Патент на изобретение №2291036

(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОДВИЖНЫМ ПЛАВЯЩИМСЯ ПЛАСТИНЧАТЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к сварочной технике, а именно к автоматической электродуговой сварке неподвижным плавящимся пластинчатым электродом металлических изделий достаточно большой толщины. Способ включает установку между свариваемыми поверхностями двух металлических изделий электрически изолированного от них посредством диэлектрического покрытия плавящегося пластинчатого электрода, формирование электрической цепи для протекания сварочного тока через электрод и изделия с зажиганием электрической дуги между электродом и изделиями с последующим формированием сварного соединения. Ширина электрода не меньше толщины свариваемых изделий. Сварное соединение формируют за счет возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления электрода, продольного перемещения сварочной ванны и охлаждения расплавленного металла. На электрическую дугу воздействуют периодически изменяющимся знакопеременным поперечным магнитным полем, направленным перпендикулярно к обращенным к свариваемым металлическим изделиям поверхностям плавящегося пластинчатого электрода. Частота поля соответствует требуемой частоте возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления электрода. Воздействие осуществляют путем противофазной модуляции с упомянутой выше частотой величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие. Модуляцию величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие, осуществляют по прямоугольному закону. Это позволит обеспечить высокую воспроизводимость качественных параметров сварных соединений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к сварочной технике, а более конкретно, к автоматической электродуговой сварке металлических изделий достаточно большой толщины.

Из уровня техники известен способ электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом, согласно которому неподвижно устанавливают между свариваемыми поверхностями двух металлических изделий электрически изолированный от них плавящийся пластинчатый электрод, ширина которого не меньше толщины соединяемых изделий, формируют электрическую цепь для протекания сварочного тока через плавящийся пластинчатый электрод и параллельно соединенные между собой металлические изделия путем подключения плавящегося пластинчатого электрода и обоих изделий к различным полюсам источника питания, а после зажигания электрической дуги между плавящимся пластинчатым электродом и изделиями формируют сварное соединение за счет самоустанавливающегося возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по торцу плавящегося пластинчатого электрода, продольного перемещения сварочной ванны и охлаждения расплавленного металла (см. заявку WO 90/06830 – А1 – 1990).

Этот способ принят в качестве прототипа. Недостаток прототипа заключается в том, что он не обеспечивает высокой воспроизводимости качественных параметров сварного шва. Дело в том, что при осуществлении известного способа выполняются только те условия (а именно: электрическая изоляция плавящегося пластинчатого электрода от свариваемых изделий, высокая концентрация мощности электродуговой сварки в малом объеме сварочной ванны благодаря использованию достаточно тонких плавящихся пластинчатых электродов, избыточного давления газовой среды в зоне горения электрической дуги), которые необходимы для самоорганизации процесса электродуговой сварки, а именно для обеспечения самопроизвольного с большой скоростью возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода. Однако указанных выше условий недостаточно для обеспечения после образования распределенной сварочной ванны одного и того же периодического (с неизменной в процессе электродуговой сварки частотой) возвратно-поступательного перемещения с постоянной амплитудой электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода. Действительно, при видеосъемке процесса электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом, которую осуществляли на одинаковых образцах, наблюдались не только нестабильность частоты и амплитуды возвратно поступательного перемещения электрической дуги в процессе электродуговой сварки каждого образца, но и разброс частоты указанных выше возвратно-поступательных перемещений электрической дуги по образцам.

Очевидно, что наблюдаемая невоспроизводимость, а также нестабильность процесса электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом обусловлена невоспроизводимостью и нестабильностью величин массовых сил (в том числе и объемной электромагнитной силы, зависящей от параметров магнитного поля в области между распределенной сварочной ванной и фронтом оплавления пластинчатого электрода), действующих на части дугового столба как подвижного проводника тока.

Здесь необходимо отметить также, что стабилизация величины сварочного тока не обеспечит постоянства значения магнитного поля в дуговом канале, поскольку оно является функцией не только тока, протекающего по плавящемуся пластинчатому электроду, но и токов, протекающих по каждому из свариваемых изделий.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению высокой воспроизводимости качественных параметров сварных соединений за счет воздействия на электрическую дугу знакопеременным магнитным полем, направленным перпендикулярно к обращенным к свариваемым изделиям поверхностям плавящегося пластинчатого электрода с частотой, соответствующей требуемой частоте возвратно поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода.

Поставленная задача решена тем, что в способе электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом, согласно которому неподвижно устанавливают между свариваемыми поверхностями двух металлических изделий электрически изолированный от них плавящийся пластинчатый электрод, ширина которого не меньше толщины свариваемых изделий, формируют электрическую цепь для протекания сварочного тока через плавящийся пластинчатый электрод и металлические изделия, а после зажигания дуги между плавящимся пластинчатым электродом и изделиями формируют сварное соединение за счет возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода, продольного перемещения сварочной ванны и охлаждения расплавленного металла, согласно изобретению воздействуют на электрическую дугу периодически изменяющимся знакопеременным поперечным магнитным полем, направленным перпендикулярно к обращенным к свариваемым металлическим изделиям поверхностям плавящегося пластинчатого электрода и с частотой, соответствующей требуемой частоте возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода путем противофазной модуляции с упомянутой выше частотой величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что осуществляют модуляцию величины электрического тока, протекающего через каждое изделие, по прямоугольному закону.

Преимущество предложенного способа электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом перед известным, взятым в качестве прототипа, заключается в том, что возвратно-поступательное перемещение электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода устанавливается не самопроизвольно, а за счет знакопеременного и поперечного в вертикальном направлении относительно электродугового столба результирующего вынуждающего силового воздействия, обусловленного возникновением силы Лоренца при взаимодействии тока электродугового столба со знакопеременным и поперечным в горизонтальном направлении относительно него магнитным полем, возникающим в результате создания периодической знакопеременной асимметрии распределения сварочного тока между свариваемыми изделиями. В результате устанавливается вынужденное, упорядоченное, периодическое с частотой, равной частоте противофазной модуляции величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие, возвратно-поступательное перемещение электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода, а следовательно, обеспечивается высокая воспроизводимость качественных параметров сварных соединений.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения ожидаемого технического результата приведенной выше совокупностью существенных признаков.

На чертеже изображена принципиальная схема осуществления предложенного способа, при этом используются следующие обозначения: 1 – плавящийся пластинчатый электрод с диэлектрическим покрытием – 2; 3 – боковая подкладка; 4 и 5 – свариваемые изделия, 6, 7, и 8 – одинаковые балластные резисторы изделия 4; 9, 10 и 11 – такие же балластные резисторы изделия 5; 12 – управляемый нормально разомкнутый ключ; 13 – управляемый нормально замкнутый ключ; 14 – источник питания.

Способ электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом осуществляется следующим образом. Плавящийся пластинчатый электрод 1 с нанесенным на него диэлектрическим покрытием 2 помещают в зазор между свариваемыми поверхностями двух металлических изделий 4 и 5 и устанавливают неподвижно на корневой подкладке (на чертеже не показана) и с зазором по отношению к боковой подкладке 3. Использование корневой и боковой 3 подкладок обеспечивает с одной стороны устойчивое зажигание электрической дуги, а с другой стороны – стабильное формирование распределенной сварочной ванны. Затем формируют электрическую цепь для протекания сварочного тока через плавящийся пластинчатый электрод 1 и металлические изделия 4 и 5. Для этого плавящийся пластинчатый электрод 1, ширина которого не меньше толщины свариваемых металлических изделий 4 и 5 и который электрически изолирован от них посредством диэлектрического покрытия 2, подключают к первому полюсу источника 14 питания. Изделие 4 подключают ко второму полюсу источника 14 питания через параллельно соединенные балластные резисторы 6, 7 и цепочку из последовательно соединенных балластного резистора 8 и управляемого нормально разомкнутого ключа 12. Изделие 5 подключают ко второму полюсу источника 14 питания через параллельно соединенные балластные резисторы 9,10 и цепочку из последовательно соединенных балластного резистора 11 и управляемого нормально замкнутого ключа 13. Управляющие входы ключей 12 и 13 подключают к общему выходу блока управления (на чертеже не показан), который выполняют предпочтительно в виде генератора прямоугольных импульсов в диапазоне от 40 до 120 Гц.

Зажигают электрическую дугу путем короткого замыкания плавящегося пластинчатого электрода 1 на металлические изделия 4, 5 и на боковую подкладку 3. Горение электрической дуги в зазоре между торцом плавящегося пластинчатого электрода 1 и боковой подкладкой 3 приводит к образованию распределенной сварочной ванны за счет массопереноса металла плавящегося пластинчатого электрода 1 и оплавления прилегающих к нему областей металлических изделий 4 и 5. Последовательное плавление пластинчатого электрода 1 приводит к тому, что распределенная сварочная ванна перемещается в продольном направлении, а в результате охлаждения и кристаллизации расплавленного металла образуется монолитный сварной шов.

С помощью управляемых ключей 12 и 13 осуществляют противофазную модуляцию с заданной частотой и по прямоугольному закону величины электрического тока, протекающего через металлические изделия 4 и 5. Так при разомкнутом положении управляемого ключа 12 и замкнутом положении управляемого ключа 13 через металлическое изделие 5 будет протекать больший ток, чем через металлическое изделие 4, так как в цепи металлического изделия 5 величина нагрузки, образованной параллельно соединенными балластными резисторами 9, 10 и 11, будет меньше, чем величина нагрузки в цепи металлического изделия 4, образованного двумя такими же балластными резисторами 6 и 7. В результате асимметричного распределения сварочного тока между металлическими изделиями 4 и 5 на электрическую дугу будет действовать поперечная относительно нее составляющая магнитного поля, направленная перпендикулярно к обращенным к свариваемым металлическим изделиям 4 и 5 поверхностям плавящегося пластинчатого электрода 1. Иными словами, горизонтальная поперечная составляющая магнитного поля. При взаимодействии тока электрической дуги с горизонтальной составляющей магнитного поля, обусловленной описанном выше асимметричным распределением сварочного тока между металлическими изделиями 4 и 5, возникает сила Лоренца, действующая в поперечном и вертикальном относительно электрической дуги направлении. Аналогично при замкнутом положении управляемого ключа 12 и разомкнутом положении управляемого ключа 13 ток через металлическое изделие 4 будет больше, чем через металлическое изделие 5. В этом случае на электрическую дугу будет действовать поперечная относительно нее горизонтальная составляющая магнитного поля той же величины, но противоположного направления. Сила Лоренца в этом случае также изменит свое направление на противоположное. Таким образом, в результате противофазной модуляции с требуемой частотой величины электрического тока, протекающего через металлические изделия 4 и 5, на электрическую дугу будет воздействовать периодически изменяющаяся, предпочтительно по прямоугольному закону, знакопеременная поперечная составляющая магнитного поля, которая направлена перпендикулярно к обращенным к металлическим изделиям 4 и 5 поверхностям плавящегося пластинчатого электрода 1. Вследствие вышесказанного возвратно-поступательное перемещение электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода будет устанавливаться не самопроизвольно, а под действием вынуждающего периодически изменяющего свое направление результирующего силового воздействия, обусловленного возникновением силы Лоренца при взаимодействии тока электродугового столба с упомянутой выше знакопеременной поперечной составляющей магнитного поля. Детерминированность движения электрической дуги приводит к воспроизводимости качественных параметров сварных соединений, а также к повышению стабильности процесса электродуговой сварки. В большинстве практически важных случаях глубина противофазной модуляции величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие 4 и 5, лежит в пределах от 30 до 70 процентов, а частота модуляции от 50 до 110 Гц.

Промышленная применимость изобретения подтверждается известностью средств, используемых при осуществлении предложенного способа.

Формула изобретения

1. Способ электродуговой сварки неподвижным плавящимся пластинчатым электродом, согласно которому неподвижно устанавливают между свариваемыми поверхностями двух металлических изделий электрически изолированный от них посредством диэлектрического покрытия плавящийся пластинчатый электрод, ширина которого не меньше толщины свариваемых изделий, формируют электрическую цепь для протекания сварочного тока через плавящийся пластинчатый электрод и металлические изделия, а после зажигания электрической дуги между плавящимся пластинчатым электродом и изделиями формируют сварное соединение за счет возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода, продольного перемещения сварочной ванны и охлаждения расплавленного металла, отличающийся тем, что воздействуют на электрическую дугу периодически изменяющимся знакопеременным поперечным магнитным полем, направленным перпендикулярно к обращенным к свариваемым металлическим изделиям поверхностям плавящегося пластинчатого электрода с частотой, соответствующей требуемой частоте возвратно-поступательного перемещения электрической дуги по фронту оплавления пластинчатого электрода, путем противофазной модуляции с упомянутой выше частотой величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют модуляцию величины электрического тока, протекающего через каждое металлическое изделие, по прямоугольному закону.

РИСУНКИ