RU2739308C1

RU2739308C1 - Method of arc welding of aluminium alloys with combination of non-consumable and consumable electrodes

Info

Publication number: RU2739308C1
Application number: RU2019138140A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Сидоров; Дмитрий Эдуардович Советкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Средневолжский Сертификационно-Диагностический Центр "Дельта"
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2020-12-22

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to a method of arc mechanized surfacing of aluminium alloys in argon medium. Welding is performed by combination of non-consumable and consumable electrodes with formation of common welding bath and periodic pulsed supply of direct action arcs. Arc from non-consumable tungsten electrode is fed by heteropolar current pulses with predominance of direct polarity, and for repeated excitation of arcs there used are high-frequency pulses. Arcs are fed continuously from two power supplies with heteropolar current pulses with pulse frequency of not less than 50 Hz. Ratio of duration of flow of current of direct polarity to non-consumable electrode is selected within 0.8–0.6 of period of the first power supply source, which provides both destruction of aluminium oxide film on article and resistance of electrode. Value of pulses to non-consumable electrode is selected based on maximum allowable currents of direct and reverse polarity in single-arc welding at direct current. Ratio of duration of flow of direct polarity current to melted electrode is selected within 0.8–0.4 of period of the second power supply. This provides higher rate of electrode melting in 1.5…2.0 times compared to reversed polarity arc welding. Average current of pulses to melted electrode is selected according to recommended currents for one-head arc welding of reverse polarity. each of electrodes can be located in front of welding direction.

EFFECT: higher rate of electrode melting.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области сварки и может использоваться в машиностроении для сварки и наплавки конструкций из алюминиевых сплавов.The invention relates to the field of welding and can be used in mechanical engineering for welding and surfacing of structures made of aluminum alloys.

Известен способ ручной дуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом в среде аргона разнополярными импульсами тока прямоугольной формы с преобладанием тока импульса прямой полярности и с подачей присадочной проволоки из алюминиевого сплава. Данный способ может быть использован и для механизированной сварки (см. А.В. Савинов и др. «Дуговая сварка неплавящимся электродом». М: Машиностроение, 2011-477 с. С. 342).There is a method of manual arc welding of aluminum alloys with a non-consumable electrode in an argon atmosphere with bipolar rectangular current pulses with a predominance of a pulse current of straight polarity and with the supply of a filler wire made of an aluminum alloy. This method can be used for mechanized welding (see AV Savinov et al. "Arc welding with a non-consumable electrode". M: Mashinostroenie, 2011-477 pp. P. 342).

При таком способе низка производительность расплавления и наплавки присадочной проволоки, так как она плавится только от мощности, передаваемой от дуги и изделия излучением и конвекцией. Производительность расплавления в несколько раз ниже, чем в дуге прямого действия обратной полярности с плавящимся электродом в среде аргона.With this method, the productivity of melting and surfacing of the filler wire is low, since it melts only from the power transmitted from the arc and the product by radiation and convection. The melting performance is several times lower than in a direct-acting reverse polarity arc with a consumable electrode in an argon atmosphere.

Сопутствующей технической проблемой такого способа является низкая стабильность скорости расплавления присадочной проволоки, связанная с ее зависимостью от параметров подачи проволоки в сварочную ванну: угла наклона, высоты относительно изделия. Это является основной причиной, почему механизированная подача присадочной проволоки практически не используется в производстве при ручной сварке. Эта проблема сильно осложняет и процесс автоматической сварки из-за высокой деформируемости алюминиевых проволок в подающих устройствах и требует постоянного слежения сварщиком за положением проволоки и его коррекции.A concomitant technical problem of this method is the low stability of the melting rate of the filler wire, associated with its dependence on the parameters of the wire feed into the weld pool: angle of inclination, height relative to the product. This is the main reason why mechanized filler wire feed is almost never used in manual welding production. This problem also greatly complicates the process of automatic welding due to the high deformability of aluminum wires in the feeders and requires constant monitoring by the welder of the position of the wire and its correction.

Известен способ дуговой механизированной наплавки или сварки алюминиевых сплавов в среде аргона комбинацией неплавящегося и плавящегося электродов с образованием общей ванны расплавленного металла, при котором неплавящийся электрод располагают впереди по отношению к направлению сварки, периодически и поочередно питают дуги прямого действия импульсами одинаковой частоты от одного источника питания, причем неплавящийся вольфрамовый электрод питают разнополярными импульсами тока с преобладанием прямой полярности, а плавящийся электрод питают импульсами тока обратной полярности, амплитудные значения которых в 1,5-2,0 раза превышают критический ток перехода к струйному переносу металла электрода к изделию, причем, в течение периода, на неплавящийся электрод подают подряд два импульса тока прямой полярности и один импульс обратной полярности, а на плавящийся электрод подают один импульс тока обратной полярности, для повторного возбуждения дуг используют высокочастотные импульсы (см. статью Н.М. Воропай, В.В. Лесных «Двухдуговая наплавка алюминиевых поршней комбинированным - неплавящимся и плавящимся электродом», Автоматическая сварка, 1996 г., №6, С. 21-26).There is a method of mechanized arc surfacing or welding of aluminum alloys in argon with a combination of non-consumable and consumable electrodes to form a common pool of molten metal, in which the non-consumable electrode is positioned in front of the welding direction, periodically and alternately feed arcs of direct action with pulses of the same frequency from one power source , moreover, the nonconsumable tungsten electrode is fed with bipolar current pulses with a predominance of direct polarity, and the consumable electrode is fed with current pulses of reverse polarity, the amplitude values of which are 1.5-2.0 times higher than the critical current of the transition to the jet metal transfer of the electrode to the product, and, in during the period, two current pulses of direct polarity and one pulse of reverse polarity are applied to the nonconsumable electrode in a row, and one current pulse of reverse polarity is applied to the consumable electrode, high-frequency pulses are used to re-excite the arcs (see article H .M. Voropai, V.V. Lesnykh "Double-arc surfacing of aluminum pistons with a combined - non-consumable and consumable electrode", Automatic welding, 1996, No. 6, pp. 21-26).

Основной технической проблемой этого способа является то, что в нем низкая производительность расплавления плавящегося электрода, который периодически, с перерывами, становится анодом дуги прямого действия. Электрод-анод при сварке в защитных газах имеет наиболее низкую производительность расплавления. В то же время электроды-катоды при сварке в защитных газах дугой постоянного тока прямой полярности обладают низкой стабильностью скорости расплавления, что обусловлено интенсивным перемещением катодного пятна дуги по поверхности электрода, связанного с изменением эмиссионных свойств его поверхности. Поэтому дуга прямой полярности в среде защитных газов с плавящимся электродом практически не используется в производстве.The main technical problem of this method is that it has a low melting rate of the consumable electrode, which periodically, with interruptions, becomes the anode of the direct arc. The anode electrode in gas-shielded welding has the lowest melting performance. At the same time, the cathode electrodes when welding in shielded gases with a direct current arc of straight polarity have a low stability of the melting rate, which is due to the intensive movement of the cathode spot of the arc over the electrode surface, associated with a change in the emission properties of its surface. Therefore, a straight polarity arc in a shielding gas environment with a consumable electrode is practically not used in production.

В связи с этим существенной технической проблемой известного способа является также отсутствие эффекта катодного разрушения окисной пленки алюминия на электродной проволоке.In this regard, a significant technical problem of the known method is also the absence of the effect of cathodic destruction of the aluminum oxide film on the electrode wire.

Также технической проблемой известного способа является относительно длительное прерывание дуги с плавящегося электрода на изделие во время импульсов на неплавящийся электрод, что приводит к необходимости использования высоких амплитудных значений тока на плавящийся электрод, отсюда возникает нестабильность протекания процесса сварки.Also, the technical problem of the known method is the relatively long interruption of the arc from the consumable electrode to the product during pulses to the non-consumable electrode, which leads to the need to use high amplitude values of the current to the consumable electrode, hence the instability of the welding process.

Также технической проблемой является питание дуг от одного источника питания, что приводит к связи мощностей обеих дуг и сложности раздельного регулирования мощностей этих дуг.Also, a technical problem is the power supply of arcs from a single power source, which leads to a connection between the powers of both arcs and the complexity of separate regulation of the powers of these arcs.

Кроме того, технической проблемой известного способа является то, что в нем отсутствуют рекомендации по выбору длительности и величины токов импульсов на неплавящийся электрод. Это приводит к высокой трудоемкости опытных работ по отработке режимов сварки.In addition, the technical problem of the known method is that there are no recommendations for choosing the duration and magnitude of the pulse currents to the non-consumable electrode. This leads to high labor intensity of experimental work on the development of welding modes.

Также способ имеет ограничение по технологическим возможностям, связанным с обязательным условием движения неплавящегося электрода впереди по отношению к направлению сварки. Это ограничение вызвано тем, что дуга с неплавящимся электродом должна двигаться первой и производить очистку изделия от окисной пленки алюминия. В то же время расположение дуг по отношению к направлению скорости сварки при их различной мощности влияет на проплавление основного металла, то есть является дополнительным технологическим параметром.Also, the method has a limitation in technological capabilities associated with the prerequisite for the movement of the non-consumable electrode in front of the direction of welding. This limitation is caused by the fact that the arc with a non-consumable electrode must move first and clean the product from the aluminum oxide film. At the same time, the location of the arcs in relation to the direction of the welding speed at their different power affects the penetration of the base metal, that is, it is an additional technological parameter.

В известном способе дуговой механизированной сварки или наплавки алюминиевых сплавов в среде инертного газа комбинацией неплавящегося и плавящегося электродов движущихся друг за другом в направлении сварки с одинаковой скоростью с образованием общей сварочной ванны, с периодическим импульсным питанием дуг прямого действия, дугу с неплавящегося вольфрамового электрода питают разнополярными импульсами тока с преобладанием прямой полярности, для повторного возбуждения дуг используют высокочастотные импульсы.In the known method of mechanized arc welding or surfacing of aluminum alloys in an inert gas environment by a combination of nonconsumable and consumable electrodes moving one after the other in the welding direction at the same speed with the formation of a common weld pool, with periodic pulsed power supply of direct arcs, the arc from a nonconsumable tungsten electrode is fed with multipolar current pulses with a predominance of straight polarity, high-frequency pulses are used to re-excite the arcs.

В отличие от известного способа, дуги питают непрерывно от двух источников питания с разнополярными импульсами тока с частотой импульсов не менее 50 Гц, отношение длительности протекания тока дуги прямой полярности с неплавящегося электрода выбирают в пределах 0,8…0,6 периода его источника питания, величину токов импульсов на неплавящемся электроде выбирают по допустимым токам дуг прямой и обратной полярности при однодуговой сварке на постоянном токе, отношение длительности протекания тока дуги прямой полярности на плавящийся электрод выбирают в пределах 0,8…0,4 периода его источника питания, а величину среднего тока импульсов на плавящемся электроде выбирают по рекомендуемым токам для однодуговой сварки дугой обратной полярности.In contrast to the known method, the arcs are fed continuously from two power sources with bipolar current pulses with a pulse frequency of at least 50 Hz, the ratio of the duration of a straight-polarity arc current from a non-consumable electrode is selected within 0.8 ... 0.6 of the period of its power source, the value of the pulse currents on the non-consumable electrode is selected according to the permissible arc currents of direct and reverse polarity in single-arc direct current welding, the ratio of the duration of the direct polarity arc current to the consumable electrode is selected within 0.8 ... 0.4 of the period of its power source, and the value of the average current of pulses on the consumable electrode is selected according to the recommended currents for single-arc welding with an arc of reverse polarity.

Основной технический результат предлагаемого способа заключается в том, что достигается существенное повышение производительности расплавления плавящегося электрода. При этом обеспечивается стабильность скорости расплавления электрода во время расположения на нем катодного пятна дуги, что является следствием инерционности в отношении блуждания катодного пятна на плавящемся электроде в связи с высокой частотой смены полярности в дуге. Одновременно достигается катодная очистка электродной проволоки за время расположения катодного пятна дуги на плавящемся электроде. Благодаря стабильной скорости расплавления электрода на прямой полярности стабильна и общая скорость его расплавления во время сварки.The main technical result of the proposed method is that a significant increase in the productivity of melting the consumable electrode is achieved. This ensures the stability of the rate of melting of the electrode during the location of the arc cathode spot on it, which is a consequence of the inertia in relation to the cathode spot wandering on the consumable electrode due to the high frequency of polarity reversal in the arc. At the same time, cathodic cleaning of the electrode wire is achieved during the location of the cathode spot of the arc on the consumable electrode. Due to the stable melting rate of the electrode on straight polarity, the overall rate of melting during welding is also stable.

Частота импульсов источников питания должна быть не менее 50 Гц и может быть различной у каждого из них. Отношение длительности протекания тока прямой или обратной полярности к длительности периода на каждом из электродов может выбираться в указанных пределах независимо друг от друга. Например, относительная длительность протекания тока прямой полярности с неплавящегося электрода на изделие λ_Н=0,8, а аналогичная длительность для плавящегося электрода λ_П=0,6. Это создает дополнительные возможности по регулированию соотношения проплавления основного и наплавляемого металлов.The pulse frequency of power supplies must be at least 50 Hz and may be different for each of them. The ratio of the duration of the current flow of direct or reverse polarity to the duration of the period on each of the electrodes can be selected within the specified limits independently of each other. For example, the relative duration of the flow of direct polarity current from the non-consumable electrode to the product λ _H = 0.8, and the same duration for the consumable electrode λ _P = 0.6. This creates additional opportunities for regulating the ratio of penetration of the base and weld metal.

Также из-за использования разнополярных импульсов тока промышленной частоты или выше к минимуму сводится магнитное взаимодействие дуг, что обеспечивает стабильность процесса сварки, за счет снижения их подвижности на поверхности изделия.Also, due to the use of multipolar current pulses of industrial frequency or higher, the magnetic interaction of the arcs is minimized, which ensures the stability of the welding process, by reducing their mobility on the surface of the product.

В предлагаемом способе снимается ограничение необходимости движения неплавящегося электрода впереди по отношению к направлению сварки, так как дуга с плавящегося электрода с разнополярными импульсами тока в инертных газах также приобретает свойство разрушать окисную пленку алюминия на изделии. Поэтому впереди могут двигаться как неплавящийся, так и плавящийся электроды.In the proposed method, the restriction of the need to move the nonconsumable electrode in front of the direction of welding is removed, since the arc from the consumable electrode with multipolar current pulses in inert gases also acquires the property of destroying the aluminum oxide film on the product. Therefore, both non-consumable and consumable electrodes can move in front.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа, на фиг. 2 циклограмма тока в дуге с неплавящимся электродом, на фиг. 3 циклограмма тока в дуге с плавящимся электродом, на фиг. 4 - зависимости коэффициента расплавления электродной проволоки от тока дуги, на фиг. 5 - схема сварки углового шва таврового соединения в «лодочку».FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the method; FIG. 2 is a cyclogram of the current in an arc with a non-consumable electrode, in Fig. 3 cyclogram of the current in the arc with a consumable electrode, in Fig. 4 - dependences of the melting coefficient of the electrode wire on the arc current, FIG. 5 is a diagram of welding a fillet weld of a T-joint into a "boat".

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа сварки. В сварочную горелку 1 подается защитный газ аргон. В горелке 1 размещен неплавящийся вольфрамовый электрод 2 и плавящийся электрод 3 из алюминиевой сварочной проволоки. Неплавящийся электрод 2 и изделие 4 из алюминиевого сплава подключены к первому сварочному источнику питания 5 разнополярных импульсов тока прямоугольной формы. Между вольфрамовым электродом 2 и изделием 4 непрерывно горит дуга прямого действия 6, в которой чередуются импульсы тока обратной и прямой полярностей. Для обеспечения повторных зажиганий дуги 6 во время смены ее полярности параллельно дуге 6 подключен высокочастотный возбудитель дуги 7, который может быть составной частью источника питания 5. В среднем за период токе дуги с неплавящимся электродом преобладает прямая полярность. Отношение длительности пропускания тока прямой полярности к длительности периода выбирается в пределах λн=0,8…0,6.FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the proposed welding method. Argon shielding gas is supplied to the welding torch 1. The burner 1 contains a non-consumable tungsten electrode 2 and a consumable electrode 3 made of aluminum welding wire. The non-consumable electrode 2 and the product 4 made of aluminum alloy are connected to the first welding power source 5 of opposite polarity rectangular current pulses. Between the tungsten electrode 2 and the product 4, a direct arc 6 is continuously burning, in which current pulses of reverse and direct polarity alternate. To ensure re-ignition of the arc 6 during its polarity change, a high-frequency arc exciter 7 is connected parallel to the arc 6, which can be a component of the power source 5. On average, for the period of the arc current with a non-consumable electrode, direct polarity prevails. The ratio of the duration of the current of direct polarity to the duration of the period is selected in the range λn = 0.8 ... 0.6.

К изделию 4 из сварочной горелки 1 механизированно подается плавящийся алюминиевый электрод 3 с постоянной скоростью V_Э, равной скорости его расплавления. К плавящемуся алюминиевому электроду 3 подключен один из полюсов второго сварочного источника питания 8 с разнополярными прямоугольными импульсами тока. Второй полюс источника 8 подключен к изделию 4. Между плавящимся электродом 3 и изделием 4 непрерывно горит дуга прямого действия 9, в которой чередуются импульсы тока прямой и обратной полярностей от второго источника питания, то есть плавящийся электрод становится поочередно катодом или анодом. Для обеспечения повторных зажиганий дуги 9 во время смены ее полярности параллельно дуге 9 подключен высокочастотный возбудитель дуги 10, который может быть составной частью источника питания 8. В среднем за период ток дуги 9 с плавящегося электрода 3 преобладает прямая полярность. Отношение длительности пропускания тока прямой полярности к длительности периода выбирается в пределах λп=0,8…0,4.A consumable aluminum electrode 3 is mechanically fed to the product 4 from the welding torch 1 at a constant speed V _E , equal to the rate of its melting. One of the poles of the second welding power source 8 with opposite polarity rectangular current pulses is connected to the consumable aluminum electrode 3. The second pole of the source 8 is connected to the article 4. Between the consumable electrode 3 and the article 4, a direct arc 9 is continuously burning, in which current pulses of direct and reverse polarities alternate from the second power source, that is, the consumable electrode alternately becomes a cathode or anode. To ensure re-ignition of the arc 9 during its polarity change, a high-frequency arc exciter 10 is connected parallel to the arc 9, which can be a component of the power source 8. On average, the arc current 9 from the consumable electrode 3 is dominated by direct polarity. The ratio of the duration of the transmission of the current of direct polarity to the duration of the period is selected in the range λp = 0.8 ... 0.4.

Частота разнополярных импульсов тока дуг у источников питания 5 и 8 может быть как одинаковой, так и различной. При одинаковой частоте импульсов время начала и окончания периода тока могут совпадать или различаться по фазе. Конструкция источников питания 5 и 8 может позволять на выбранной частоте тока источников питания регулировать как амплитуду прямоугольных импульсов, так и их длительность. В большинстве источников питания устанавливают равные токи импульсов и регулировка соотношения полярностей осуществляется длительностью импульсов.The frequency of bipolar arc current pulses for power supplies 5 and 8 can be either the same or different. With the same pulse frequency, the start and end times of the current period may coincide or differ in phase. The design of power supplies 5 and 8 can make it possible to regulate both the amplitude of rectangular pulses and their duration at the selected frequency of the current of the power supplies. In most power supplies, equal pulse currents are set and the polarity ratio is adjusted by the pulse duration.

В процессе сварки или наплавки изделия 4 из алюминиевого сплава обе дуги 6 и 9 включаются одновременно с помощью высокочастотных возбудителей дуги 7 и 10. Если условия сварки обеспечивают устойчивое повторное зажигание дуг 6 и 9 без возбудителей дуги 7 и 10, то во время сварки их отключают. Дуга 6 с неплавящегося электрода 2 обеспечивает катодную очистку алюминиевого изделия 4 от окисной пленки во время пропускания импульса тока обратной полярности. Совместное действие импульсов прямой и обратной полярности дуги с неплавящегося электрода 2 обеспечивает требуемое проплавление изделия 4. Одновременно с включением дуг 6 и 9 начинается плавление алюминиевой электродной проволоки 3 и включается механизм ее подачи со скоростью V_Э к изделию 4. Дугой 9 также обеспечивается катодная очистка алюминиевого электрода 3 от окисной пленки алюминия, в течение времени, когда он является катодом. Разнополярные прямоугольные импульсы тока дуги 9 обеспечивают необходимое количество наплавляемого металла в процессах сварки соединений с разделкой кромок, угловых швов и наплавке. Использование разнополярных импульсов тока высокой частоты в обеих дугах 6 и 9 обеспечивает слабую реакцию на взаимодействие их магнитных полей и высокую их пространственную устойчивость вследствие того, что подвижность на электродах их активных пятен значительно более инерционна по сравнению с частотой разнополярных импульсов. Известно, что магнитное дутье при дуговой сварке на переменном токе промышленной частоты значительно меньше, чем на постоянном токе. В результате действия двух сварочных дуг 6 и 9 на изделие образуется общая сварочная ванна 11.In the process of welding or surfacing of an article 4 made of aluminum alloy, both arcs 6 and 9 are switched on simultaneously using high-frequency arc exciters 7 and 10. If the welding conditions ensure stable re-ignition of arcs 6 and 9 without arc exciters 7 and 10, then during welding they are turned off ... The arc 6 from the nonconsumable electrode 2 provides for the cathodic cleaning of the aluminum product 4 from the oxide film during the passage of a current pulse of reverse polarity. The combined action of pulses of direct and reverse polarity of the arc from the nonconsumable electrode 2 ensures the required penetration of the article 4. Simultaneously with the switching on of the arcs 6 and 9, the melting of the aluminum electrode wire 3 begins and the mechanism of its feeding with the speed V _E to the article 4. The arc 9 also provides cathodic cleaning aluminum electrode 3 from the oxide film of aluminum, during the time when it is the cathode. Bipolar rectangular arc current pulses 9 provide the required amount of deposited metal in the processes of welding joints with grooving, fillet welds and surfacing. The use of bipolar high-frequency current pulses in both arcs 6 and 9 provides a weak response to the interaction of their magnetic fields and their high spatial stability due to the fact that the mobility on the electrodes of their active spots is much more inertial than the frequency of bipolar impulses. It is known that magnetic blowing in arc welding at AC power frequency is much less than at DC. As a result of the action of two welding arcs 6 and 9 on the product, a common weld pool 11 is formed.

Подвижность дуги под действием магнитных полей обеспечивается при частоте изменений напряженности внешнего или собственного магнитного поля до 4 Гц (см. реферат патента РФ №2401726 «Способ сварки в защитном газе неплавящимся электродом магнитоуправляемой дугой. Опубл. 20.10.2010. - Бюл. №3) в то время как в источниках питания разнополярных импульсов тока используются частоты 50-150 Гц.The mobility of the arc under the influence of magnetic fields is provided at a frequency of changes in the strength of an external or intrinsic magnetic field up to 4 Hz (see the abstract of the patent of the Russian Federation No. 2401726 "Method of welding in a shielded gas with a non-consumable electrode magnetically controlled arc. Publ. 20.10.2010. - Bul. No. 3) while in power supplies of bipolar current pulses, frequencies of 50-150 Hz are used.

На фиг. 2 представлена циклограмма тока дуги между неплавящимся электродом и изделием. Циклограмма представляет зависимость изменения тока дуги I от времени t. Весь период протекания тока обозначен t_ЦH. Время протекания импульса тока дуги обратной полярности I_HA составляет t_HA, а время протекания тока дуги прямой полярности I_НК составляет t_НК. Ток обратной полярности I_HA преимущественно обеспечивает катодное распыление окисной пленки алюминия на изделии. Ток прямой полярности I_НК преимущественно обеспечивает проплавление изделия. Соотношение времени протекания тока λ_Н=t_НК/t_НЦ по отношению к длительности цикла следует выбирать в пределах λ_Н=0,8…0,6. Это позволяет обеспечить катодную очистку алюминия от окисной пленки на изделии, так как по литературным данным относительная длительность протекания тока обратной полярности должна быть 1-λ_Н≥0,2. Значения λ_Н в диапазоне 0,7…0,6 дают существенное приращение проплавления изделия за счет обратной полярности. Это связано с тем, что удельная мощность на 1 А тока дуги от катодной области на изделии существенно выше, чем от анодной области. Применение λ_Н<0,6 нецелесообразно, так как сильно увеличивается тепловая нагрузка на неплавящийся электрод и снижается его стойкость. Для питания дуги с неплавящегося электрода целесообразнее всего использовать источник питания с импульсами тока прямоугольной формы, выпускаемыми серийно. Частота импульсов тока в таких источниках применяется в пределах 50-150 Гц. Величину токов импульсов за период на неплавящийся электрод следует также ограничивать из-за необходимости обеспечения его стойкости.FIG. 2 shows a cyclogram of the arc current between the non-consumable electrode and the product. The cyclogram represents the dependence of the change in arc current I on time t. The entire period of current flow is indicated by t _ЦH . The time of flow of the arc current pulse of reverse polarity I _HA is t _HA , and the time of flow of the current of the reverse polarity I _NC is t _NC . The reverse polarity current I _HA predominantly provides cathodic sputtering of the aluminum oxide film on the product. Direct polarity current I _NK mainly provides penetration of the product. The ratio of the current flow time λ _Н = t _НК / t _НЦ in relation to the cycle duration should be selected within λ _Н = 0.8 ... 0.6. This allows for the cathodic cleaning of aluminum from the oxide film on the product, since according to the literature, the relative duration of the current of reverse polarity should be 1-λ _H ≥0.2. The λ _N values in the range of 0.7 ... 0.6 give a significant increase in product penetration due to reverse polarity. This is due to the fact that the specific power per 1 A of the arc current from the cathode region on the product is significantly higher than from the anode region. The use of λ _H <0.6 is impractical, since the thermal load on the non-consumable electrode increases greatly and its resistance decreases. To power the arc from a non-consumable electrode, it is most expedient to use a power source with a serially produced rectangular current pulses. The frequency of current pulses in such sources is used in the range of 50-150 Hz. The magnitude of the impulse currents per period for a non-consumable electrode should also be limited due to the need to ensure its resistance.

Данные о том, что при использовании разнополярных импульсов тока катодная очистка изделия достигается при 1-λ_Н≥0,2 приводятся в монографии А.В. Савинова и др. «Дуговая сварка неплавящимся электродом». М: Машиностроение, 2011-477 с. С. 268, последний абзац.The data that when using bipolar current pulses, cathodic cleaning of the product is achieved at 1-λ _Н ≥0.2 is given in the monograph by A.V. Savinova et al. "Non-consumable electrode arc welding." M: Mechanical Engineering, 2011-477 p. P. 268, last paragraph.

Во время пропускания тока обратной полярности к неплавящемуся электроду в нем выделяется значительная мощность, в связи с чем обратная полярность дуги при однодуговой сварке в аргоне неплавящимся вольфрамовым электродом используется редко и только на весьма малых токах для сварки очень тонкого металла. В таблице 1 приведены данные по допустимым токам на неплавящиеся вольфрамовые электроды в зависимости от полярности дуги.During the passage of a current of reverse polarity to a nonconsumable electrode, significant power is released in it, and therefore the reverse polarity of the arc in single-arc welding in argon with a nonconsumable tungsten electrode is rarely used and only at very low currents for welding very thin metal. Table 1 shows data on permissible currents for non-consumable tungsten electrodes, depending on the polarity of the arc.

Примечание: ПП/ОП - отношение средних допустимых токов для прямой и обратной полярностей дуги в аргоне.Note: PP / OP is the ratio of the average permissible currents for forward and reverse polarities of the arc in argon.

Данная таблица приведена в монографии Г.Л. Петрова «Сварочные материалы», Л.: Машиностроение, 1972. - 280 с., таблица III. 15, С. 195, а вычисление отношений ПП/ОП выполнено авторами.This table is given in the monograph by G.L. Petrova "Welding materials", L .: Mashinostroenie, 1972. - 280 p., Table III. 15, p. 195, and the calculation of the PP / OP ratios was carried out by the authors.

Из таблицы 1 следует, что допустимый ток на вольфрамовые электроды на обратной полярности в среднем в 6,3 раза меньше, чем на прямой. С помощью данных таблицы 1 следует выбирать токи импульсов на неплавящийся вольфрамовый электрод при сварке по предлагаемому способу, обеспечивающие необходимую стойкость электрода, для чего авторами предложена специальная методика.From table 1 it follows that the permissible current to tungsten electrodes on reverse polarity is on average 6.3 times less than on the straight line. Using the data in Table 1, one should select the pulse currents to a non-consumable tungsten electrode when welding according to the proposed method, providing the necessary electrode durability, for which the authors have proposed a special technique.

В процессе горения дуги обратной полярности с неплавящегося электрода в изделие выделяется максимальная удельная (на 1 А тока) мощность дуги, что обеспечивает максимально возможную глубину проплавления на заданном токе. Одновременно обеспечивается катодная очистка изделия от окисной пленки. В сочетании с действием той же дуги на прямой полярности можно добиться достаточно большой глубины проплавления основного металла и обеспечить проплавление притупления кромок при сварке в разделку с одновременным эффективным заполнением начальной высоты разделки жидким металлом дуги с плавящегося электрода. Приэлектродные мощности дуги с плавящегося электрода также поочередно оказывают существенное проплавляющее действие на изделие, в отличие от мощности, передаваемой изделию жидким электродным металлом.In the process of burning an arc of reverse polarity, the maximum specific (per 1 A of current) arc power is released from the nonconsumable electrode into the product, which ensures the maximum possible penetration depth at a given current. At the same time, cathodic cleaning of the product from the oxide film is provided. In combination with the action of the same arc on straight polarity, it is possible to achieve a sufficiently large depth of penetration of the base metal and ensure the penetration of blunt edges during groove welding with simultaneous effective filling of the initial groove height with the liquid metal of the arc from the consumable electrode. The near-electrode arc power from the consumable electrode also alternately has a significant penetrating effect on the product, in contrast to the power transmitted to the product by the liquid electrode metal.

При наплавке можно устанавливать ток дуги с неплавящегося электрода минимальным, чтобы получить лишь жидкую смачиваемую прослойку основного металла и одновременно устанавливать достаточно большой средний ток в дуге с плавящегося электрода, что обеспечить высокую производительность наплавки и минимальное перемешивание наплавленного металла с основным. При этом доля участия основного металла в металле шва будет минимальной, что обеспечит требуемые свойства наплавляемого слоя, близкие к свойствам наплавляемого металла.When surfacing, it is possible to set the arc current from the nonconsumable electrode to a minimum in order to obtain only a liquid wetted layer of the base metal and at the same time set a sufficiently large average current in the arc from the consumable electrode, which ensures high surfacing performance and minimal mixing of the deposited metal with the base metal. In this case, the share of the base metal in the weld metal will be minimal, which will provide the required properties of the deposited layer, close to the properties of the deposited metal.

На фиг. 3 представлена циклограмма тока дуги между плавящимся электродом и изделием. Весь период протекания тока обозначен t_ЦП. Время пропускания тока дуги прямой полярности обозначено t_ПК, тока этой полярности I_ПК, обратной полярности соответственно t_ПА и I_ПА.FIG. 3 shows a cyclogram of the arc current between the consumable electrode and the product. The entire period of current flow is indicated by t _CPU . The time of passing the arc current of straight polarity is designated t _PC , the current of this polarity I _PC , reverse polarity, respectively, t _PA and I _PA .

Соответственно в дуге с плавящимся электродом отношение времени протекания тока с плавящегося электрода-катода к времени периода следует изменять в пределах λ_П=0,8…0,4. В период t_ПК протекания тока прямой полярности I_ПК интенсифицируется расплавление электрода и происходит очистка его поверхности от окисной пленки алюминия. Использование λ_П<0,4 нецелесообразно, так как будет слабо использоваться эффект повышения производительности расплавления электрода. Использование λ_П>0,8 нецелесообразно, так как может не происходить эффект разрушения окисной пленки алюминия на электроде.Accordingly, in an arc with a consumable electrode, the ratio of the time of current flow from the consumable electrode-cathode to the period time should be changed within λ _P = 0.8 ... 0.4. In the period t _{PC of the} flow of the current of direct polarity I _{PC, the} electrode melting intensifies and its surface is cleaned from the aluminum oxide film. The use of λ _P <0.4 is impractical, since the effect of increasing the productivity of electrode melting will be poorly used. The use of λ _P > 0.8 is impractical, since the effect of destruction of the aluminum oxide film on the electrode may not occur.

Современные источники питания дуги с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы используют частоту импульсов 50-150 Гц. За счет высокой частоты смены полярности на плавящемся электроде обеспечивается высокая стабильность расположения активных пятен дуг на нем и, соответственно, высокая стабильность скорости расплавления электрода. Устраняется эффект блуждания катодного пятна дуги по поверхности электрода, из-за которого не применяется однодуговая сварка на прямой полярности в защитных газах.Modern arc power supplies with bipolar rectangular current pulses use a pulse frequency of 50-150 Hz. Due to the high frequency of polarity reversal on the consumable electrode, high stability of the arrangement of active spots of arcs on it and, accordingly, high stability of the rate of electrode melting is ensured. The effect of wandering of the cathode spot of the arc on the surface of the electrode is eliminated, due to which single-arc welding on straight polarity in shielding gases is not used.

Использование значительной части времени периода для пропускания тока с плавящегося электрода-катода, помимо катодной очистки этого электрода от окисной пленки алюминия приводит к существенному повышению производительности расплавления электрода, поскольку коэффициент расплавления электрода-катода намного выше, чем электрода-анода.Using a significant part of the time period for passing current from the consumable cathode electrode, in addition to cathodic cleaning of this electrode from the aluminum oxide film, leads to a significant increase in the electrode melting performance, since the melting coefficient of the electrode-cathode is much higher than that of the anode electrode.

На фиг. 4 показаны зависимости коэффициента расплавления плавящегося электрода α_р при сварке в аргоне от тока дуги I обратной полярности для двух диаметров электродной проволоки из алюминиевых сплавов. Из-за нагрева электрода в вылете коэффициент расплавления увеличивается с током с несколько возрастающей интенсивностью. Кривая 12 относится к электродной проволоке Св-АМц диаметром 1,6 мм. Кривая 13 относится к электродной проволоке Св-АМг6 при диаметре 2 мм. При одинаковом токе дуги 250 А меньшему диаметру электрода (кривая 12) соответствуют большие значения коэффициента расплавления, чем у большего диаметра электрода (кривая 13). На токах от 100 до 300 А коэффициент α_р изменяется в небольших пределах от 7,5 до 9,5 г/(А⋅ч), несмотря на разные диаметры электродов.FIG. 4 shows the dependences of the melting coefficient of the consumable electrode α _p when welding in argon on the arc current I of reverse polarity for two diameters of the electrode wire made of aluminum alloys. Due to the heating of the electrode in the protrusion, the melting coefficient increases with current with a slightly increasing intensity. Curve 12 refers to the electrode wire Sv-AMts with a diameter of 1.6 mm. Curve 13 refers to the Sv-AMg6 electrode wire with a diameter of 2 mm. At the same arc current of 250 A, a smaller electrode diameter (curve 12) corresponds to higher values of the melting coefficient than that of a larger electrode diameter (curve 13). At currents from 100 to 300 A, the coefficient α _p varies within small limits from 7.5 to 9.5 g / (Ah), despite the different diameters of the electrodes.

Данные зависимости приведены в монографии В.А. Ленивкина и др. «Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах». М. Машиностроение, 1989. - С. 112, рис. 58.These dependences are given in the monograph by V.A. Lenivkina et al. "Technological properties of a welding arc in shielding gases." M. Mechanical Engineering, 1989. - P. 112, fig. 58.

В таблице 2 приведены данные о коэффициентах расплавления стальной сварочной электродной проволоки марки Св-08Г2С диаметром 2 мм при вылете электрода 1,54 см на прямой и обратной полярностях дуги при наплавке сталей в среде CO₂.Table 2 shows the data on the melting coefficients of the steel welding electrode wire of the Sv-08G2S brand with a diameter of 2 mm with an electrode protrusion of 1.54 cm on direct and reverse arc polarities when surfacing steels in a CO ₂ environment.

Примечание: I - ток дуги, V_Э - скорость подачи (плавления) проволоки, Н - теплосодержание капель электродного металла.Note: I - arc current, V _E - wire feed (melting) speed, H - heat content of electrode metal droplets.

При одинаковых токах I=340 А дуг обратной и прямой полярностей скорость расплавления электрода V_Э и его коэффициент расплавления на прямой полярности в 1,7 раза выше. Одинаковые скорости расплавления достигаются, когда ток дуги прямой полярности уменьшили до I=215 А. Данные также приведены в монографии В.А. Ленивкина и др. «Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах». М. Машиностроение, 1989. - 264 с. (С. 115, таблица 20). В этой монографии в главе 4 показано, что производительность расплавления стальной электродной проволоки на прямой полярности значительно выше, однако из-за нестабильного поведения катодного пятна на электроде она неравномерна во времени. Это явление обусловлено тем, что катодное падение напряжения в дуге с плавящимися электродами обычно значительно выше, чем анодное падение напряжения, однако существенно зависит от химического состава поверхности электродной проволоки, от наличия на ней, например, окислов. Эмиссионные свойства поверхности нестабильны, что и приводит к блужданию катодного пятна.At the same currents I = 340 A of arcs of reverse and straight polarity, the rate of electrode melting V _E and its melting coefficient on the straight polarity is 1.7 times higher. The same melting rates are achieved when the arc current of straight polarity is reduced to I = 215 A. The data are also given in the monograph by V.A. Lenivkina et al. "Technological properties of a welding arc in shielding gases." M. Mechanical Engineering, 1989 .-- 264 p. (P. 115, table 20). In this monograph, Chapter 4, it is shown that the melting rate of a steel electrode wire on straight polarity is significantly higher, but due to the unstable behavior of the cathode spot on the electrode, it is uneven over time. This phenomenon is due to the fact that the cathodic voltage drop in an arc with consumable electrodes is usually much higher than the anode voltage drop, but it depends significantly on the chemical composition of the electrode wire surface, on the presence of oxides on it, for example. The emission properties of the surface are unstable, which leads to the wandering of the cathode spot.

При высокой частоте включений и выключений дуги прямой полярности на плавящийся электрод, применяемой в источниках питания с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы, катодное пятно вынужденно возникает в одной и той же зоне торца электрода и его пространственное положение стабилизируется, что стабилизирует и скорость его расплавления, несмотря на наличие химической неоднородности на поверхности электрода. То, что дуга прямой полярности может быть в определенных условиях стабильной в отношении скорости расплавления электрода и использоваться на практике, подтверждается ее использованием при сварке сталей под флюсом на токах выше 600 А. (См. «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка. ВСН 006-89». Миннефтегазстрой. - М.: 1989. - 216 с. С. 51, п. 2.6.18-2.6.20).At a high frequency of switching on and off the arc of direct polarity to the consumable electrode, used in power supplies with multipolar rectangular current pulses, the cathode spot is forced to appear in the same zone of the electrode end and its spatial position is stabilized, which also stabilizes the rate of its melting, despite for the presence of chemical inhomogeneity on the electrode surface. The fact that an arc of straight polarity can be stable under certain conditions with respect to the rate of melting of the electrode and be used in practice is confirmed by its use in submerged-arc welding of steels at currents above 600 A. (See "Construction of main and field pipelines. Welding. VSN 006 -89 ". Minneftegazstroy. - M .: 1989. - 216 p. P. 51, p. 2.6.18-2.6.20).

Положение катодного пятна дуги под флюсом в условиях, когда она горит в закрытом пространстве при повышенном давлении газового пузыря, по-видимому, стабилизируется. Это также подтверждается широким использованием дуги под флюсом на переменном токе промышленной частоты.The position of the cathode spot of the arc under the submerged arc under conditions when it burns in a closed space at an increased pressure of the gas bubble, apparently, stabilizes. This is also confirmed by the widespread use of submerged arc at power frequency alternating current.

Литературные данные по скорости расплавления электродной алюминиевой проволоки на прямой полярности в инертных газах, до сих пор, по-видимому, отсутствовали из-за затруднений в применении на практике этого вида дуги. При сварке сталей основной причиной такого положения является нестабильность скорости расплавления электрода, а при сварке алюминиевых сплавов - дополнительно отсутствие разрушения окисной пленки алюминия на изделии. В то же время следует отметить, что алюминиевая проволока в меньшей степени подвержена блужданию катодного пятна из-за меньшей вероятности нахождения на ней различных химических соединений по сравнению со стальной проволокой.The literature data on the rate of melting of an electrode aluminum wire at straight polarity in inert gases, apparently, have not yet been available due to the difficulties in practical application of this type of arc. When welding steels, the main reason for this situation is the instability of the electrode melting rate, and when welding aluminum alloys - in addition, the absence of destruction of the aluminum oxide film on the product. At the same time, it should be noted that aluminum wire is less susceptible to wandering of the cathode spot due to the lower probability of finding various chemical compounds on it compared to steel wire.

В связи с этим авторами предлагаемого способа были выполнены специальные теоретические и экспериментальные исследования.In this regard, the authors of the proposed method have performed special theoretical and experimental studies.

Из теории электрической сварочной дуги известно, что удельные эффективные мощности на 1 А тока приэлектродных областей свободной дуги можно приближенно определить по формулам:It is known from the theory of an electric welding arc that the specific effective power per 1 A of current in the near-electrode regions of a free arc can be approximately determined by the formulas:

где U_A и U_К - соответственно анодное и катодное падение напряжения дуги у изделия, В;where U _A and U _K - respectively the anode and cathodic voltage drop of the arc at the product, V;

U_В - напряжение, численно эквивалентное работе выхода электрона из материала изделия, В.U _V - voltage, numerically equivalent to the work function of an electron from the material of the product, V.

Для алюминия U_В=3,74 В. (Данные формулы и значение U_В приведены в монографии Г.И. Лескова «Электрическая сварочная дуга», М.: Машиностроение, 1970, 334 с.).For aluminum, U _B = 3.74 V. (These formulas and the value of U _B are given in the monograph by GI Leskov "Electric welding arc", Moscow: Mashinostroenie, 1970, 334 p.).

Удельную эффективную мощность можно измерять в вольтах, но целесообразнее в Вт/А, что лучше раскрывает физический смысл этого понятия.The specific effective power can be measured in volts, but more expediently in W / A, which better reveals the physical meaning of this concept.

На основе анализа данных по напряжениям дуг на алюминиевых сплавах при разных полярностях были получены выражения для U_A и U_К свободной дуги в аргоне на алюминии в зависимости от тока дуги IBased on the analysis of data on arc voltages on aluminum alloys at different polarities, expressions were obtained for U _A and U _{K of a} free arc in argon on aluminum depending on the arc current I

(См. В.П. Сидоров. Методика оценки приэлектродных падений напряжения на дуге, горящей в аргоне между вольфрамом и алюминием. Автоматическая сварка. 1991. №6. С. 36-37).(See VP Sidorov. Methodology for assessing near-electrode voltage drops on an arc burning in argon between tungsten and aluminum. Automatic welding. 1991. No. 6. S. 36-37).

По формулам (1) с помощью формул (2) и (3) получаем выражения для удельных приэлектродных мощностей прямой q_ЭП и обратной полярностей q_ЭО в аргоне на алюминиевой электродной проволокеUsing formulas (1) using formulas (2) and (3), we obtain expressions for the specific near-electrode powers of the direct q _EF and reverse polarities q _EO in argon on an aluminum electrode wire

Согласно (4) и (5) удельная мощность (на 1 А тока дуги) в алюминиевый электрод дуги прямой полярности существенно больше и интенсивнее растет с увеличением тока дуги, поэтому разница в удельных мощностях возрастает с ростом тока. Это означает, что соответственно алюминиевый катод будет плавиться интенсивнее, чем алюминиевый анод.According to (4) and (5), the specific power (per 1 A of arc current) into an aluminum electrode of a straight polarity arc is significantly greater and grows more intensively with increasing arc current, therefore, the difference in specific powers increases with increasing current. This means that, accordingly, the aluminum cathode will melt more intensively than the aluminum anode.

Для алюминиевого изделия формулы (4) и (5) будут также справедливы, что означает, что проплавляющее воздействие на основной металл выше на обратной полярности дуги в аргоне.For an aluminum product, formulas (4) and (5) will also be valid, which means that the melting effect on the base metal is higher at the reverse polarity of the arc in argon.

Формулы (4) и (5) проверяли экспериментально, путем сравнения скоростей плавления алюминиевой сварочной электродной проволоки на обратной и прямой полярностях дуги. Наплавку проволокой марки Al 99,7 по стандарту EN 18273 S фирмы FIDAT (Италия) диаметром 1,2 мм проводили на сварочной установке FastMigMXF 65 фирмы Кемпи, включающей источник питания постоянного тока и полуавтомат. Наплавка производилась на изделие в виде пластины из сплава АМц толщиной 6 мм. Расход аргона оставался постоянным и составлял 8 л/мин. Настройка режимов наплавки на установке осуществляется следующим образом. Задается напряжение дуги 22 В и скорость подачи электродной проволоки. Компьютер установки автоматически подбирает необходимый сварочный ток и затем при сварке поддерживает заданную скорость подачи электродной проволоки постоянной, изменяя, при необходимости, ток дуги.Formulas (4) and (5) were checked experimentally by comparing the melting rates of an aluminum welding electrode wire at reverse and straight arc polarities. Cladding with Al 99.7 wire according to EN 18273 S standard from FIDAT (Italy) with a diameter of 1.2 mm was carried out on a FastMigMXF 65 welding machine from Kempi, which included a DC power source and a semiautomatic device. Surfacing was carried out on a product in the form of an AMts alloy plate 6 mm thick. The argon flow rate remained constant at 8 L / min. Setting up surfacing modes on the installation is carried out as follows. The arc voltage is set to 22 V and the wire feed speed. The computer of the installation automatically selects the required welding current and then, during welding, maintains the specified speed of the electrode wire feed constant, changing, if necessary, the arc current.

Номинальный режим при наплавке дугой обратной полярности составил U=22B, V_Э=13, 33 см/с, I=168А. Расчетная плотность тока на электроде составила 14862 А/см². Коэффициент расплавления α_p в г/(А⋅с) при механизированной сварке рассчитывали по известной формулеThe nominal mode when surfacing with an arc of reverse polarity was U = 22B, V _E = 13.33 cm / s, I = 168A. The calculated current density at the electrode was 14862 A / cm ² . The melting coefficient α _p in g / (А⋅с) during mechanized welding was calculated using the well-known formula

где ρ - плотность проволоки, г/см³, для алюминия ρ=2,7 г/см³,where ρ is the density of the wire, g / cm ³ , for aluminum ρ = 2.7 g / cm ³ ,

j - плотность тока на электродной проволоке, А/см².j is the current density on the electrode wire, A / cm ² .

Получили расчетное α_PO=8,72 г/(А⋅ч). Это хорошо совпадает с данными приведенными в монографии В.А. Ленивкина и др., приведенными на фиг. 4.Calculated α _PO = 8.72 g / (Ah) was obtained. This is in good agreement with the data given in the monograph by V.A. Lenivkin et al. Shown in Fig. 4.

При изменении полярности дуги на прямую полярность удалось на данной установке получить несколько стабильных режимов наплавки при отсутствии катодного разрушения окисной пленки алюминия на изделии. Исходные данные и результаты расчетов приведены в таблице 3.By changing the arc polarity to straight polarity, it was possible to obtain several stable surfacing modes with this setup in the absence of cathodic destruction of the aluminum oxide film on the product. The initial data and calculation results are shown in Table 3.

Статистическая обработка данных пяти опытов по двум критериям нормального распределения, показала, что разброс значений α_РП носит случайный характер и подчиняется закону нормального распределения. Поэтому рассчитывали среднее значение коэффициента расплавления по пяти опытам α_РП=19,33 г/(А⋅ч), для него среднее относительное отклонение по абсолютной величине от 19,33 г/(А⋅ч) составило 4,84%. То есть данными опытами не установлено существенной зависимости коэффициента расплавления на прямой полярности дуги α_РП от тока дуги в исследованном диапазоне токов.Statistical processing of data from five experiments using two criteria of normal distribution, showed that the scatter of the values of α _RP is random and obeys the law of normal distribution. Therefore, the average value of the melting coefficient was calculated for five experiments α _RP = 19.33 g / (Ah), for it the average relative deviation in absolute value from 19.33 g / (Ah) was 4.84%. That is, these experiments did not establish a significant dependence of the melting coefficient on the straight arc polarity α _RP on the arc current in the studied range of currents.

В то же время сравнение среднего значения из таблицы 3 и полученного для обратной полярности показывает, что их отношение α_РП/α_РO=19,33/8,72=2,22. То есть, во столько раз выше на прямой полярности на данных режимах производительность расплавления алюминиевого электрода на 1 А тока дуги.At the same time, a comparison of the average value from Table 3 and that obtained for reverse polarity shows that their ratio α _RP / α _{PO =} 19.33 / 8.72 = 2.22. That is, so many times higher on straight polarity in these modes is the productivity of melting the aluminum electrode per 1 A of arc current.

Рассчитывали удельную эффективную мощность от дуги в электрод для электрода-анода по формуле (4)The specific effective power from the arc to the electrode for the electrode-anode was calculated by the formula (4)

q_ЭО=4,86+1,15⋅10^-2I_O=4,86+1,15⋅10^-2⋅168=6,79 Вт/А.q _EO = 4.86 + 1.15⋅10 ^-2 I _O = 4.86 + 1.15⋅10 ^-2 ⋅168 = 6.79 W / A.

Также рассчитывали удельную эффективную мощность в электрод для электрода-катода по формуле (5)We also calculated the specific effective power in the electrode for the electrode-cathode by the formula (5)

q_ЭП=7,94+2,38⋅10^-2I_П=7,94+4,0=11,94 Вт/А.q _EP = 7.94 + 2.38⋅10 ^-2 I _P = 7.94 + 4.0 = 11.94 W / A.

Отношение q_ЭП/q_ЭО=11,94/6,79=1,76.The ratio q _EP / q _EO = 11.94 / 6.79 = 1.76.

Это достаточно близко совпадает с отношением коэффициентов расплавления, учитывая, что как отмечается в специальной литературе, может отличаться теплосодержание капель анода и катода. Так из таблицы 3 видно, что теплосодержание капель для стальной проволоки на прямой полярности ниже. При прочих равных условиях это способствует дополнительному повышению скорости расплавления электрода на прямой полярности. Это увеличивает разницу отношений коэффициентов расплавления и q_ЭП/q_ЭО. Точность оценки мощностей в алюминиевые анод и катод с помощью формул (4) и (5) можно оценить в ±10%. При действии приэлектродных областей дуги на электрод вводимые мощности могут увеличиваться по сравнению с плоским изделием в связи с повышением плотности тока на стержневом электроде.This coincides rather closely with the ratio of the melting coefficients, taking into account that, as noted in the specialized literature, the heat content of the anode and cathode drops may differ. So from table 3 it can be seen that the heat content of drops for steel wire on straight polarity is lower. All other things being equal, this contributes to an additional increase in the rate of melting of the electrode on straight polarity. This increases the difference between the ratios of the melting coefficients and q _EP / q _EO . The accuracy of estimating the power to the aluminum anode and cathode using formulas (4) and (5) can be estimated at ± 10%. Under the action of the near-electrode regions of the arc on the electrode, the input power can increase in comparison with a flat article due to an increase in the current density on the rod electrode.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования показывают, что производительность расплавления алюминиевой электродной проволоки-катода существенно выше, чем анода при одинаковых токах. Эта зависимость установлена как для стальной проволоки в аргоне, так и опытами авторов для алюминиевой проволоки. Поэтому использование в предлагаемом способе в дуге с плавящимся электродом значительной доли импульсов тока с отрицательного плавящегося электрода-катода существенно увеличивает производительность его расплавления по сравнению с дугой обратной полярности.Thus, theoretical and experimental studies show that the productivity of melting the aluminum electrode wire-cathode is significantly higher than that of the anode at the same currents. This dependence has been established both for steel wire in argon and by the experiments of the authors for aluminum wire. Therefore, the use in the proposed method in an arc with a consumable electrode of a significant proportion of current pulses from the negative consumable electrode-cathode significantly increases the productivity of its melting in comparison with the arc of reverse polarity.

При сварке необходимо получить в шве требуемое соотношение наплавляемого и основного металла, что возможно при сварке по предлагаемому способу, в отличие от однодуговой сварки. Для этого необходимо подавать электродную проволоку с требуемой скоростью, что достигается определением необходимого тока дуги в плавящемся электроде.When welding, it is necessary to obtain the required ratio of the deposited and base metal in the seam, which is possible when welding according to the proposed method, in contrast to single-arc welding. For this, it is necessary to feed the electrode wire at the required speed, which is achieved by determining the required arc current in the consumable electrode.

При одинаковом токе производительность расплавления П=α_р⋅I увеличивается с уменьшением диаметра электрода. В таблице 4 приведены рекомендации по выбору плотности тока в дуге обратной полярности при сварке алюминиевых сплавов дугой в аргоне.With the same current, the melting performance P = α _p ⋅I increases with decreasing electrode diameter. Table 4 shows recommendations for choosing the current density in an arc of reverse polarity when welding aluminum alloys with an arc in argon.

Такие рекомендации приведены в справочнике «Сварка в машиностроении, т. 2. М.: Машиностроение, 1978. 462 с. С. 234, таблица 16.Such recommendations are given in the reference book “Welding in mechanical engineering, vol. 2. M .: Mechanical engineering, 1978. 462 p. P. 234, table 16.

Средний за период ток на плавящийся электрод дуги по предлагаемому способу должен выбираться по рекомендациям для тока обратной полярности, приведенным в таблице 4, так как разница энтальпий жидкого электродного металла на прямой и обратной полярностях составляет всего 4,3% от среднего значения (см. таблицу 2).The average current for the period to the consumable arc electrode according to the proposed method should be selected according to the recommendations for the current of reverse polarity given in Table 4, since the difference in enthalpies of the liquid electrode metal on direct and reverse polarities is only 4.3% of the average value (see table 2).

Соотношение времени протекания тока в дуге с плавящегося электрода с отрицательного электрода-катода на изделие по отношению к длительности цикла следует выбирать в пределах λ_П=(0,8…0,4)t_Ц. Соотношение α_Н=(0,8…0,6)t_Ц подходит для длительности прямой полярности дуги с неплавящегося электрода. Такие соотношения относительной продолжительности импульсов обусловлены тем, что необходимо обеспечить стойкость неплавящегося вольфрамового электрода, и в то же время максимальную производительность расплавления плавящегося электрода.The ratio of the time of current flow in the arc from the consumable electrode from the negative electrode-cathode to the product in relation to the cycle duration should be selected within λ _P = (0.8 ... 0.4) t _C. The ratio α _{H =} (0.8 ... 0.6) t _C is suitable for the duration of the straight polarity of the arc from a non-consumable electrode. Such ratios of the relative duration of the pulses are due to the fact that it is necessary to ensure the stability of the nonconsumable tungsten electrode, and at the same time, the maximum melting performance of the consumable electrode.

Средний ток в дуге с плавящимся электродом с прямоугольной формой импульсов тока I_СП за цикл можно определить по формуле (в общем случае, при различной величине токов импульсов)The average current in an arc with a consumable electrode with a rectangular shape of current pulses I _SP per cycle can be determined by the formula (in the general case, for different values of pulse currents)

где I_ПК - значение тока импульса прямой полярности;where I _PC - the value of the current pulse of straight polarity;

t_ПК - время протекания тока импульса прямой полярности;t _PC - time of current flow of a pulse of straight polarity;

I_ПА - значение тока импульса обратной полярности;I _PA - the value of the current pulse of reverse polarity;

t_ПА - время протекания тока импульса обратной полярности.t _PA - current flow time of a pulse of reverse polarity.

Время t_ПК+t_ПА=t_ЦП составляет время цикла для плавящегося электрода.The time t _PC + t _PA = t _CP is the cycle time for the consumable electrode.

Значение I_СП в зависимости от диаметра электрода следует выбирать по рекомендациям для однодуговой сварки на обратной полярности дуги в соответствии с требованиями таблицы 4 или аналогичных таблиц. Это связано с тем, что формирование и перенос капель электродного металла в основном определяется мощностью в электрод и слабо зависит от полярности дуги. Увеличение вносимой в электрод мощности на прямой полярности эквивалентно повышению тока обратной полярности.The value of I _SP , depending on the diameter of the electrode, should be selected according to the recommendations for single-arc welding on the reverse polarity of the arc in accordance with the requirements of Table 4 or similar tables. This is due to the fact that the formation and transfer of electrode metal droplets is mainly determined by the power to the electrode and weakly depends on the arc polarity. An increase in the power applied to the electrode on a straight polarity is equivalent to an increase in the reverse polarity current.

Назначение допустимых импульсов токов на неплавящийся электрод является весьма существенным в предлагаемом способе сварки и должно производиться следующим образом. Из таблицы 1 для каждого диаметра неплавящегося электрода можно найти отношение допустимых токов прямой и обратной полярностей. Целесообразнее всего оперировать средними значениями допустимых токов, так как они точнее отражают соотношение стойкости электродов. Например, для диаметра 4 мм такое отношение средних токов 295/40=7,38. Это означает, что мощность от дуги в неплавящийся вольфрамовый электрод диаметром 4 мм на 1 А тока на прямой полярности в 7,38 раза меньше, чем на обратной полярности.The assignment of permissible current pulses to a non-consumable electrode is very important in the proposed welding method and should be carried out as follows. From table 1 for each diameter of a non-consumable electrode, you can find the ratio of the permissible currents of forward and reverse polarity. It is most expedient to operate with the average values of the permissible currents, since they more accurately reflect the ratio of the resistance of the electrodes. For example, for a diameter of 4 mm, this ratio of average currents is 295/40 = 7.38. This means that the power from the arc to a non-consumable tungsten electrode with a diameter of 4 mm per 1 A of current on direct polarity is 7.38 times less than on reverse polarity.

Приняв λ_Н, например, λ_Н=0,8, допустим, что импульсы тока на неплавящемся электроде будет гореть только на обратной полярности и только длительности 1- λ_Н. В этом случае допустимый ток обратной полярности в импульсе прямоугольной формы на неплавящийся электрод при однодуговой сварке 40/0,2=200 А. Аналогично, если действуют только импульсы прямой полярности такой дуги, то допустимое значение тока такого импульса 295/0,8≈369 А. Для определения допустимых токов действия обеих полярностей совместно для однодуговой сварки необходимо каждый из токов разделить на 2. Получим соответственно I_НА=100 и I_НК=185 А.Taking λ _H , for example, λ _H = 0.8, let us assume that the current pulses on the non-consumable electrode will burn only on reverse polarity and only of duration 1- λ _H. In this case, the permissible current of reverse polarity in a rectangular pulse to a non-consumable electrode in single-arc welding is 40 / 0.2 = 200 A. Similarly, if only pulses of the direct polarity of such an arc act, then the permissible current value of such a pulse is 295 / 0.8≈369 A. To determine the permissible currents of action of both polarities together for single-arc welding, each of the currents must be divided by 2. We obtain, respectively, I _HA = 100 and I _HK = 185 A.

Токи импульсов прямой I_П и обратной полярности I_О отличаются на 85 А. Такое регулирование возможно при работе со сварочными источниками питания, которые позволяют регулировать как ток импульсов, так и их длительность.Pulse currents of forward I _P and reverse polarity I _O differ by 85 A. Such regulation is possible when working with welding power sources, which allow you to adjust both the pulse current and their duration.

При использовании сварочных источников питания с равными токами импульсов необходимо определять значение коэффициента λ_Н, при котором будет выполняться такое условие равенства токов. Наличие определенного диапазона допустимых токов на неплавящийся электрод в соответствии с данными таблицы 1 всегда позволяет это выполнить. Для этого коэффициент 1-λ_Н следует вначале выбрать как обратную величину отношения допустимых токов прямой и обратной полярностей. Например, если используется электрод диаметром 5 мм, то согласно таблице 1 отношение допустимых токов 400/80=5. Следовательно, 1-λ_Н=1/5=0,2. Тогда λ_Н=0,8. Далее подбор токов выполняется аналогично описанному выше.When using welding power sources with equal pulse currents, it is necessary to determine the value of the coefficient λ _Н , at which such a condition of equality of currents will be met. The presence of a certain range of permissible currents to a non-consumable electrode in accordance with the data in Table 1 always allows this to be done. For this, the coefficient 1-λ _H should first be selected as the reciprocal of the ratio of the permissible currents of direct and reverse polarities. For example, if an electrode with a diameter of 5 mm is used, then according to table 1, the ratio of permissible currents is 400/80 = 5. Therefore, 1-λ _H = 1/5 = 0.2. Then λ _H = 0.8. Further, the selection of currents is performed in the same way as described above.

Ток в дуге с плавящимся электродом, когда он является катодом I_ПК служит основным источником мощности его расплавления. Одновременно происходит катодная очистка окисной пленки алюминия с поверхности проволоки. Это позволяет снизить требования к подготовке качества поверхности проволоки, трудоемкость такой подготовки. Поскольку подготовка проволоки связана с применением химических реактивов, повышается экологическая безопасность процесса сварки.The current in the arc with a consumable electrode, when it is the cathode I _PC, serves as the main source of its melting power. At the same time, cathodic cleaning of the aluminum oxide film from the wire surface occurs. This makes it possible to reduce the requirements for the preparation of the quality of the wire surface, the laboriousness of such preparation. Since the preparation of the wire is associated with the use of chemicals, the environmental safety of the welding process is increased.

Рекомендуемые токи для плавящегося электрода на обратной полярности при однодуговой сварке в аргоне известны. Они имеют определенный диапазон. Поэтому для заданного диаметра вольфрамового электрода и мощности дуги с неплавящимся электродом можно подобрать диаметр плавящегося электрода, при котором будет получена необходимая производительность расплавления электрода П=α_PI.The recommended currents for a consumable electrode in reverse polarity in single-arc argon welding are known. They have a certain range. Therefore, for a given diameter of the tungsten electrode and the power of the arc with a non-consumable electrode, it is possible to select the diameter of the consumable electrode, at which the required melting performance of the electrode P = α _P I will be obtained.

Токи импульсов на плавящийся электрод выбираются следующим образом. Допустим, что отношение λ_П выбрано для дуги с плавящегося электрода λ_П=0,7. Допустим, что выбран плавящийся электрод диаметром 2 мм, тогда в соответствии с таблицей 4 рекомендуемые токи для однодуговой сварки на обратной полярности 240…340 А. Можно выбрать среднее значение 290 А. Поскольку в формуле (7) два неизвестных тока, то можно выбрать токи импульсов одинаковыми и тогда ток каждого импульса будет 290 А. Это означает, что средний ток за период также равен 290 А. Если источник питания позволяет независимо регулировать ток импульсов, то возможно пропорциональное изменение токов импульсов таким образом, чтобы средний ток остался без изменений. Такая регулировка может позволить обеспечить оптимальный процесс переноса электродного металла в сварочную ванну. Увеличение импульса тока прямой полярности будет приводить к повышению производительности расплавления электрода, уменьшению глубины и площади проплавления основного металла и увеличению доли электродного металла в металле сварного шва. Это является дополнительным параметром процесса сварки и служит повышению его технологической гибкости в отношении изменения наплавленного и расплавленного основного металла.Pulse currents to the consumable electrode are selected as follows. Let us assume that the ratio λ _{P is} chosen for the arc from the consumable electrode λ _P = 0.7. Suppose that a consumable electrode with a diameter of 2 mm is selected, then, in accordance with Table 4, the recommended currents for single-arc welding on reverse polarity are 240 ... 340 A. You can choose an average value of 290 A. Since there are two unknown currents in formula (7), you can choose currents pulses are the same and then the current of each pulse will be 290 A. This means that the average current for the period is also 290 A. If the power source allows you to independently adjust the pulse current, then a proportional change in the pulse currents is possible so that the average current remains unchanged. This adjustment can provide an optimal transfer of the electrode metal into the weld pool. An increase in the current pulse of straight polarity will lead to an increase in the productivity of electrode melting, a decrease in the depth and area of penetration of the base metal, and an increase in the proportion of electrode metal in the weld metal. This is an additional parameter of the welding process and serves to increase its technological flexibility in relation to changes in the deposited and molten base metal.

Регулирование времени протекания токов дуг в диапазоне λ_П=(0,8…0,4)t_ЦП длительности периода и соответственно 1-λ_П=(0,2…0,6)t_ЦП необходимо для создания дополнительных технологических возможностей связанных с выбором оптимального переноса капель электродного металла и давлением дуг на сварочную ванну, регулирования соотношения между проплавлением основного металла и расплавлением электродного металла, эффективного разрушения окисной пленки алюминия на изделии и электроде.Regulation of the arc current flow time in the range λ _P = (0.8 ... 0.4) t _{CPU of the} period duration and, accordingly, 1-λ _P = (0.2 ... 0.6) t _{CPU is} necessary to create additional technological capabilities associated with the choice optimal transfer of droplets of electrode metal and arc pressure to the weld pool, regulation of the ratio between the penetration of the base metal and the melting of the electrode metal, effective destruction of the aluminum oxide film on the workpiece and electrode.

На фиг. 5 показана схема заполнения углового сварного шва таврового соединения «в лодочку» по предлагаемому способу при сварке алюминиевого изделия 4. Неплавящийся электрод 2 и плавящийся электрод 3 располагаются вдоль направления сварки и движутся со скоростью V_С, причем неплавящийся электрод 2 располагается впереди по отношению к направлению сварки. Дуга прямого действия 6 с неплавящегося электрода 2 обеспечивает катодную очистку поверхности кромок и их проплавление. Свариваемое изделие 4 представляет собой тавровое соединение без разделки кромок, свариваемое «в лодочку». Свариваемые пластины собираются без зазора. Толщина пластин таврового соединения δ. Дуга с неплавящегося электрода 2, обеспечивает максимально возможную на выбранных режимах высоту провара углового шва. Вторая дуга прямого действия 9, горит с плавящегося электрода 3 на изделие 4 и обеспечивает заполнение требуемого катета углового шва жидким расплавленным металлом. При действии дуги 9, происходит катодная очистка плавящегося электрода 3 от окисной пленки алюминия, когда он является катодом. В связи с высокой скоростью расплавления плавящегося электрода 3 происходит полное заполнение катета углового шва. Пример 1FIG. 5 shows a diagram of filling a fillet weld of a T-joint "into a boat" according to the proposed method when welding an aluminum product 4. Non-consumable electrode 2 and consumable electrode 3 are located along the welding direction and move at a speed V _C , and the non-consumable electrode 2 is located in front of the direction welding. Direct arc 6 with non-consumable electrode 2 provides cathodic cleaning of the edge surface and their penetration. The welded product 4 is a T-joint without cutting edges, welded "in a boat". The plates to be welded are assembled without a gap. The thickness of the T-joint plates is δ. The arc from the non-consumable electrode 2 provides the maximum possible penetration height of the fillet weld in the selected modes. The second arc of direct action 9, burns from the consumable electrode 3 to the product 4 and provides filling of the required leg of the fillet weld with liquid molten metal. When the arc 9 acts, cathodic cleaning of the consumable electrode 3 from the aluminum oxide film occurs when it is the cathode. Due to the high melting rate of the consumable electrode 3, the fillet weld leg is completely filled. Example 1

Производилась наплавка по предлагаемому способу неплавящимся электродом диаметром d_Э=3 и электродной проволокой Св-АМц диаметром (d_Э=1,2 мм на пластину из алюминиевого сплава АМц толщиной δ=6 мм. Скорость наплавки составляла V_С=0,3 см/с. Дуги прямого действия горели в среде аргона. Расход аргона составлял G=10 л/мин. Дуга с неплавящегося электрода питалась от сварочного источника питания с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы типа TIG200PAC/DC. Источник питания генерирует импульсы сварочного тока частотой 60 Гц. Номинальный ток источника питания 200 А. Основные технические характеристики источника питания приведены в таблице 5.Surfacing was carried out according to the proposed method with a nonconsumable electrode with a diameter of d _E = 3 and an electrode wire Sv-AMts with a diameter (d _E = 1.2 mm on a plate made of AMts aluminum alloy with a thickness of δ = 6 mm. The surfacing rate was V _C = 0.3 cm / c. Direct-acting arcs burned in argon. Argon consumption was G = 10 l / min. The arc from the non-consumable electrode was powered by a welding power source with bipolar rectangular current pulses of the TIG200PAC / DC type. The power source generates welding current pulses with a frequency of 60 Hz. The rated current of the power supply is 200 A. The main technical characteristics of the power supply are shown in Table 5.

Данные приведены в паспорте и руководстве по эксплуатации установок для аргонодуговой сварки универсальных инверторных фирмы «BrimaWeldingIntemational, 22 с. С. 6. Издательство «Тиберис». Сайт: www.tiberis.ru/katalog-brendov/brima/ Дата обращения 04.09.19 г.The data are given in the passport and the operation manual for installations for argon-arc welding of universal inverter companies "BrimaWeldingIntemational, 22 p. P. 6. Publishing house "Tiberis". Website: www.tiberis.ru/katalog-brendov/brima/ Date of treatment 09/04/19

Источник питания позволяет изменять долю протекания тока обратной полярности и соответственно прямой полярности при установке равных токов импульсов прямой и обратной полярности. Источник питания снабжен высокочастотным возбудителем дуги.The power supply allows you to change the proportion of current flow of reverse polarity and, accordingly, of direct polarity when setting equal currents of pulses of direct and reverse polarity. The power supply is equipped with a high frequency arc exciter.

Дуга между плавящимся электродом и изделием питалась от второго такого же источника питания. Наплавку выполняли с помощью сварочного полуавтомата сварочной установки FastMigMXF 65 фирмы Кемпи, держатель которого устанавливали на сварочный автомат АДСВ-6.The arc between the consumable electrode and the workpiece was powered from the second same power source. Surfacing was carried out using a Kempi FastMigMXF 65 semiautomatic welding machine, the holder of which was installed on an ADSV-6 welding machine.

Баланс прямой полярности в дуге с неплавящимся электродом был выбран λ_Н=0,8, затем подбирались равные токи импульсов прямой и обратной полярности. Для неплавящегося электрода диаметром 3 мм по таблице 1 выбирали средний рекомендуемый ток прямой полярности при однодуговой сварке I_СП=160 А, для обратной полярности I_СО=30А. Отношение допустимых токов I_СП/I_СО=160/30=5,33. Обратная величина составляет 1-λ_Н=1/(5,33)≈0,19, что близко к выбранному значению.The balance of direct polarity in an arc with a nonconsumable electrode was chosen λ _H = 0.8, then equal currents of pulses of direct and reverse polarity were selected. For a nonconsumable electrode with a diameter of 3 mm, according to table 1, the average recommended current of direct polarity for single-arc welding I _SP = 160 A, for reverse polarity I _CO = 30A was chosen. The ratio of permissible currents I _SP / I _CO = 160/30 = 5.33. The reciprocal value is 1-λ _H = 1 / (5.33) ≈0.19, which is close to the selected value.

При использовании только импульса тока обратной полярности при однодуговой сварке ток в импульсе I_НО=30/0,2=150 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_НП=160/0,8=200 А. При совместном действии импульсов токи необходимо уменьшить в 2 раза: I_НО=75 А, I_НП=100 А. В связи с тем, что разные токи на источнике установить нельзя, принимаем токи I_НО=I_НП=100 А.When using only a current pulse of reverse polarity in single-arc welding, the current in the pulse is I _NO = 30 / 0.2 = 150 A. When using only a current pulse of reverse polarity I _NP = 160 / 0.8 = 200 A. With the combined action of pulses, currents are necessary decrease by 2 times: I _HO = 75 A, I _NP = 100 A. Due to the fact that different currents cannot be set at the source, we take currents I _HO = I _NP = 100 A.

Проверяли стойкость неплавящегося электродаChecked the durability of the non-consumable electrode

100⋅0,2⋅5,33+100⋅1⋅0,8=106,6+80=186,6.100⋅0.2⋅5.33 + 100⋅1⋅0.8 = 106.6 + 80 = 186.6.

Это эквивалентный ток действия постоянного тока прямой полярности немного превышает максимально допустимый ток на неплавящийся электрод диаметром 3 мм по таблице 1 I_НПМ=180 А. Снизили тот импульсов до 95 А и снова проводили проверку.This is the equivalent direct current of direct polarity that slightly exceeds the maximum permissible current for a nonconsumable electrode with a diameter of 3 mm according to Table 1 I _NPM = 180 A. The impulses were reduced to 95 A and tested again.

95⋅0,2⋅5,33+95⋅1⋅0,8=101,3+76=177,3 А<180 А.95⋅0.2⋅5.33 + 95⋅1⋅0.8 = 101.3 + 76 = 177.3 A <180 A.

При токах импульсов 95 А стойкость вольфрамового электрода обеспечивается.At impulse currents of 95 A, the resistance of the tungsten electrode is ensured.

Для плавящегося электрода выбираем также λ_Н=0,8, что обеспечит максимально возможную производительность расплавления электродной проволоки для данного способа сварки и в то же время катодную очистку от окисной пленки. Рекомендуемые токи обратной полярности на электрод при однодуговой сварке по таблице 4 I_O=120…150 А. Выбирали ток двух импульсов 150 А, поскольку он обеспечивается данным источником питания.For a consumable electrode, we also choose λ _H = 0.8, which will ensure the maximum possible melting performance of the electrode wire for this welding method and at the same time, cathodic cleaning from the oxide film. Recommended currents of reverse polarity to the electrode for single-arc welding according to table 4 I _O = 120 ... 150 A. The current of two pulses of 150 A was chosen, since it is provided by this power source.

Эффективный коэффициент расплавления плавящегося электрода за период α_РЭ можно определить по формулеThe effective melting coefficient of the consumable electrode for the period α _RE can be determined by the formula

где α_РА - коэффициент расплавления электродной проволоки, когда она является анодом в дуге прямого действия (обратная полярность), г/(А⋅ч);where α _RA is the melting coefficient of the electrode wire when it is the anode in the direct arc (reverse polarity), g / (Ah);

α_РК - коэффициент расплавления электродной проволоки, когда она является катодом в дуге прямого действия (прямая полярность), г/(А⋅ч).α _PK is the melting coefficient of the electrode wire when it is a cathode in a direct arc (direct polarity), g / (A⋅h).

Значение α_РА можно принять установленным в опыте авторов с дугой обратной полярности α_РА=8, 72 г/(А⋅ч). Значение α_РК принимаем α_РК=19,33 г/(А⋅ч) по проведенным опытам с дугой прямой полярности. ПолучаемThe value of α _RA can be taken as established in the experience of the authors with an arc of reverse polarity α _RA = 8, 72 g / (Ah). The value of α _{RC is} taken as α _RC = 19.33 g / (Ah) according to the experiments carried out with an arc of straight polarity. We get

α_РЭ=8,72⋅0,2+19,33⋅0,8=17,2 г/(А⋅ч).α _RE = 8.72⋅0.2 + 19.33⋅0.8 = 17.2 g / (Ah).

Получили, что производительность расплавления электродной проволоки повысилась почти в 2 раза по сравнению с дугой обратной полярности при однодуговой сварке. Производительность расплавления электрода при токе 150 А составит 150⋅17,2=2,58 кг/час. Расчетная скорость расплавления электродной проволоки по формуле (6) V_Э=23,5 см/с.It was found that the productivity of melting the electrode wire increased by almost 2 times in comparison with the arc of reverse polarity in single-arc welding. The productivity of melting the electrode at a current of 150 A will be 150 - 17.2 = 2.58 kg / h. The calculated melting rate of the electrode wire according to the formula (6) V _E = 23.5 cm / s.

Благодаря высокой доле тока на плавящийся электрод-катод приращение скорости плавления достаточно велико из-за высокой скорости расплавления катода. Действительная скорость подачи при сварке составила V_ЭО=23,0 см/с вместо расчетной V_Э=23,5 см/с.Due to the high fraction of current to the consumable electrode-cathode, the increase in the melting rate is large enough due to the high rate of cathode melting. The actual feed rate during welding was V _EO = 23.0 cm / s instead of the calculated V _E = 23.5 cm / s.

Удельную эффективную мощность дуги с неплавящимся электродом определяем с помощью формул (4) и (5)The specific effective power of the arc with a non-consumable electrode is determined using formulas (4) and (5)

q_ИЭН=(4,86+1,15⋅10^-2⋅95)⋅0,8+(7,94+2,38⋅95⋅10^-2)0,2=6,8 Вт/А.q _IEN = (4.86 + 1.15⋅10 ^-2 ⋅95) ⋅0.8 + (7.94 + 2.38⋅95⋅10 ^-2 ) 0.2 = 6.8 W / A.

Для дуги с плавящегося электрода без учета переносимой электродным металлом мощностиFor an arc from a consumable electrode without taking into account the power transferred by the electrode metal

q_ИЭП=(4,86+1,15⋅10^-2⋅150)⋅0,8+(7,94+2,38⋅150⋅10^-2)0,2=7,57 Вт/А.q _IEP = (4.86 + 1.15⋅10 ^-2 ⋅150) ⋅0.8 + (7.94 + 2.38⋅150⋅10 ^-2 ) 0.2 = 7.57 W / A.

Мощность передается к изделию жидким электродным металлом q_Ж=(4,86+1,15⋅10^-2⋅150)⋅0,2+(7,94+2,38⋅150⋅10^-2)⋅0,8=10,53 Вт/А.Power is transmitted to the product by liquid electrode metal q _W = (4.86 + 1.15⋅10 ^-2 ⋅150) ⋅0.2 + (7.94 + 2.38⋅150⋅10 ^-2 ) ⋅0.8 = 10.53 W / A.

Удельная мощность, переносимая жидким электродным металлом выше, но она мало влияет на проплавление основного металла.The specific power transferred by the liquid electrode metal is higher, but it has little effect on the penetration of the base metal.

Расчет эффективных мощностей позволяет проводить расчет провара основного металла и термических циклов сварки.The calculation of effective powers allows you to calculate the penetration of the base metal and thermal welding cycles.

В результате наплавки на скорости сварки V_С=0,3 см/с получили ширину валика наплавочного шва 7 мм, площадь поперечного сечения наплавленного металла 70 мм², площадь проплавления 20 мм². Доля участия основного металла в металле шва 29%, что является хорошим результатом из-за малого перемешивания основного и наплавляемого металла. При этом происходила хорошая очистка изделия и алюминиевой проволоки от окисной пленки алюминия, количество окисных включений в шве уменьшилось по сравнению с однодуговой наплавкой плавящимся электродом на обратной полярности.As a result of surfacing at a welding speed V _C = 0.3 cm / s, the width of the bead of the surfacing seam was 7 mm, the cross-sectional area of the deposited metal was 70 mm ² , and the penetration area was 20 mm ² . The share of the base metal in the weld metal is 29%, which is a good result due to the low mixing of the base metal and the weld metal. At the same time, there was a good cleaning of the product and the aluminum wire from the aluminum oxide film, the amount of oxide inclusions in the weld decreased compared to single-arc welding with a consumable electrode on reverse polarity.

Пример 2. С целью определения мощности источника питания необходимого для осуществления предлагаемого способа при использовании вольфрамового электрода диаметром 6 мм при λ_Н=0,7 рассчитывали допустимый ток на неплавящийся электрод.Example 2. In order to determine the power of the power source necessary for the implementation of the proposed method when using a tungsten electrode with a diameter of 6 mm at λ _H = 0.7 calculated the permissible current on the non-consumable electrode.

Для неплавящегося электрода диаметром 6 мм по таблице 1 допускается средний ток прямой полярности при однодуговой сварке Iсп=400 А, для обратной полярности I_СО=80 А. Отношение допустимых токов I_МП/I_МО=400/80=5. Обратная величина составляет 1-λ_Н=1/5=0,2. Большинство источников питания позволяют получить такое значение. Ближайшее значение, кратное 0,1 составляет 1-λ=0,3. Принимаем последнее значение 1-λ_Н.For a nonconsumable electrode with a diameter of 6 mm according to table 1, the average current of direct polarity in single-arc welding is Isp = 400 A, for reverse polarity I _CO = 80 A. The ratio of permissible currents I _MP / I _MO = 400/80 = 5. The reciprocal is 1-λ _H = 1/5 = 0.2. Most power supplies provide this value. The closest multiple of 0.1 is 1-λ = 0.3. We accept the last value 1-λ _H.

При использовании только импульса тока обратной полярности при однодуговой сварке ток в импульсе I_ПО=80/0,3≈267 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_ПП=400/0,7≈570 А. Данные токи для однодуговой сварки необходимо разделить на 2 в связи с совместным протеканием токов импульсов. Получаем токи 133 А и 285 А В связи с тем, что разница токов импульсов достаточно велика, необходимо подбирать источники питания, обеспечивающиерегулирование токов в импульсах с номинальным током минимум на 300 А и регулирование длительности протекания импульсов.When using only a current pulse of reverse polarity in single-arc welding, the current in the pulse is I _PO = 80 / 0.3≈267 A. When using only a current pulse of reverse polarity I _PP = 400 / 0.7≈570 A. These currents for single-arc welding are necessary divided by 2 due to the joint flow of pulse currents. We get currents of 133 A and 285 A Due to the fact that the difference in pulse currents is quite large, it is necessary to select power supplies that provide regulation of currents in pulses with a rated current of at least 300 A and regulation of the pulse duration.

Пример 3. Производилась односторонняя сварка по предлагаемому способу электродной проволокой Св-АМц диаметром d_Э=1,2 мм на пластин из алюминиевого сплава АД0 толщиной 5=8 мм. Сваривалось стыковое соединение С18 по ГОСТ 14806-80 c V-образной разделкой кромок на подкладке с канавкой. Величина притупления 3 мм, зазор 2 мм. Использовали вольфрамовый электрод диаметром 5 мм. Расход аргона составлял G=10 л/мин.Example 3. One-sided welding was carried out according to the proposed method with an electrode wire Sv-AMts with a diameter of d _E = 1.2 mm on plates of aluminum alloy AD0 with a thickness of 5 = 8 mm. The butt joint C18 was welded in accordance with GOST 14806-80 with V-shaped groove on a lining with a groove. The magnitude of the blunting is 3 mm, the gap is 2 mm. A tungsten electrode 5 mm in diameter was used. The argon flow rate was G = 10 L / min.

При однодуговой сварке неплавящимся электродом на однофазном переменном токе промышленной частоты было установлено, что притупление полностью проплавляется при диаметре электрода 4 мм на скорости V_С=0,7 см/с при токе 200 А. После этого определяли токи импульсов на неплавящийся электрод.In single-arc welding with a non-consumable electrode on a single-phase alternating current of industrial frequency, it was found that blunting is completely melted with an electrode diameter of 4 mm at a speed V _C = 0.7 cm / s at a current of 200 A. After that, the pulse currents to the non-consumable electrode were determined.

Дуга с неплавящегося электрода питалась от сварочного источника питания с разнополярными импульсами тока прямоугольной формы типа TIG200PAC/DC. Источник питания позволяет использовать импульсы с частотой 60 Гц. Номинальный ток источника питания 200 А. Технические характеристики источника питания приведены в таблице 5.The arc from the non-consumable electrode was powered by a welding power source with bipolar rectangular current pulses of the TIG200PAC / DC type. The power supply allows 60 Hz pulses. The rated current of the power supply is 200 A. The technical characteristics of the power supply are shown in Table 5.

Баланс обратной полярности в дуге с неплавящегося электрода действия был выбран ориентировочно 1-λ_Н=0,2, затем подбирались равные токи импульсов прямой и обратной полярности. Для неплавящегося электрода диаметром 4 мм по таблице 1 допускается средний ток прямой полярности при однодуговой сварке I_СП=295А, для обратной полярности I_СО=40А. Отношение средних допустимых токов I_МП/I_МО=295/40=7,38. Обратная величина составляет 1-λ_Н=1/7,38=0,136. Источники питания не позволяют получать такое значение. Принимаем ближайшее возможное значение 1-λ_Н=0,2. При использовании только импульса тока обратной полярности при однодуговой сварке ток в импульсе I_ПО=40/0,2=200 А. При использовании только импульса тока прямой полярности I_ПП=295/0,8≈369 А. В данном случае расчетные токи не совпадают между собой. Принимаем меньшее из расчетных значений. Для однодуговой сварки необходимо разделить токи на 2. Тогда ток импульсов составит 100 А. Получаем I_НО=I_НП=100 А. Стойкость вольфрамового электрода при этом токе будет обеспечена, так как приняли меньшее из расчетных значений.The balance of reverse polarity in the arc from a non-consumable electrode of action was chosen approximately 1-λ _H = 0.2, then equal currents of pulses of direct and reverse polarity were selected. For a nonconsumable electrode with a diameter of 4 mm according to table 1, the average current of direct polarity in single-arc welding is I _SP = 295A, for reverse polarity I _CO = 40A. The ratio of the average permissible currents I _MP / I _MO = 295/40 = 7.38. The reciprocal is 1-λ _H = 1 / 7.38 = 0.136. Power supplies do not allow this value to be obtained. We accept the nearest possible value 1-λ _H = 0.2. When using only a current pulse of reverse polarity in single-arc welding, the current in the pulse is I _PO = 40 / 0.2 = 200 A. When using only a current pulse of direct polarity I _PP = 295 / 0.8≈369 A. In this case, the calculated currents are not coincide with each other. We accept the smaller of the calculated values. For single-arc welding, it is necessary to divide the currents by 2. Then the pulse current will be 100 A. We get I _HO = I _NP = 100 A. The resistance of the tungsten electrode at this current will be ensured, since the lower of the calculated values is taken.

Для диаметра плавящегося электрода 1,2 мм согласно таблице 4 подходят токи обратной полярности 120…150 А. Принимаем ток 150 А, так как он обеспечивается данным источником. Наряду с высокой производительностью наплавки получим существенное проплавляющее воздействие дуги с плавящегося электрода.For a consumable electrode diameter of 1.2 mm, according to Table 4, currents of reverse polarity of 120 ... 150 A are suitable. We accept a current of 150 A, since it is provided by this source. Along with the high productivity of surfacing, we will obtain a significant penetrating effect of the arc from the consumable electrode.

Поскольку токи полярностей равны, то эффективный коэффициент расплавления период α_РЭ можно определить по формуле (8). Коэффициент расплавления электродной проволоки мало зависит от ее диаметра. Поэтому, как и в примере 1, принимаем α_РЭ≈17,2 г/(А⋅ч). Производительность расплавления при токе в плавящийся электрод 150 А составит П=17,2⋅150=2,58 кг/час.Since the polarity currents are equal, the effective melting coefficient, the period α of the _RE can be determined by the formula (8). The melting coefficient of the electrode wire depends little on its diameter. Therefore, as in example 1, we take α _RE ≈17.2 g / (Ah). The melting capacity at a current into the consumable electrode of 150 A will be P = 17.2 - 150 = 2.58 kg / h.

При выполнении сварки получили полное проплавление притупления кромок, несмотря на уменьшение тока по сравнению с однодуговой сваркой неплавящимся электродом с 200 А до 150 А. Оказало влияние проплавляющее действие второй дуги с плавящимся электродом. При сварке была заполнена полностью разделка кромок сечением 30 мм с небольшой выпуклостью высотой 0,5 мм.When performing welding, complete penetration of blunt edges was obtained, despite a decrease in current compared to single-arc welding with a non-consumable electrode from 200 A to 150 A. The penetrating effect of the second arc with a consumable electrode had an effect. When welding, the groove was completely filled with a section of 30 mm with a small bulge 0.5 mm high.

Способ может быть реализован с помощью выпускаемых серийно промышленностью сварочных источников питания разнополярных импульсов тока, полуавтоматов и автоматов для механизированной и автоматической сварки в инертных газах с подачей присадочной проволоки. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.The method can be implemented using serially produced welding power sources of bipolar current pulses, semi-automatic machines and automatic machines for mechanized and automatic welding in inert gases with filler wire feed. Therefore, the method has industrial applicability.

Claims

A method of mechanized arc welding of aluminum alloys in an argon atmosphere, including a combination of a non-consumable tungsten and consumable electrodes with the formation of a common weld pool and with a periodic pulse power supply of direct arcs, while the arc from a non-consumable tungsten electrode is fed with multipolar current pulses, and high-frequency pulses are used to re-excite the arcs. pulses, characterized in that each of the arcs is fed continuously from its own power source with bipolar current pulses and with a pulse frequency of at least 50 Hz, while the ratio of the duration of the current pulse of direct polarity to the nonconsumable electrode to the duration of the welding period of the first power source is selected within 0 , 8-0.6, and the average current of pulses on a non-consumable electrode is selected as a value equal to the maximum permissible current of direct and reverse polarity in single-arc direct current welding for the same electrode diameter, while the ratio of the duration of the current flow The polarity to the consumable electrode to the duration of the welding period of the second power source is selected in the range 0.8-0.4, and the average current of pulses to the consumable electrode is selected to be equal to the current for single-arc welding with an arc of reverse polarity for the same electrode diameter.