Full Text

Для того чтобы дуга могла использоваться для сварки металла, она должна иметь необходимые энергетические характеристики и достаточную устойчивость горения. Под термином «устойчивость» обычно понимается способность дуги к продолжительному горению после ее зажигания [1]. Режим горения дуги, который существует в течение неограниченного времени в отсутствии возмущений и характеризуется каким-либо отличным признаком, называется равновесным. Если отклонение режима от исходного равновесия под действием возмущений в течение интересующего нас времени не превышает допустимого значения, то равновесный режим считается устойчивым по отношению к данным возмущениям. При анализе устойчивости обычно удовлетворяются знанием лишь интегральных величин, таких, например, как напряжение и ток дуги, определяющих ее энергетическое состояние, и аналогичных величин, определяющих ее пространственное положение, форму и движение (длина, диаметр, скорость перемещения). Соответственно, при этом говорят об энергетической или пространственной устойчивости [2, 3]. Устойчивость дуги определяется следующими условиями: способностью внешней цепи поддерживать напряжение, необходимое для горения разряда, и способностью эмиссионных процессов, обеспечивающих ток на катоде дуги, протекать в условиях ограниченного тока, величина которого определяется параметрами цепи. Для дуг в любых средах, кроме вакуума, важны оба эти условия. В дуге полное падение напряжения на разряде может стать большим и достичь величины напряжения внешней цепи. Тогда условие устойчивости ее горения не будет выполняться и разряд должен погаснуть. Процессы в дуге можно в определенной мере стабилизировать (повысить устойчивость горения дуги и уменьшить разбрызгивание металла) соответствующим выбором электрических параметров источников тока и сварочной цепи, что достигается установлением определенной формы вольт-амперной характеристики источника тока и его динамических свойств. Возможности такой стабилизации подробно исследованы Б.Е. Патоном и В.К. Лебедевым [1], В.П. Никитиным, И.Я. Рабиновичем [4], В.К. Лебедевым и М.Н. Сидоренко [5], И.И. Зарубой [6], Ф.Г. Потапьевским, Д.Б. Кейтом и др. Этот способ можно назвать внешним способом регулирования технологических свойств дуги. Другой способ заключается в активном воздействии на процессы сварки в самой дуге путем введения в дугу различных веществ, которые можно разделить на три группы: легкоионизируемые (в первую очередь щелочные), электроотрицательные и элементы, повышающие эмиссионную способность электродов. Введение в состав электродного покрытия веществ с низким потенциалом ионизации способствует улучшению устойчивости горения дуги. Изучение влияния ионизаторов на устойчивость электрической сварочной дуги привело к мнению о том, что решающее влияние на повышение стабильности имеют пары ионизаторов, попавшие в столб дуги. Пары обеспечивают повышение степени ионизации плазмы и повышают электропроводность столба. Однако не все имеющиеся экспериментальные факторы подтверждают такую точку зрения. Г.М. Тихоедов в одной из своих ранних работ о роли ионизаторов и деионизаторов в сварочной дуге утверждал, что стабильность горящей дуги постоянного тока определяется не ионизацией столба, а эмиссионной способностью катода дуги: вещества, улучшающие эмиссию, повышают устойчивость [7]. В случае сварочной дуги существует множество возмущающих факторов: колебания напряжения, определяемые источником питания; непрерывное перемещение дуги на новые участки свариваемого изделия; перенос и плавление металла; неравномерность и неоднородность потока частиц, поступающих в межэлектродный промежуток, и т.д. Наличие легкоионизируемых элементов в атмосфере дугового разряда стабилизирует положение катодного пятна и изменяет характер разряда, позволяя при достаточной их концентрации получать диффузионную привязку разряда на катоде, что существенно влияет на характер плавления и переноса электродного металла [8]. Первые попытки объяснить механизм действия легкоионизируемых добавок на стабильность дуги и перенос электродного металла предпринимались еще в 1936-1938 гг. По мнению П.П. Буштедта, а также авторов более поздних работ [9], положительное влияние стабилизирующих веществ вызвано усилением электронной эмиссии на катоде вследствие уменьшения работы выхода электронов. Согласно другой гипотезе, разработанной К.К. Хреновым [10] и Г.И. Лесковым [8], действие стабилизирующих элементов на устойчивость дуги обусловлено испарением используемого вещества, диссоциацией продуктов испарения в дуге и термической ионизацией газов и металлических паров. Такое действие обусловлено тем, что атомы щелочных элементов при нахождении их в межэлектродном промежутке благодаря большим сечениям столкновений с электронами [11] раньше остальных воспринимают энергию электрического поля, получаемую от электронов при столкновениях с ними. Как отмечал И.В. Кирдо [12], повышение стабильности дуги переменного тока возможно путем воздействия на каждый из двух процессов, определяющих ход повторного зажигания дуги, на процесс ионизации в объеме газа и на величину остаточной термоэлектронной эмиссии. На увеличение длительности существования остаточной проводимости межэлектродного промежутка, являющейся характеристикой устойчивости дуги, как в результате введения в ее столб паров легкоионизируемых элементов, так и при повышении эмиссионной способности, указывалось и Г.И. Лесковым [8]. Поэтому представляется, что при отсутствии достаточных экспериментальных данных обе гипотезы не следует противопоставлять одну другой. Вероятнее всего, гипотезы излагают различные проявления одного и того же процесса поддержания горения дуги и в разной мере оказывают влияние в зависимости от конкретных условий. Стабильность дуги переменного тока в целом определяется характером изменения электрических параметров межэлектродного промежутка от момента перехода тока через нуль до момента зажигания, их величиной и воспроизводимостью в каждом последующем полупериоде. Стабильный процесс сварки на переменном токе характеризуется небольшими пиками напряжения зажигания в начале каждого полупериода или даже их полным отсутствием [1], относительно большим преддуговым током и скоростью его нарастания [8], более высокой проводимостью и длительностью существования остаточной плазмы [8, 12]. Признаками нестабильного процесса являются высокое значение напряжения зажигания, величина которого может достигать напряжения холостого хода источника питания (крайний случай, дуга не возникает), небольшой преддуговой ток и малая скорость его нарастания, низкая проводимость остаточной плазмы. На протяжении многих лет исследователи пользовались полуколичественными оценками стабильности процесса в непосредственной связи с исследуемыми сварочными материалами или источниками питания. Е.М. Кузьмак предложил характеризовать стабилизирующие свойства электродов коэффициентом стабильности, учитывающим частоту естественных обрывов дуги при сварке на переменном токе [13]. Благодаря простоте подобная методика используется иногда и другими исследователями. В.П. Лугин усовершенствовал эту методику, применив специальное устройство для автоматического поджигания дуги после ее обрыва [14]. Широкое распространение при исследовании стабильности горения сварочной дуги получила методика К.К. Хренова [10], основанная на определении среднего значения длины дуги в момент обрыва при многократном повторении одного и того же эксперимента. Испытуемый электрод закрепляется вертикально в штативе, конец электрода находится на расстоянии около двух миллиметров от пластины основного металла. После установки электрода включают сварочный ток и зажигают дугу, замкнув электрод на пластину угольным стержнем. Дуге дают догореть до ее естественного обрыва, который наступает вследствие возрастания длины дуги по мере плавления электрода. Чем больше удается удлинить дугу до ее обрыва, тем устойчивей процесс. Способностью дуги к значительному удлинению называют эластичностью, которая зависит не только от свойств дуги, но и от характеристик источника питания. Данная методика оценивала эластичность дуги при ее сравнительно плавном и медленном удлинении. В реальном процессе могут наблюдаться и скачкообразные изменения длины дуги, вызванные как вертикальными, так и горизонтальными движениями электрода. В этом случае необходимо также учитывать и динамические свойства источника, в частности значение индуктивности в его цепи. После отрыва капли от электрода длина дуги увеличивается скачкообразно, что приводит к резкому увеличению напряжения и снижению тока. Обрыв дуги, как правило, происходит именно в момент очередного переноса капли. Таким образом, капельный перенос снижает эластичность дуги. Г.Н. Тиходеев [7] предложил измерять напряжение дуги раздельно в полупериоды прямой и обратной полярности. При этом напряжение зажигания суммируется с напряжением на дуге. Этот метод позволяет в какой-то мере получить оценку стабильности дуги и не требует применения сложной аппаратуры. После погасания дуги при очередном переходе тока через нуль остаточная плазма быстро остывает и ее проводимость быстро падает. Длительность существования остаточной плазмы и величина ее проводимости в значительной мере определяют характер и параметры повторного зажигания дуги и, по мнению И.К. Походни [15], могут служить достаточно объективным критерием оценки ее стабильности. И.В. Кирдо измерял проводимость остаточной плазмы в зависимости от условий сварки и состава электродного покрытия методом зондирования межэлектродного промежутка [12]. При исследовании процесса сварки толсто покрытыми электродами возникают серьезные методические трудности из-за малой длины дуги и наличия глубокой втулки из покрытия. По данным Л.Г. Шафранского и А.В. Абрашина [16], более удобно зондировать межэлектродный промежуток напряжением холостого хода источника питания. Однако высокое напряжение может способствовать разогреву остаточной плазмы и тем самым искажать результаты экспериментов. Г.И. Лесковым предложено оценивать стабильность дуги по скорости нарастания тока при повторном ее зажигании в каждом полупериоде [8]. Скорость нарастания тока регистрируется на экране осциллографа в виде фазовых траекторий. Производная dI/dt не меняет знак, но в момент перехода через нуль ее значение существенно уменьшается. Расстояние характеризует значение производной и может служить объективным критерием оценки стабилизирующих свойств покрытия. Использование нелинейных шунтов позволяет значительно увеличить точность измерения тока в области малых значений. Однако В.Ю. Арлазаускас и И.Р. Нарушкевичус [17] показали, что этим методом невозможно сравнить стабильность дуги при сварке на различных сварочных токах, так как скорость изменения тока (dI/dt) при переходе его через нуль определяется его амплитудным значением (при постоянной частоте), т.е. чем меньше ток, тем ниже значение dI/dt. Это значит, что при малых токах горение дуги невозможно, что не подтверждается экспериментами. В связи с этим авторы предложили оценивать стабильность повторного зажигания (по фазовым траекториям) по отношению минимальной скорости изменения сварочного тока в процессе повторного зажигания дуги к максимальной скорости изменения тока перед погасанием дуги. Авторы данной работы считают, что использование подобного коэффициента удобно, так как отпадает необходимость в градуировке приборов и измерении абсолютных величин производных, но для достоверного определения величины коэффициента требуется длительное наблюдение за фазовыми траекториями (сварка тремя-пятью электродами). К сожалению, в данной работе отсутствуют конкретные примеры использования этой методики, поэтому трудно оценить ее достоверность и удобство. По мнению В.А. Троицкого, скорость перехода тока через нуль определяется только характеристикой источника питания, и, следовательно, влияние свойств сварочных материалов на dI/dt должно быть незначительно. И.И. Заруба и В.В. Дыменко [6] попытались объединить в одном показателе параметры переноса металла, повторного зажигания дуги, свойств плазмообразующего газа и сварочных трансформаторов. Они указывают, что использовать этот показатель можно тогда, когда перенос металла осуществляется без коротких замыканий. Этот метод не может получить широкого применения из-за большой трудоемкости. К тому же он неприемлем для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, так как в этом случае перенос металла осуществляется преимущественно с коротким замыканием. В методике А. Бессона [15] стабилизирующие свойства сварочных электродов оцениваются по степени искажения кривой сварочного тока, определяемой как отношение тангенсов углов b и a. Чем ближе указанное соотношение к единице, тем выше стабильность дуги. Степень искажения кривой тока зависит как от электрических свойств дуги, так и от конструктивных особенностей трансформатора, и критерий А. Бессона учитывает это. Согласно анализу, выполненному Т.С. Саладженом и С. Боарном [15], этот критерий может включать в себя характеристики конструкции трансформатора. Исследования по определению данного критерия, проведенные в этой работе, показали, что критерий достаточно верно отражает влияние характеристик сварочных материалов и трансформатора. Однако точное определение положения касательных по осциллограммам тока затрудненно. В связи с этим возникает большая погрешность метода, что является серьезным недостатком методики А. Бессона. Пути повышения точности оценки (одновременно усложняющие ее) предложены в работе. Л. Дорн и П. Риппл предлагают оценивать стабильность горения дуги постоянного и переменного тока по площади «рабочего поля» характеристики Uд = f(Iсв), получаемой на катодном осциллографе (дисплее, графопостроителе) путем наложения множества кривых Uд = f(Iсв) одной на другую за определенное время сварки, в результате чего образуется засвеченное «рабочее поле». Чем меньше площадь этого поля, тем стабильнее дуга. Замечено, что «рабочее поле» по напряжению дуги у электродов с основным типом покрытия меньше, чем с рутиловым, несмотря на худшие стабилизирующие свойства первых. Приближенным к требованиям практики является метод, основанный на определении минимального напряжения холостого хода сварочного трансформатора , при котором дуга горит еще без обрывов [1]. При этом предполагается использование трансформатора с регулируемым Uх.х. Одним из недостатков метода является необходимость регистрации обрыва дуги, который заметен, когда дуга либо погасла окончательно, либо погасла и вновь самостоятельно возбудилась через промежуток времени, превышающий 0,2-0,5 с. Число таких полупериодов, когда дуга не зажигается, но окончательного обрыва дуги не происходит, может достигать 20 % от общего числа полупериодов. Такой процесс горения дуги стабильным назвать нельзя. На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод, что стабильность горения дуги переменного тока определяют процессы, протекающие в переходный период. Дуга устойчива, если потери тепла в окружающее пространство компенсируются подводимой электрической мощностью. Исходя из условия динамической устойчивости дугового промежутка в области нулевых значений тока, описанных в работе [8], следует, что стабильность лучше всего характеризовать показателями, отражающими сопротивление (проводимость) межэлектродного промежутка. Необходимо отметить, что большинство рассмотренных выше методик оценивают стабильность процесса горения дуги переменного тока. При сварке покрытыми электродами на постоянном токе нарушения процесса горения дуги связаны, чаще всего, с переносом капель электродного металла, особенно если процесс сопровождается короткими замыканиями дугового промежутка. Шунтирование дуги каплей приводит к ее погасанию, однако полной деионизации межэлектродного промежутка не происходит. В конце короткого замыкания образуется тонкая перемычка сильно перегретого металла с частичным его испарением. В такой парогазовой фазе дуга легко возбуждается вновь. Перенос электродного металла можно оценивать по длительности коротких замыканий. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют об информативности этого показателя. В последнее время участилось применение для оценки стабильности дуги постоянного тока информационно-измерительных систем, включающих в себя ЭВМ, что позволило использовать для этого методы математической статистики и выделить несколько критериев. Так, авторы ряда работ предлагают оценивать стабильность дуги постоянного тока по дисперсии мгновенных значений напряжения дуги Uд при многократном его измерении. Чем меньше значение дисперсии, тем стабильнее горит дуга. У электродов с рутиловым покрытием (с высокими стабилизирующими свойствами) значения дисперсии больше, чем у электродов с основным покрытием и низкими стабилизирующими свойствами. Это обусловлено различием в характере переноса металла. Чем меньше размер капель электродного металла, тем выше частота их переноса и тем чаще напряжение дуги отклоняется от среднего значения. При крупнокапельном переносе металла (характерном для электродов с основным видом покрытия) эти колебания напряжения дуги значительно реже и, соответственно, меньше дисперсия. Таким образом, наличие обратно пропорциональной связи между стабильностью дуги и значением дисперсии подтверждается не всегда. На стабильность горения сварочной дуги оказывают влияние множество факторов: - компоненты, входящие в покрытие; - характеристики источника питания; - колебания напряжения сети; - качество и состояние электродов (влажность электродов, эксцентричность покрытия и пр.); - качество подготовки металла под сварку (наличие оксидов металла, масляных пленок и др.); - навыки сварщика (если ручной способ сварки) и другие возмущающие факторы, влияющие на устойчивость дугового процесса. Поэтому при оценке стабильности горения дуги необходимо учитывать максимальное количество влияющих факторов или наиболее важные из них. Состав покрытия, род и полярность тока оказывают большое влияние также на характер плавления и переноса электродного металла, которые, в свою очередь, определяют технологические особенности процесса сварки: форму шва, разбрызгивание, возможность сварки в различных пространственных положениях и др. Для количественной оценки стабильности дуги постоянного тока можно использовать значения длительности коротких замыканий (при их наличии), напряжения горения дуги, тока сварки, тока короткого замыкания и др. с использованием анализа распределения Uд и Iсв и методов поэтапной обработки гистограмм. Для более точной оценки стабилизирующих свойств покрытия широко используется осциллографирование изменения сварочного тока и напряжения. Так, например, по количеству коротких замыканий при сварке оценивается стабильность горения сварочной дуги. Разработанная на кафедре сварочного производства и технологии конструкционных материалов ПНИПУ методика оперативной оценки стабильности горения дуги по динамическим характеристикам сварочного тока и напряжения была применена для исследования влияния состава покрытия электродов на стабильность горения дуги. Приняв за параметр оптимизации отфильтрованный коэффициент вариации сварочного тока, коэффициенты уравнения регрессии находили методом наименьших квадратов с применением алгебры матриц. При анализе экспериментальных данных были рассмотрены неотфильтрованные (рис. 1) и отфильтрованные (рис. 2) значения сварочного тока и напряжения. Рис. 1. Осциллограммы неотфильтрованных сварочного тока Iсв (верхняя кривая) и напряжения Uд×3 (нижняя кривая) при сварке электродами 1800 Очень высокая корреляция наблюдается между расчетными значениями коэффициентов вариации по отфильтрованному току и напряжению. Коэффициент корреляции составляет 0,917. Это хорошо иллюстрирует рис. 3. Осциллограммы тока напряжения хорошо иллюстрируют стабильность процесса сварки. Так, у осциллограмм с высокими коэффициентами вариации значительно больший разброс тока и напряжения. Также интерес представляет и характер распределения сварочного тока и напряжения при сварке. На рис. 4 приведены гистограммы распределения сварочного тока и напряжения при сварке электродами 1800 (с самыми низкими коэффициентами вариации). Рис. 2. Осциллограммы отфильтрованных сварочного тока Iсв (верхняя кривая) и напряжения Uд×3 (нижняя кривая) при сварке электродами 1800 Рис. 3. Корреляционное поле между значениями коэффициентов вариации по отфильтрованным току и напряжению Рис. 4. Гистограммы распределения отфильтрованных сварочного тока Iсв и напряжения Uд для электрода 1800 Наглядно характеризует процесс горения дуги и «рабочее поле» зависимость между напряжением и током (рис. 5). Рис. 5. «Рабочее поле» при сварке электродами 1800 (ток и напряжение отфильтрованы) По результатам регрессионного анализа установлено, что наиболее информативным показателем оценки стабильности горения сварочной дуги является коэффициент вариации для значений фильтрованного тока, который может быть выбран для дальнейшей оптимизации состава покрытия электродов. Для получения числовых данных динамических характеристик сварочного тока может быть применена методика оценки стабильности горения сварочной дуги, усовершенствованная на кафедре сварочного производства и ТКМ ПНИПУ.

About the authors

I. Iu Letiagin

Perm National Research Polytechnic University

Email: letyagin@pstu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 63

PDF (Russian) - 602

Refbacks

• There are currently no refbacks.