Full Text

Введение Благодаря универсальности в отношении сварки сталей покрытыми электродами и в аргоне вольфрамовым электродом на постоянном токе, а также очистке алюминиевого катода в дуге с импульсами тока прямоугольной формы, установки с разнополярными импульсами тока находят все большее применение [1]. Процесс дуговой сварки с переменной полярностью VP-GTAW имеет значительную перспективу в отношении сварки алюминиевых сплавов средней толщины. Однако в VP-GTAW постоянная смена полярности тока между отрицательным (EN) и положительным (ЕР) электродами может вызывать колебания тепловой мощности и силового воздействия дуги во время сварки, что затрудняет контроль стабильности VP-GTAW [2]. Актуальным по-прежнему является определение общей тепловой эффективности дуги VP-GTAW в зависимости от соотношения значений полярности и тока импульсов. Кроме того, необходим выбор оптимальных значений тока нагрузки для обеспечения длительной стойкости вольфрамовых электродов и качественной очистки поверхности алюминия [3]. Ввиду этого исследование различий теплопередачи и ее эффективности в дуге переменной полярности важно для выбора оптимальных характеристик теплопередачи и обеспечения стабильности процесса сварки. По-видимому, процессы на плавящихся катодах-изделиях во многом подобны, несмотря на разницу в значениях температуры их плавления, так как значения температуры кипения таких металлов, как железо, алюминий, медь, достаточно близки [4]. Исходя из этого, результаты определения эффективной мощности на изделиях из разных металлов при сварке плавящимся электродом также представляют интерес для определения значений мощности в VP-GTAW. В работе [5] сравнивались значения эффективной мощности свободной и сжатой дуг и установлено, что эффективный КПД η свободной дуги выше, чем сжатой, из-за дополнительных потерь энергии в канале плазмотрона. В работе [6] приведены данные об эффективном КПД дуги с плавящимся электродом при сварке алюминия. Минимальное значение - η = 73 %, максимальное - η = 91 %, размах варьирования Δη = 18 %. Следовательно, среднее значение η можно оценить как η = (82 ± 9) %. Данные работы [6] хорошо совпадают с результатами, полученными в источнике [7]. В работе [8] также определено значение эффективного КПД - η = 81 % - на токе 200 А при мелкокапельном переносе электродного металла. При этом установлен вклад электродного металла в полную эффективную мощность и оценена составляющая мощности, передаваемая детали потоками плазмы. В работе [9] исследовалось проплавление пластины из сплава Al-Mg 5083 толщиной 10 мм при скорости сварки 0,8 мм/с способом VР-PAW. Ток сварки составлял 125 А, погонная энергия дуги 1300 Дж/мм. Отсюда следует, что эффективная мощность дуги была порядка q = 1040 Вт, а удельная эффективная мощность на 1 А тока q1 = 8,32 Вт/А. Длина дуги поддерживалась 2 мм, расход защитного аргона составлял 30 л/мин. Использовался вольфрамовый электрод диаметром 3,2 мм. Доля времени импульсов обратной полярности EР изменялась от 20 до 70 % периода при частоте импульсов 60 Гц. Таким образом, минимальный средний за период ток импульса EР составлял 25 А, а максимальный 87,5 А. Последний ток весьма значителен для неплавящегося электрода такого диаметра. Глубина проплавления линейно увеличивалась с увеличением длительности EР с 0,2 до 1,2 мм при существенном разбросе ее значений. Аналогичная зависимость получена для ширины шва. Было установлено, что увеличение частоты импульсов до 240 Гц не приводит к существенному изменению размеров шва. В работе [10] эффективный КПД дуги VP-GTAW при действии дуги на сплавы алюминия исследовался калориметрическим методом. При диаметре электрода 2 мм зависимость от длительности обратной полярности имеет минимум η = 52 %. При значениях диаметра 3 и 4 мм для тока 250 А наблюдалось только снижение η. Интересное явление было обнаружено при увеличении длительности ЕР выше 6,25 мс, которое приводило к оплавлению остро заточенного электрода. Эффективный КПД при этом резко снижался с 58 до 52 %. При постоянном значении времени ЕР эффективный КПД снижался с увеличением тока дуги. Следует отметить, что данные по КПД дуги сложно использовать в инженерной практике, так как необходима и информация о напряжении дуги. В работах [11, 12] приведены данные обзора 27 работ по калориметрированию дуг с неплавящимся электродом, выполненных с 1955 по 2011 г. Из них к алюминиевой детали относятся данные только трех работ. КПД для полярности EN определен в диапазоне 76-89 %, т.е. несколько выше, чем для сталей. КПД полярности EP существенно меньше - η = 52…63 %. Для дуги переменного тока η = 65…83 %, что намного выше, чем было получено в первых исследованиях. Данные по эффективности полярности EP на стальной детали в работах [11, 12] отсутствуют. В работе [13] наряду с исследованием эффективного КПД дуги прямой полярности были получены и данные для дуги обратной полярности на низкоуглеродистой стали при малых значениях тока в диапазоне 30-60 А. Небольшие значения исследованных токов объясняются низкой стойкостью вольфрамового электрода. Эффективный КПД дуги обратной полярности авторы работы [13] оценили в (52 ± 4) %. При этом напряжение дуги составляло 23 В и расчет удельной эффективной мощности на 1 А тока дает нам значение q1 = (12 ± 4) Вт/А. Аналогичный показатель для дуги прямой полярности в диапазоне значений тока 140-180 А составляет, согласно данным работы [13], q1 = 8,7 Вт/А. Таким образом, на обратной полярности при малых токах на 1 А на стали выделяется почти на 40 % больше эффективной мощности, чем на прямой. Можно утверждать, что энергетические характеристики дуг обратной полярности с вольфрамовым электродом на стали и алюминии во многом подобны, о чем свидетельствуют, например, близкие значения напряжения дуг, а также разница значений напряжения в полупериодах в однофазной дуге, приводящая к появлению постоянной составляющей тока. В работе [14] разработана численная математическая модель процесса сварки алюминиевых сплавов дугой VP-GTAW, с помощью которой была оценена относительная тепловая эффективность полярностей при их совместном действии при сварке. Сила тока импульсов была равна 150 А, напряжение дуги принималось усредненным 16 В. Расчеты выполняли для трех значений относительной длительности полярности ЕР в периоде α = 0,15…0,45. КПД дуги прямой полярности принимался ηEN = 70 %, а КПД обратной полярности имел два разных значения относительно прямой полярности - от ηEP = 1,143ηEN до ηEP = 1,286ηEN. С увеличением α более выражен рост площади проплавления при ηEP = 1,286ηEN, который составил 46 % против 23 %. В работе [15] численное моделирование дуги VP-GTAW использовалось для оценки эффективности проплавления алюминиевого сплава АА1060. Толщина пластин составляла 4 мм, скорость сварки 2,5 мм/с. Средний ток дуги за период не изменялся при изменении тока импульсов прямой и обратной полярностей и отношения α. Для расчета эффективной мощности использовали эффективный КПД обеих дуг ηEN = ηEP = 72 %, что не вполне корректно, так как, по данным работ [11-13], КПД дуги обратной полярности ηEP ≈ 50 %. Фиксировались средние значения тока и напряжения дуг в импульсах. Полученные значения эффективной мощности импульсов использовали при численном моделировании размеров сварочной ванны. По итогам моделирования, как и на экспериментальных шлифах, было обнаружено, что ширина шва с обратной стороны пластин иногда больше, чем его ширина в ее срединной области. Такое явление авторы объяснили действием эффекта Марангони, который учитывался в разработанной модели. Сходимость расчетных и опытных размеров шва в работе [15] хорошая, однако на фотографии лицевой стороны шва при α = 30 % видно существенное изменение ширины шва по его длине. В работе [16] при численном моделировании значения баланса полярностей принимали четыре значения α от 0,15 до 0,45 с шагом 0,1. Сила тока импульсов была более значительной - I = 280 А. Эффективный КПД на прямой полярности принимали ηEN = 25 %, а на обратной полярности задавали пять значений от ηEP = 55 % до ηEP = 95 % с шагом 10 %. В диапазоне α = 0,15…0,35 площадь поперечного сечения проплавления основного металла оставалась на одном уровне. По нашим расчетам, для трех экспериментальных значений α = 15…35 % среднее алгебраическое отклонение (САО) [17] экспериментальных значений площади проплавления составляет 1,5 %, а расчетные значения при тех же параметрах САО = 3,6 %. При увеличении соотношения до α = 45 % экспериментальная площадь провара увеличивается на 25 %, а расчетная на 22,5 %. Как следует из данных работ [11-13], использованные значения КПД и в этом случае не отвечают наблюдавшимся экспериментально. Для оценки приэлектродной мощности катода на алюминии можно использовать данные работ по плазменной сварке на обратной полярности [18, 19], однако в этом случае необходима методика учета мощности, передаваемой изделию плазмообразующим газом. Вольфрамовый электрод сильно нагревается в стадии ЕР, поэтому трудно измерить тепловые характеристики именно этой стадии. Следовательно, необходимо измерение и расчет тепловых характеристик одной фазы в течение всего периода. В работе [2] была применена методика проточного калориметрирования медного анода при регулировании длительности и токов обеих полярностей. В результате решения систем уравнений были получены значения эффективной мощности и эффективного КПД от токов импульсов. Целью данной работы было на основании подхода, примененного в работе [2] при действии сжатой дуги VP-PAW на медную деталь, разработать методику дифференцирования удельной эффективной мощности полярностей свободной дуги VP-GTAW при действии на алюминиевую деталь. Методика исследований Сущность методики заключалась в калориметрировании алюминиевых образцов при различных значениях длительности полярностей EN и ЕР. Методика калориметрирования отличалась от методики, изложенной в работе [8], тем, что учитывались потери энергии образцами во время наплавки и переноса образца в калориметр, а также потери калориметром на теплоотдачу во время перемешивания воды. Для определения коэффициентов поверхностной теплоотдачи от пластины и калориметра предварительно были выполнены специальные эксперименты. Суммарно обе поправки не превышали 1,5 % от эффективной энергии наплавки. Для наплавки использовался источник питания BRIMA TIG 200P AC/DC. В качестве заготовки использовались пластины из сплава АМц толщиной 4 мм размером 100×50×4 мм. Для наплавки неподвижной дугой использовалась сварочная горелка с электродом марки WT-20 диаметром 3 мм. Торец электрода оставался плоским. В качестве защитного газа служил аргон марки А. Вылет вольфрамового электрода из цанги составлял 15 мм, из сопла - 6 мм. Расстояние от торца электрода до пластины устанавливался 1,9 мм. Расход аргона во всех опытах был постоянным - 8 л/мин и измерялся ротаметром. Диаметр выходного сечения сопла горелки составлял 12 мм. Время наплавки и переноса образца и время перемешивания фиксировалось посредством видеосъемки со скоростью 120 кадров в секунду. Токи импульсов обеих полярностей от источника питания в наших опытах были одинаковыми. Время наплавки составляло около 15 с и точно определялось по данным видеофиксации. В одной серии опытов при токе дуги 98 А использовали три значения баланса полярностей. На каждом балансе повторяли три опыта. Затем рассчитывали удельную эффективную мощность на 1 А тока q1 и среднее алгебраическое отклонение (САО) q1 по данным трех опытов от среднего значения. Результаты и их обсуждение Для двух серий опытов на разных балансах можно записать следующую систему уравнений для полных удельных эффективных мощностей: (1) (2) где q1EN, q1EР - удельная эффективная мощность дуги в процессе действия импульсов прямой и обратной полярностей соответственно, Вт/А; Ω1, Ω2 - относительная длительность в периоде импульсов прямой полярности в первой и второй сериях опытов. Таким образом, для серии из трех балансов полярностей можно составить три пары уравнений, подобных уравнениям (1) и (2), получить по ним значения q1EN, q1EP и усреднить их. Разброс полученных данных будет свидетельствовать об адекватности их результатов (табл. 1). Таблица 1 Значения удельной эффективности дуги при различной относительной длительности EN Номер серии Ω EN q1, Вт/А САО, % 1 0,90 6,33 0,9 2 0,75 7,12 4,3 3 0,60 7,96 2,3 Среднее значение САО для трех серий опытов составляет 2,5 %, в то время как относительный размах значений q1 составляет ±11,4 %. Это показывает, что точность калориметрирования достаточна для диффренциации значений удельной эффективной мощности полярностей. Как видно из табл. 1, удельная эффективность дуги растет с увеличением доли обратной полярности. Для повышения точности определения зависимостей qEN и qEР от баланса полярностей значения q1 из табл. 1 аппроксимировали линейной функцией по методу наименьших квадратов с помощью стандартной компьютерной программы [20]. В результате получили формулу для q1, Вт/А: (3) САО расчетных значений q1 по формуле (3) по отношению к данным табл. 1 всего 0,23 %. Для расчета значений qEN и qEР с помощью уравнений (1) и (2) использовали расчетные значения по формуле (3). Результаты расчета сведены в табл. 2. Таблица 2 Расчетные значения удельной эффективной мощности полярностей Система для серии 1, 2 2, 3 1-3 Среднее значение САО, % EN, Вт/А 5,78 5,9 5,78 5,82 0,91 EP, Вт/А 13,61 11,03 11,21 11,95 9,23 Получили, что САО средней удельной эффективности прямой полярности почти в 10 раз меньше, чем обратной полярности. Это позволяет расчетным путем определять вклад прямой полярности в опытах по определению влияния баланса полярностей. Среднее значение удельной эффективной мощности обратной полярности почти в 2 раза выше. Это согласуется с данными работы [21], в которой получено, что скорость расплавления алюминиевой электродной проволоки в 2,2 раза больше на прямой полярности, чем на обратной. В работе [22] на примере автоматической сварки под флюсом от источника питания с разнополярными импульсами тока показано, что проплавляющая способность дуги определяется главным образом мощностью ее приэлектродной области на изделии. В удельную эффективную мощность полярностей существенный вклад вносит мощность от плазменного потока от столба дуги к изделию. Ввиду этого важной является оценка мощности таких потоков, выполненная для дуги обратной полярности в работе [8] на основе изучения эффективной мощности при наплавке плавящимся электродом. Методику, учитывающую высокую точность определения qEN, дополнительно проверяли в другой серии экспериментов, когда время горения дуги составляло около 10 с, а ток дуги 74 А. Снижение тока дуги позволило увеличить длительность импульсов с преобладанием обратной полярности. Расчеты показали хорошую среднюю сходимость значения qEP = 10,86 Вт/А для значений длительности ЕР 0,75 и 0,60 от периода. Для значения длительности ЕР 0,90 периода методика дает существенно завышенные результаты. Это объясняется резким снижением мощности обратной полярности из-за оплавления электрода. Ввиду этого для данных трех серий экспериментов из табл. 1 целесообразно исключить системы уравнений серий 1-3 и ориентироваться на решение системы для серий 2-3. В результате можно рекомендовать значения удельной эффективной мощности qEN = 5,9 Вт/А и qEP = 11,0 Вт/А. При выполнении экспериментов на токе 74 А при переходе на режим EN/EP = 10…90 % вольфрамовый электрод оплавился и его торец принял форму полусферы. В следующем опыте электрод оплавился еще больше, его длина уменьшилась, а удельная эффективная мощность дуги снизилась с 10,5 до 9,25 Вт/А. Подобное явление описано в работе [10] при использовании остро заточенного электрода диаметром 3 мм. На токе 180 А оплавление произошло при длительности импульса tEP = 6,25 c. При частоте импульсов 50 Гц это дает значение среднего тока полярности EP IEP = 56 A. В нашем случае среднее значение тока еще больше - IEP = 67 А. При среднем токе IEP = 44 А электрод в наших опытах еще сохранял плоскую форму. Полученные значения среднего тока, при котором оплавляется электрод, могут быть использованы для проверки математической модели распространения тепла в неплавящемся электроде. Выводы 1. Разработанная методика разделения значений удельной эффективной мощности полярностей дуги VP-GTAW при равных импульсах тока посредством калориметрирования полной эффективной мощности обеспечивает точность, аналогичную точности измерения полной электрической мощности дуги, а именно ±2 %. 2. Использование методики на токе около 100 А показало, что удельная эффективная мощность положительного алюминиевого изделия - анода - составляет 5,9 Вт/А, а отрицательного катода - 11,0 Вт/А. Это объясняет повышенную проплавляющую способность дуг обратной полярности при сварке плавящимся электродом и согласуется с высокой производительностью расплавления алюминиевой электродной проволоки при сварке на прямой полярности плавящимся электродом.

About the authors

V. P Sidorov

Togliatti State University

D. E Sovetkin

Togliatti State University

References

Statistics

Views

Abstract - 60

PDF (Russian) - 34

Refbacks

• There are currently no refbacks.