дисплее блока 10 индикации.

Установлено, что на оптимальных режимах зажигание происходит практически со 100% вероятностью без прочного прилипания электрода и без обрывов дуги. Были испытаны режимы сварки на токах от 50 до 270 А электродами марок УОНИ13/55, ТМЛ-1У, ОЗС-4, ОСЗ-12, ОК-46, ВСЦ-4М по методике ГОСТ 25616-83 "Источники питания для дуговой сварки. Методы испытания сварочных свойств". Надежность зажигания оценена 5 баллами на всех режимах. При испытании по объективной методике установлено, что предельная начальная длина дуги при зажигании составляет от 11 до 19 мм.

Для иллюстрации метода с контролируемым прилипанием были сняты осциллограммы зажигания дуги на выпрямителе марки ВДУ-506 МТ с использованием покрытого электрода диаметром 3 мм марки УОНИ 13/55 (фиг.2).

Видно, что в исходном состоянии t₀-t₁ напряжение холостого хода ограничено величиной 14 В. С момента короткого замыкания блоком 8 управления формируется режим кратковременного начального горячего пуска с током 150 А длительностью t₁ -t₂, равной 0.6 с. Далее в интервале t₂ -t₃ следует режим контролируемого прилипания с током 30 А, длительность которого не регулируется, а зависит только от реакции сварщика (в данном случае 0.9 с). С момента наклона прилипшего электрода 5 (разрыва короткого замыкания) идет интервал t₃-t₄ режима повторного горячего пуска с током 150 А и длительностью 2. После надежного установления дугового разряда блок 8 управления переводит выпрямительный блок 2 к установленному режиму сварки с током 100 А и напряжением 24 В.

Несколько экспериментов было прервано на стадии контролируемого прилипания с целью определения прочности перемычки, возникшей при начальном кратковременном горячем пуске. При использовании электродов диаметром от 2 до 6 мм и времени кратковременного начального горячего пуска от 0.1 до 3 с, но при сохранении постоянными величины тока кратковременно начального горячего пуска 1.5 от установленного сварочного тока, а также при ограничении тока короткого замыкания в режиме контролируемого прилипания на уровне 30 А и времени режима ограничения тока короткого замыкания 0.6 с прочность микроконтакта (перемычки) при вертикальном отрыве составила 3-7 Н, а при наклоне электрода 0.5-2 Н. Таким образом, усилия, которые необходимо приложить сварщику для отрыва электрода с использованием способа с контролируемым прилипанием, незначительны и не превышают значений при ручной сварке покрытым электродом с использованием традиционных способов зажигания.