Автоматизация электрошлаковой сварки

 

Шлаковую ванну можно рассматривать как нелинейное активное сопротивление, зависящее от температуры расплавленного шлака, размеров и формы шлаковой ванны, размеров, относительного расположения и глубины погружения электродов в шлаковую ванну.

Тепловая инерция шлаковой ванны велика. Нагрев электрода происходит главным образом за счет контакта его с расплавленным шлаком. С увеличением скорости подачи электрода взрастает глубина погружения его в шлак и температура шлака, особенно в объеме межу торцом электрода и поверхностью металлической ванны. Сокращение расстояния между торцом электрода и поверхностью металлической ванны, а также повышение температуры шлака приводит к возрастанию проводимости между электродом и металлической ванной и соответствующему увеличению тока.

Режим ЭШС в сравнении с режимом дуговой сварки определяется значительно большим количеством параметров: током I_ш, падением напряжения на ванне U_ш, поперечным сечением электрода F_э, глубиной шлаковой Н_ш и металлической Н_м ванн (рис.5.1), «сухим» вылетом электрода h_э, положением конца электрода относительно зеркала металлической ванны l_ш, скоростью сварки V_св, скоростью

Рис. 5.1. Схема процесса ЭШС (b — толщина заготовок).

 

поперечных перемещений электродов V_п, приближением а и выдержкой электродов у ползунов t, родом тока и полярностью.

Особенность процесса ЭШС – возможность его устойчивого протекания при жестких и пологопадающих характеристиках источников питания. При низком напряжении холостого хода уменьшается вероятность возбуждения дуги между электродом и металлической ванной.

Другой важной особенностью процесса ЭШС является большая, чем при дуговой сварке, взаимосвязанность параметров режима. Так, сварочный ток I_Ш зависит не только от U_Ш, V_П, вылета электрода l_В, но и от зазора δ между кромками свариваемых деталей и скорости сварки. Однако все эти факторы оказывают слабое влияние на I_Ш и главным регулирующим воздействием на сварочный ток считают скорость подачи V_П.

Падение напряжения U_ш зависит от глубины погружения электрода в шлак, равный разности (l_в – h_э), удельного сопротивления шлака (r_ш), сопротивления вылета электрода. Увеличение напряжения сопровождается увеличением расстояния l_ш и уменьшением проводимости ванны. Избыток мощности идет на дополнительное расплавление основного металла. При снижении напряжения величина l_ш уменьшается, проводимость ванны возрастает. Однако средняя температура ванны снижается, что может привести к непроварам. При малых U_ш возможен местный перегрев шлака и его вскипание, которое сопровождается образованием дуги и нарушением процесса ЭШС. При заданном токе I_ш напряжение можно регулировать в значительных пределах изменением ЭДС источника питания. Регулирование процесса ЭШС воздействием на сопротивление сварочной цепи не производится т.к. теряются преимущества сварки от источников с жесткой характеристикой.

Воздействием на скорость V_п или на скорость перемещения ползунов V_св можно регулировать уровень металлической ванны и ее глубину Н_м.

Нормальный ход ЭШС нарушают следующие возмущения:

1) изменение зазора между кромками;

2) изменение физико-химических свойств шлака (r_ш);

3) изменение скорости подачи электродной проволоки, скорости сварки, вылетов проволоки, нестабильных контактов в токоподводящих мундштуках;

4) изменение напряжения сети и параметров сварочной цепи;

Анализ влияния различных возмущений на процесс ЭШС показывает, что практически невозможно компенсировать отклонение одного параметра без нарушения геометрических размеров шва, доли основного металла в шве, термического цикла и т.п. Поэтому для получения качественных сварных соединений необходимо поддерживать с требуемой точностью все параметры режима сварки или изменять их по определенному закону, если это нужно по технологическим соображениям.

Процесс ЭШС имеет много общего с дуговой сваркой с точки зрения регулирования основных энергетических параметров режима. Оба процесса обладают свойством саморегулирования, сходны также кривые устойчивой работы, вольт—амперные характеристики, снятые при постоянных скоростях подачи. Поэтому основные способы регулирования и схемы регуляторов подобны применяемым при дуговой сварке.

Системы саморегулирования. Возникающие в процессе ЭШС при постоянной скорости подачи по тем или иным причинам кратковременные отклонения длины «мокрого» вылета самопроизвольно ликвидируется, если причина возникновения отклонения исчезла. Если же возмущение, нарушившее процесс, сохраняется длительно, то процесс переходит в новое состояние, отличное от исходного. Саморегулирование плавления электродной проволоки при ЭШС в достаточной мере интенсивно, и сварочный ток практически не изменяется при действии на систему любых возмущений.

Наиболее сильное влияние на режим сварки оказывают колебания питающей сети. Относительные изменения U_ш приблизительно равны относительным изменениям напряжения U_и.

Увеличению U_ш соответствует снижение проводимости шлаковой ванны и тока I_ш. Проводимость можно снизить уменьшением мокрого вылета. При чрезмерном повышении U_ш «мокрый» вылет может настолько уменьшится, дальнейшее протекание процесса станет невозможным. Между поверхностью ванны и электродом возбуждается дуга. Оголению электрода также способствуют электромагнитные силы.

Снижению U_ш соответствуют увеличение «мокрого» вылета электрода и возрастание проводимости ванны, при этом процесс переходит в новое состояние. Средняя температура ванны падает, что увеличивает вероятность непровара. При чрезмерном снижении U_ш расстояние l_ш становится настолько малым, что возникает местный перегрев шлака и его вскипание, несмотря на пониженную среднюю температуру ванны. Вскипание шлака ведет также к образованию дуги.

Поэтому стабилизация напряжения на шлаковой ванне — необходимое условие для получения качественного сварного соединения.

Время переходного процесса при саморегулировании ЭШС пропорционально квадрату характерного линейного электрода (например, квадрату диаметра электродной проволоки или квадрату толщины пластины).

Системы регулирования напряжения. Наиболее просто такая система реализуется с помощью тиристорного контактора, последовательно включенного в первичную цепь сварочного трансформатора. В отличие от электродуговой сварки такое включение вполне допустимо, поскольку шлаковая ванна представляет собой активное сопротивление и перерывы в протекании сварочного тока в каждом полупериоде не снижают устойчивости процесса сварки.