Источники питания для сварки алюминиевых сплавов


Г. М. Короткова












ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791
ББК 34.641
     К68


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Поволжского государственного университета (г. Тольятти) Туищев Алексей Иванович;
доктор технических наук, профессор Тольяттинского государственного университета Сидоров Владимир Петрович






     Короткова, Г. М.
К68       Источники питания для сварки алюминиевых сплавов : монография /
     Г. М. Короткова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 312 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0664-2

     Рассмотрены основные факторы, определяющие конструкцию источника питания сварочной дуги. Приведены вольт-амперные характеристики дуги при сварке W-Al в Ar. Проанализированы энергетические характеристики трехфазной сварочной дуги. Освещены вопросы влияния формы переменного тока на параметры и стабильность дуги при смене полярности. Рассмотрена тема промышленного освоения источников питания однофазной и трехфазной дуги.
     Для специалистов в области сварочного производства. Может быть полезно студентам и научным работникам.

                                                           УДК 621.791
                                                           ББК 34.641











ISBN 978-5-9729-0664-2

     © Короткова Г. М., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................6

ВВЕДЕНИЕ.......................................................7

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЮ
ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ...............................9
    1.1. Сварка сплавов на основе алюминия.....................9
    1.2. Функциональные элементы системы «сеть - потребитель».19
    1.3. Сварочная дуга, как объект управления................38

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДУГИ ПРИ СВАРКЕ W-AL В АРГОНЕ НА ПЕРЕМЕННОМ ОДНОФАЗНОМ ТОКЕ.................................55
    2.1. Методы и средства наблюдения и регистрации электрических параметров дуги в состоянии статического равновесия...56
    2.2. Методика наблюдения и регистрации электрических параметров дуги в состоянии динамического равновесия.............58
    2.3. Методика определения динамического сопротивления и проводимости дуги за период изменения тока..........62
    2.4. Методика наблюдения и регистрации неэлектрических параметров дуги за период изменения тока...............68

ГЛАВА 3. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ
ПРИ СВАРКЕ W-AL В AR..........................................78
    3.1. Статические вольт-амперные характеристики дуги...78
    3.2. Приэлектродные падения напряжения на дуге переменного тока
       при сварке W-Al в Ar...................................87
    3.3. Динамические вольт-амперные характеристики дуги при сварке W-Al в Ar..................................98

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
НА ПАРАМЕТРЫ И СТАБИЛЬНОСТЬ ДУГИ
ПРИ СМЕНЕ ПОЛЯРНОСТИ......................................103
    4.1. Функциональные зависимости дуги rд( t), g (t), S(t), n ₑ( t), j (t)
       при синусоидальной форме тока......................104
    4.2. Функциональные зависимости дуги rд( t), g (t), S(t), n ₜ( t), j (t)
       при искажении формы тока...........................116
    4.3. Функциональные зависимости дуги rд( t), g (t), S(t), n ₜ( t), j (t) дуги при прямоугольной форме тока...........................122


3

    4.4. Влияние искажения формы переменного тока на тепловые характеристики дуги и геометрические размеры шва ... 132

ГЛАВА 5. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ДЛЯ СВАРКИ ТОЛЩИН (0,2...2,0) ММ..............................136
    5.1. Особенности формирования сварного соединения сплава Al толщиной от 0,2 до 0,8 мм дугой переменного синусоидального тока неплавящимся электродом.............................136
    5.2. Управление процессом сварки дугой переменного тока синусоидальной формы.....................................141
    5.3. Проектирование схем источников питания импульсной дуги.145
    5.4. Электромагнитная совместимость сети и системы «источник питания - дуга»................................161
    5.5. Особенности формирования сварного соединения из сплава Al толщиной от 0,8 до 2 мм..................................167
    5.6. Управление процессом сварки на переменном токе прямоугольной формы и проектирование схем источников питания.......................................177

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХФАЗНОЙ СВАРОЧНОЙ ДУГИ.....................................188
    6.1. Особенности формирования сварного соединения из сплавов Al толщиной (2,0.30,0) мм...................................188
    6.2. Обобщенное представление о горении трехфазной сварочной дуги при симметричной схеме питания...........................190
    6.3. Моделирование трехфазной дуги........................206
    6.4. Внутренний механизм и закономерности горения элементарных
        дуг в факеле трехфазной сварочной дуги с Кт = 1,73 при несимметричной схеме питания......................212
    6.5. Влияние искажения формы линейных токов на условия повторных возбуждений элементарных дуг.........228
    6.6. Фазные вольт-амперные характеристики свободной трехфазной дуги...........................................231

ГЛАВА 7. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ТРЕХФАЗНОЙ ДУГИ
ДЛЯ СВАРКИ AL СПЛАВОВ ТОЛЩИН ОТ 2,0 ДО 30,0 ММ................238
    7.1. Особенности формирования длинномерных сварных соедисоединений толщиной (2,0...6,0) мм, (6,0.10,0) мм, (10.30) мм...............................................238


4

    7.2. Управление сварочным током в источниках питания трехфазной дуги.........................................240
    7.3. Проектирование магнитной системы трехфазного сварочного трансформатора с несимметричным включением обмоток......245
    7.4. Методика расчета реактивного сопротивления рассеяния сварочного трансформатора
       с витым кольцевым магнитопроводом.......................249
    7.5. Проектирование несимметричных схем источников питания трехфазной дуги.........................................259

ГЛАВА 8. ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ОДНОФАЗНОЙ И ТРЕХФАЗНОЙ ДУГИ...........................280
    8.1. Стендовые испытания источников питания для сварки однофазной дугой переменного тока синусоидальной и прямоугольной формы...................280
    8.2. Технологические возможности дуги переменного тока прямоугольной формы с асимметричным циклом.............286
    8.3. Технологические возможности установок трехфазной дуги.290

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................293

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................295


5

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Совершенствование источников питания переменного тока для сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов и улучшение свойств сварных соединений являются важными задачами сварочного производства, решения которых можно достичь за счет стабильности повторных возбуждений дуги при смене полярности тока.
     Целью исследований являлось повышение стабильности дуги переменного тока с неплавящимся электродом за счет управления динамическими процессами в области нулевых значений сварочного тока и на основе этого улучшение технологичности сварки и качества сварных соединений из Al и Mg сплавов.
     Объектом исследования в данной работе является дуговой разряд переменного тока и взаимодействие его с источником питания и сетью. В монографии исследованы основные закономерности влияния электрофизических параметров дугового разряда на состояние системы «источник питания - дуга», которые позволяют целенаправленно и эффективно воздействовать на процессы сварки. Автором исследованы динамические процессы в области перехода тока через нуль и определены параметры, обеспечивающие стабильность развития дугового разряда при различной форме тока и условия стабильного горения дуги при питании ее от симметричной и несимметричной схем преобразования сетевой энергии.
     На основе исследований установлены требования, обеспечивающие стабильность повторных возбуждений дуги для синусоидальной и прямоугольной форм тока и трехфазной дуги. Большой объем экспериментальных и теоретических исследований позволил разработать систему требований к источникам питания переменного тока.
     С учетом требований - ограничений для заданных диапазонов толщин алюминиевых сплавов разработаны конструкции источников питания для однофазной дуги с синусоидальной и прямоугольной формами тока и трехфазной дуги с синусоидальной формой линейных токов, адаптированных к ряду диапазонов толщин сплавов алюминия, свариваемых неплавящимся электродом.
     Изготовление опытных партий и промышленных источников питания проводилось на базе ПАО «Электромеханика» г. Ржева. Исследования трехфазной дуги и изготовление установок для этого способа сварки выполнены на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Тольяттинского государственного университета.
     Книга последовательно развивает известные представления о стабильности дуги переменного тока при переходе его через нуль, но в то же время рассматривает ряд явлений, которым ранее уделялось недостаточно внимания. Содержание книги составляют сведения из известных научных публикаций, в том числе исследования автора, который надеется, что его скромный вклад послужит дальнейшему прогрессу сварочного производства.

6

ВВЕДЕНИЕ


     Широкое применение алюминиевых и магниевых сплавов - одна из характерных черт современного производства. Благодаря успехам фундаментальных наук, результатам инженерных разработок созданы теоретические и практические основы производства полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов, что привело к созданию технологических производств, позволивших выпускать листы и ленты, профили и прутки, трубы и штамповки различных типоразмеров.
     Новые конструкционные материалы на основе алюминия и магния благодаря их малому удельному весу, высокой удельной прочности и коррозионной стойкости широко используются в машиностроительном производстве, несмотря на ряд проблем, которые возникают при создании неразъемных соединений с помощью дуговой сварки [1, 2, 3].
     При оценке применяемости различных способов сварки для конкретного сплава на первый план выдвигаются технологические свойства дуги, включающие ряд показателей: стабильность процесса, воспроизводимость его результатов, качество формирования шва, производительность сварки, механические и эксплуатационные свойства получаемых соединений и др. [4, 5].
     В свою очередь, технологические свойства сварочной дуги определяются электрофизическими особенностями дугового разряда переменного тока как такового и взаимодействием его с источником питания. Зная основные закономерности влияния электрофизических параметров дугового разряда на переменном токе на состояние системы «источник питания - дуга», можно целенаправленно и эффективно воздействовать на процесс сварки, оптимизируя его для достижения необходимых результатов.
     Наиболее качественные швы получаются при сварке неплавящимся электродом на переменном токе в защитной среде инертного газа. Одной из проблем, присущих сварке неплавящимся электродом в защитной среде газа на переменном токе, является низкая стабильность дугового разряда вследствие повторных возбуждений дуги при смене полярности тока. Любой сбой повторного возбуждения дуги приводит к возникновению дефектов.
     Вопросы стабильности дугового разряда тесным образом связаны с вопросами управления его параметрами, из которых наиболее важным является ток дуги. Стабильность дугового разряда, а в результате - качество сварного соединения зависят от характеристик источника питания.
     Продолжающийся поиск новых технических решений свидетельствует о том, что традиционные конструкции установок переменного тока не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к формированию сварных соединений выпускаемого промышленностью листового проката алюминиевых и магниевых сплавов.

7

      Не ослабевает внимание к вопросам повышения технологических свойств дуги переменного тока при сварке неплавящимся электродом в среде защитного газа, поэтому не прекращаются исследования параметров горения дуги переменного тока и источника питания, а также его характеристик. Широкие возможности для повышения энергетических свойств дуги переменного тока открывает воздействие на форму тока дуги, чем вызвана потребность проектирования установок переменного тока.
      Одной из важных характеристик источников питания сварочной дуги является управляемость величиной тока дуги. Требование технологического процесса сварки к этой характеристике весьма разнообразны в зависимости от сплава и его толщины, чем обусловлено многообразие конструктивных решений по регуляторам тока в современных источниках питания дуги.
      Большое разнообразие источников питания дуги переменного тока в диапазоне от 10 до 1000 А, отличающихся друг от друга условиями существования и развития дугового разряда в окрестностях точки перехода кривой тока через нуль, делает актуальным поиск технических решений, обеспечивающих стабильное горение дуги переменного тока.
      Дальнейшее совершенствование источников питания и разработку новых целесообразно вести в направлении, учитывающем задачи, связанные с регуляторами процесса сварки. Основой проектирования источников питания служат энергетические и технологические характеристики как типовых сварочных процессов при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, так и вновь разработанных с учетом условий их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Комплексное исследование энергетических характеристик дуги переменного тока в их взаимосвязи с характеристиками воздействия на свариваемый сплав позволяет найти подход к разработке методологии, ориентированной на проектирование источников питания переменного тока для сварки алюминиевых сплавов.
      Теоретической основой в области сварочной дуги переменного тока и схем ее питания послужили работы отечественных и зарубежных ученых: Г. М. Ти-ходеева, А. Я. Бродского, Г. И. Лескова, Б. Е. Патона, В. К. Лебедева, Г. М. Кас-пржака, И. Я. Рабиновича, Н. Г. Дюргерова, А. В. Петрова, Г. А. Славина, В. И. Столбова, М. В. Агунова, И. Е. Лапина, A. M. Cassi, O. Mayr и др.
      Однако комплексное решение задачи управляемости параметрами системы «сеть - источник питания - дуга» для сварки алюминиевых и магниевых сплавов не рассматривалось. Электромагнитная совместимость этой системы при сварке в защитной среде с питающей сетью изучена мало.
      Вопросы развития теории и совершенствования схем источников питания для сварки неплавящимся электродом в защитной среде аргона на переменном токе остаются актуальными в связи с использованием конструкционных материалов на основе алюминия и магния.

8

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИЮ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

1.1. Сварка сплавов на основе алюминия

     Большинство промышленных алюминиевых сплавов как в нашей стране [6—9], так и за рубежом представляют собой сложные системы, что обусловливает определенное разнообразие их физико-механических свойств, необходимое для удовлетворения разнообразия тактико-технических требований, предъявляемых к сварным конструкциям, создаваемым на основе этих сплавов. Разнообразие свойств, с одной стороны, и широкий диапазон толщин этих сплавов - с другой, ставят перед технологами-сварщиками целый ряд задач и проблем по обеспечению качественного формирования сварных соединений.
     Одна из особенностей алюминиевых сплавов, с наличием которой приходится считаться при выборе рода тока и разработке источников питания для сварки неплавящимся электродом, - это оксидная пленка А12О3, образующаяся на поверхности алюминия и его сплавов, а также на торцах свариваемых кромок и на поверхности присадочного материала [13]. Имея предел прочности 20 МПа, плотность 4-10³ кг/м³, толщину в пределах до 1-10⁻⁷м [10] и обладая температурой плавления, значительно превышающей температуру плавления самого сплава, окисная пленка создает одно из основных затруднений при сварке, усложняя технологию и обусловливая вероятность образования дефектов структуры сварного шва. Так, неразрушенная окисная пленка фиксируется в шве, вызывая значительное снижение прочности [13 — 19] и нарушение герметичности сварных соединений, так как способствует образованию пор [11 — 14, 20, 21]. Поэтому при всех способах сварки плавлением алюминиевых сплавов необходима предварительная обработка (щелочная или механическая) поверхностей деталей и электродной проволоки с целью удаления окисной пленки и своевременное после этой операции осуществление сварки.
     К особенностям алюминиевых сплавов относятся также высокие теплопроводность и удельная теплоемкость, требующие при сварке большой концентрации тепла на единицу объема расплавленного металла, несмотря на то что температура плавления сплава сравнительно низка - 660 °C.
     Высокий коэффициент термического расширения вызывает значительные деформации при сварке, обусловливая образование прожогов и снижение точности изготовления конструкций.
     В процессе сварки алюминиевых сплавов существенное влияние на формирование и форму шва оказывает эффективность защиты расплавленного металла, разрушение и оттеснение окисных пленок с зеркала ванны. Эта задача

9

решается за счет катодного распыления окисной пленки при дуговой и плазменной сварке в среде инертных газов.
     Специфические физико-химические свойства легких сплавов потребовали создания новых сварочных источников тепла, обладающих высокой мощностью и концентрацией энергии, способных изменять тепловой поток в заданных пределах.
     Наиболее качественные швы удается получать при аргонодуговой сварке переменным током неплавящимся электродом [4, 18]. Этот способ нашел применение для однопроходной сварки листов толщиной до 10⁻³ м, т. к. на обратной полярности переменного тока идет разрушение оксидной пленки.
     Перспективной с точки зрения производительности является дуговая сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности в среде аргона [22]. Однако для обеспечения проплавления по всей толщине свариваемые листы необходимо собирать с зазором (2...3)-10⁻³м, что затрудняет сборку и снижает качество сварных соединений [18]. Для сварки листов толщиной больше 8-10⁻³ м применяется разделка кромок.
     Дуговая сварка неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности в среде аргона позволяет почти в 3 раза повысить допустимую плотность тока на вольфрамовом электроде по сравнению с переменным током. Это увеличивает проплавляющую способность дуги и обеспечивает возможность форсирования режимов сварки [23]. Однако оксидная пленка на свариваемых поверхностях из-за отсутствия катодного распыления в этом случае практически не разрушается, что вызывает появление в шве несплошностей. Этот способ не нашел широкого применения из-за необходимости поддерживать для стабильного горения дуги ее длину в пределах (0,5.. .0,6) -10⁻³ м.
     Сварка постоянным током обратной полярности обеспечивает оптимальные условия для катодной очистки окисной пленки, но вследствие интенсивного разогрева снижается стойкость вольфрамового электрода и возрастает риск появления в сварном шве вольфрамовых включений.
     Наиболее широкое распространение для изготовления конструкций из алюминиевых сплавов в настоящее время получила дуговая сварка как плавящимся, так и неплавящимся электродом в защитной среде аргона на однофазном и трехфазном переменном токе. Использование трехфазной дуги для сварки алюминиевых сплавов отражено в работах [24—30]. Как следует из литературного обзора, наибольшее применение имеет сварка неплавящимся электродом свободной дугой в среде аргона на переменном токе.
     При выборе оптимального способа сварки учитывают ряд требований: качество шва, его внешний вид, производительность, экономические стороны процесса, его универсальность, деформации изделий.
     По данным авторов [31—33], наилучшее формирование шва достигается при сварке неплавящимся электродом на переменном токе. Способ сварки

10

оказывает наибольшее влияние на механические свойства соединений. Наиболее прочные и пластичные соединения получаются при сварке неплавящимся электродом на переменном токе в защитной среде аргона [24—33]. Выбор способа сварки во многих случаях зависит от толщины металла и типа соединений.
     Литературный обзор использования сварки неплавящимся электродом на переменном однофазном и трехфазном токе в защитной среде газа при сварке алюминия и его сплавов позволил систематизировать данные по режимам для различных толщин, применяемых в конструкциях [23, 31—39].
     В основу анализа материалов, по толщине, наиболее часто употребляемых для создания различного рода промышленных конструкций, было положено предположение: чем больше литературных источников по режимам сварки определенной толщины, тем в более широких масштабах материал этой толщины применяется в промышленности.
     Сознавая, что при таком подходе могут быть допущены ошибки, можно, тем не менее, утверждать, что корреляция между посылкой и следствием в сформулированном предположении должна существовать.
     Весь материал встречающихся толщин преобразован в определенное количество диапазонов (табл. 1.1). Границы диапазонов, так же как и градация толщин внутри каждого диапазона, выбраны условно, но с учетом ГОСТа на прокат и рекомендаций по построению вариационных рядов [41]. По результатам преобразования построен график диапазонов толщин (рис. 1.1). На рисунке по оси ординат отложено количество информационных источников, в которых есть данные по режимам сварки конкретных толщин; по оси абсцисс - границы выбранных диапазонов толщин. Частота «появления» в литературных источниках [4, 15, 18, 19, 22, 23, 31—40] сведений о конкретных толщинах отражена за десятилетний период.


11

Таблица 1.1

Диапазоны толщин алюминиевых сплавов

Обозначение                                       
диапазонов    Градация толщин по диапазонам, мм   
     1        0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8   
    11           1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0     
    111     2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 6,0; 6,5
    1V                7,0; 8,0; 9,0; 10           
     V          12 14 16 18 20 22 24 26 28 30     
    V1      40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 

      Разумеется, все без исключения литературные источники не могли быть изучены, поэтому объем обработанного литературного материала необходимо рассматривать как конечную выборку и иметь в виду, что результаты обработки носят вероятностный характер. Анализ освоения толщин из алюминиевых сплавов позволил упорядочить и представить их в виде шести диапазонов.
      Полученный график частоты спроса по толщине сплава показал, что наиболее освоенными являются толщины от 2 до 10 мм, которые приняли условно считать «средними». Диапазон «малых» толщин установили в пределах от 0,2 до 2,0 мм, а к «большим» отнесли толщины свыше 10 мм, каждому диапазону соответствует свой диапазон токов дуги. Этот результат не противоречит мнению специалистов-технологов, имеющих большой опыт разработки и внедрения технологии сварки на промышленных предприятиях ряда отраслей народного хозяйства.
      Таким образом, если мнение специалистов-технологов о методе исследования рассматривать как качественную оценку этого метода экспертами, то можно утверждать, что метод корректен в пределах качественного анализа. Более детальная математическая обработка исходного материала и полученных результатов, без сомнения, позволила бы дать и количественную оценку «спроса» на толщины, однако разработка этого вопроса является самостоятельной задачей, а в рамках настоящей работы достаточно качественной характеристики.
      Каждому диапазону толщин, приведенному в табл. 1.1, должен соответствовать свой диапазон токов дуги. Дуга как рабочая среда, воздействующая на алюминиевый сплав, определяет область технологических возможностей дугового разряда: его проплавляющую способность, пространственную устойчивость, устойчивость при смене полярности тока дуги и т. д. Технологические требования и специфика дугового разряда как физического явления влияют на конструктивные решения при создании источников питания и систем управления сварочным процессом.

12

      На основе литературного обзора построен график, отражающий зависимость Iд = f(S), и определена верхняя граница по току дуги Iд для сварки вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов в среде аргона на переменном токе (рис. 1.2).


Рис. 1.2. Верхняя граница по току для непрерывной сварки однофазной дугой неплавящимся электродом в среде аргона

      Приведенная на рис. 1.2 верхняя граница токов позволяет определить ориентировочно пределы регулирования сварочного тока для каждого диапазона толщин, который «обслуживает» источник питания соответствующей мощности. В работе [42] исследован вопрос существования оптимальной зависимости между значениями номинального тока и толщиной свариваемого материала. Требования к верхней границе ряда по номинальному току в соответствии с рекомендациями [42] представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2

Верхние границы номинального тока по диапазонам толщин

Диапазон     I  II  III  IV   V    VI 
Толщина, мм 0,8 2,0 6,0 10,0 30,0 40,0
Ток, А      40  125 315 500  800  1000

      Точность номинального тока при серийном изготовлении сварочных установок по однотипной технологии, как показывает производственная практика, составляет 5—15 % в зависимости от сложности конструкции и культуры производства конкретного предприятия. В среднем можно ориентироваться

13