сварочный аппарат stt - новая модель источника для электродуговой сварки

Первый источник питания, оптимизированный для управления физическими процессами в сварочной дуге

Эллиотт К. Става
старший инженер, Научно-исследовательский Отдел
The Lincoln Electric Co., Cleveland, Ohio

Сварочный источник питания, реализующий процесс STT (сокр. от Surface Tension Transfer - перенос силами поверхностного натяжения) - это совершенно новая модель источника для электродуговой сварки. Его нельзя причислить ни к источникам с падающими вольтамперными характеристиками, ни к источникам с жесткими характеристиками.

Правильнее считать его источником питания, с высокой скоростью управляющим сварочным током. В зависимости от процессов, происходящих на дуге, аппарат позволяет в считанные микросекунды отстроить величину сварочного тока, необходимую для реализации процесса переноса металла силами поверхностного натяжения. Кроме того, он предназначен для полуавтоматической сварки, при которой изменяется скорость сварки и вылет электрода. Аппарат работает в режиме сварки сериями коротких замыканий.

Области его применения в целом аналогичны тем, что характерны для обычных аппаратов полуавтоматической сварки короткими замыканиями. В качестве защитных газов используется 100 % углекислый газ и его смеси с аргоном для сварки низкоуглеродистых сталей, а также смеси с гелием для сварки нержавеющих сталей.

Основными преимуществами этого метода являются:

• уменьшение разбрызгивания;
• стабильность процесса сварки (стабильность дуги при изменении вылета электрода во время сварки);
• более низкие уровни излучения дуги и дымообразования;
• пониженное тепловложение при сварке тонколистового металла.

Уменьшение разбрызгивания приводит к сокращению времени зачистки перед окончательной отделкой изделия. Кроме того, увеличивается время эксплуатации сопла сварочной горелки до следующей зачистки, особенно при использовании 100% углекислого газа. В условиях процесса STT сварщик чувствует себя более комфортабельно. Источник обеспечивает постоянный и четкий контроль сварочного тока на протяжении всех этапов цикла даже при изменениях вылета электрода.

Такой метод управления облегчает работу сварщика, освобождая его от жесткого контроля вылета электрода в процессе сварки и угла наклона сварочной горелки. При этом он гарантируется получение качественного шва с низким уровнем разбрызгивания. Снижение уровня излучения дуги и дымообразования достигается за счет общего среднего укорочения дуги и минимизации разогрева электрода.

принцип работы

В процессе сварки управляемая источником величина тока зависит от состояния дугового промежутка. Источник определяет, существует ли напряжение между электродом и деталью или электрод закорочен на сварочную ванну. Весь цикл разбит на несколько этапов (см. Рис. 1):

Базовый ток (Т0 - Т1): Постоянный уровень сварочного тока перед этапом короткого замыкания, лежащий в диапазоне 50 - 100 А.

Начальный период короткого замыкания (Т1 - Т2): При замыкании электрода на сварочную ванну (на базовом уровне тока) специальный датчик напряжения дуги подает источнику сигнал о возникновении короткого замыкания. Источник понижает ток с базового уровня до 10 А на время 0,75 миллисекунд. Этот временной интервал необходим для залипания капли, образовавшейся на конце электрода, к поверхности сварочной ванны.

Этап Пинч-эффекта (Т2 - Т3): По истечении указанного времени источник увеличивает ток. Увеличение тока проходит в две стадии и с различными скоростям. На первой стадии происходит резкое повышение тока, что приводит к образованию шейки на конце электрода за счет электромагнитного сжимающего давления, возникающего при Пинч-эффекте. Необходимо отметить, что во время короткого замыкания напряжение между электродом и деталью не равно нулю, т.к. расплавленный металл (при температуре плавления 15500С) имеет высокое электрическое сопротивление. На второй стадии происходит более плавное нарастание тока.

Расчет скорости изменения напряжения дуги dv/dt (Т2 - Т3): В процессе образования шейки происходит изменение напряжения между электродом и изделием. При этом источник постоянно измеряет напряжение и рассчитывает скорость его изменения. Когда величина dv/dt достигает определенного значения, сигнализирующее источнику, что вот-вот произойдет отрыв капли (этот расчет включен в этап Пинч-эффекта), протекающий по электроду ток уменьшается до 50 А в течении нескольких микросекунд. ( Заметьте, что это происходит перед отрывом капли. Т4 - момент времени отделения капли при низком значении сварочного тока ).

Рост капли (Т5 - Т6): Этот этап следует сразу же после разрыва перемычки между  электродом и сварочной ванной. Сварочный ток увеличивается до пикового значения и действует в течении всего этапа. При этом происходит быстрое расплавление конца электрода, рост новой капли и увеличение дугового промежутка. (Геометрия капли на конце электрода неправильная).

Переход на базовый ток (Т6 - Т7): В этот период сварочный ток уменьшается от пикового до базового. С окончанием этого этапа заканчивается сварочный цикл и начинается новый.

Рис. 1 Типичные формы кривых тока и напряжения при сварке STT

Electrode to work Volts - Напряжение на дуге
Electrode Amperes  - Ток, протекающий по электроду
Time   - Время

роль базового тока

Управление величиной базового тока несет в себе две основные функции. Во-первых, он должен обеспечивать дугу количеством энергии, достаточным для преодоления потерь на излучение с целью поддержания определенного объема расплавленной капли на конце электрода. Если же минимально необходимая величина базового тока не обеспечивается, то это приводит к кристаллизации верхней части расплавленной капли на конце электрода. Более того, это может привести к затвердеванию капли, нестабильности дуги и, как следствие, утыканию электродной проволоки в дно сварочной ванны. Во-вторых, от уровня базового тока зависит степень разогрева свариваемого изделия. Например, для определенной длины дуги при использовании в качестве защиты чистого углекислого газа этот уровень приблизительно на 50 % ниже, чем при использовании газовой смеси 75% аргона / 25% СО2. Уровень разбрызгивания значительно повышается при увеличении базового тока более 120 А.

Рис. 2 Процесс STT переноса капли металла в сварочную ванну

Electrode - Электрод
Current Flow - Течение тока
Molten Ball - Расплавленная капля
Weld Puddle - Сварочная ванна
 

В период действия базового тока, когда его величина не превышает 120 А, под действием сил поверхностного напряжения формируется сферическая расплавленная капля. Затем происходит контакт капли и сварочной ванны - короткое замыкание. В этот момент, если сварочный (базовый) ток находится в пределах 150 - 200 А, капля мгновенно отрывается, обычно разрушаясь и разлетаясь в стороны, что приводит к разбрызгиванию. Ток большой величины пытается протечь через узкую перемычку, образовавшуюся между электродом и сварочной ванной, что приводит к выплеску расплавленного металла. Однако, при базовом токе величиной равной, к примеру, 75А такого явления не происходит. Для дальнейшего развития контакта и врастания капли в ванну базовый ток мгновенно падает до 10А. В течении этого времени формируется твердая перемычка между электродом и деталью. По истечении 0,75 миллисекунды источник резко повышает величину тока, текущего по электроду. Это приводит к увеличению сил электромагнитного сжатия. Величина сжимающего давления определяется следующей зависимостью (Рис.2):

G =I²(R²-r²)/100*pi*R⁴  , где
I - сварочный ток, А;
r - расстояние от центра до
рассматриваемой точки, см;
R - радиус шейки, см.

Осесимметричное сжимающее давление максимально в центре и уменьшается до нуля на наружной поверхности проводника. Из приведенной зависимости видно, что величина сжимающего давления прямо пропорциональна квадрату тока, который в данном случае является током этапа Пинч-эффекта. (Описанный здесь Пинч-эффект не следует путать с "пинч-переносом", являющимся основным методом переноса других сварочных процессов, не использующих механизм коротких замыканий, например импульсной сварки.)

увеличение электрического сопротивления

В период когда у закорачивающего мостика образуется шейка происходит уменьшение поперечного сечения этой области. Вследствие этого увеличивается электрическое сопротивление данного участка проводника. Скорость изменения сопротивления во времени dR/dt  определяется путем замера изменения напряжения между электродом и изделием в единицу времени. (На этом отрезке времени ток принимается постоянным.) В контур обратной связи источника включен датчик напряжения дуги, с помощью которого определяется скорость изменения напряжения dV/dt . Когда скорость достигает определенного значения или превышает его контур подает сигнал на источник питания. Этот сигнал свидетельствует о том, что закорачивающая перемычка готова к разрушению или к переходу в сварочную ванну. Источник быстро понижает ток так, что отделение капли происходит при низком уровне сварочного тока, обычно порядка 5А, и понижает разбрызгивание.

После отделения капли дуга восстанавливается и источник прикладывает к ней больший (пиковый) ток. Происходит наращивание столба дуги (Plasma Boost). Пиковое значение сварочного тока определяет скорость увеличения дугового промежутка. На конце электрода быстро образуется расплавленная капля. Одновременно с этим усиливается давление дуги на сварочную ванну (катод), вызывающее ее сжатие, и тем самым, увеличивая длину дуги и снижая вероятность повторного закорачивания электрода. Кроме этого, уменьшение толщины жидкой прослойки в зоне действия дуги приводит к увеличению глубины проплавления свариваемой детали. Пиковый ток действует в течении времени, определяемого микропроцессором из условия формирования капли оптимального размера (порядка 1-2 миллисекунды). Его действие в течении более длительного периода может привести к разбрызгиванию из-за слишком большого объема расплавленного металла, образующегося на конце электрода.

В процессе сварки при кипении расплава происходит испарение металла. Несмотря на то что эти испарения необходимы для создания и поддержания плазменного столба, соединяясь с кислородом они приводят к образованию дыма. Сварочный источник STT значительно понижает уровень дымообразования. Управление формой сварочного тока позволяет значительно уменьшить разбрызгивание и дымообразование.

На этапе роста капли источник контролирует выделяющуюся на ней энергию, чтобы поддержать постоянную скорость плавления даже при изменении вылета электрода.

гашение возмущений

После восстановления дуга переходит в режим горения. На этом этапе происходит экспоненциальное уменьшение тока с пикового значения до базового. Это необходимо для того, чтобы погасить возможные возмущения капли и сварочной ванны, возникающие при резком понижении пикового тока. Сильное влияние на сварочную ванну, вызванное давлением дуги так же должно быть скорректировано, особенно при использовании 100% углекислого газа в качестве защитного.

Под действием базового тока капля на конце электрода за счет собственных сил поверхностного натяжения приобретает сферическую форму. Величина тока зависит от типа защитного газа, марки, диаметра и скорости подачи электродной проволоки. Основная задача базового тока - снабжать дугу количеством энергии, достаточным для обеспечения жидкого состояния капли. Изменяя величину тока, вы можете управлять тепловложением в деталь. К примеру, при сварке в газовой смеси аргон/углекислый газ проволокой класса AWS ER70S-3 (типа Св08ГС) диаметром 1,2 мм (.045") уровень базового тока не должен превышать 120А. Если же в качестве защитного газа применяется 100 % углекислый газ, то максимальный уровень базового тока составляет не более 70 А.

Управление временем действия пикового тока позволяет поддерживать постоянным от цикла к циклу объем расплавленного электродного металла даже при изменении вылета электрода. Для осуществления хорошего переноса металла средний размер (диаметр) расплавленной сферической капли на конце электрода должен составлять 1,2 диаметра электрода. Изменение этого размера может быть скомпенсировано только тепловложением и частотой переноса. Если же объем образовавшейся капли меньше указанного объема полусферы, то в этом случае силы поверхностного натяжения больше, чем те что действуют в процессе переноса. В результате во время сварки будет происходить утыкание проволоки в деталь, дестабилизирующее процесс. В противном случае, если капля имеет диаметр более, чем 1,2 диаметра электрода, силы поверхностного натяжения не могут придать ей необходимую правильную сферическую форму. Геометрическая форма расплава на конце электрода при этом близка к каплевидной. Достаточно даже самого слабого толчка для того, чтобы столкнуть каплю с электрода. Это приводит к повышенному разбрызгиванию и, тем самым, загрязнению поверхностей свариваемых деталей.

принцип управления величиной капли

Поддержание подходящих размеров переносимых капель - основная задача реализованной конструкцией источника схемы саморегуляции. Она работает следующим образом:

Для выбранной марки, диаметра и скорости подачи сварочной проволоки, а также типа защитного газа сварщик выставляет на сварочном источнике необходимые режимы. Встроенный в источник микропроцессор автоматически выставляет подходящий уровень и длительность действия пикового тока, время перехода от пикового к базовому току и значение базового тока. Регулировка тепловложения может осуществляться сварщиком вручную (установка пикового и базового тока на лицевой панели источника) путем увеличения или уменьшения общей энергии, вводимой источником в зону сварки, относительно величины, выставленной микропроцессором. Система выполняет замеры напряжения на дуге в определенные моменты этапа короткого замыкания (Т2 - Т5) когда ток постоянен от цикла к циклу. Это напряжение пропорционально изменяющейся длине вылета электрода. При отсутствии дуги (короткое замыкание) напряжение на дуге так же отсутствует. Получаемые таким образом значения измеренного падения напряжения на вылете постоянно усредняются (Vср). На этапе роста капли эти значения интегрируются, образуя линейную по времени функцию, всегда начинающуюся с нуля в момент начала роста капли (момент Т5). В процессе действия пикового тока величина этого интеграла сравнивается с величиной "тепловложения", просчитанной микропроцессором исходя из введенных в него оператором данных. Как только две эти величины сравниваются (момент Т6), - ток начинает плавно снижаться на базовый уровень. Наклон кривой тока при переходе с пикового на базовый уровень, т.е. скорость снижения тока, пропорциональна величине падения напряжения, измеренного в этом цикле.

Рис. 3  - Сварка углового соединения на подъем при скорости подачи 150 inch/min (3,8 м/мин).
Защитный газ - смесь 75% Аргон / 25% СО2. Слева - с использованием обычного источника для полуавтоматической сварки. Справа - с использованием источника STT.

Таким образом, изменения вылета электрода (сопротивления) приводят к изменению результатов интегрирования падений напряжения на электроде и варьированию временем действия пикового тока. Такая схема саморегуляции позволяет поддерживать объем наплавляемого металла на постоянном уровне вне зависимости от колебаний величины вылета. Изменение вылета мгновенно приводит к изменению уровня тепловой мощности и времени, в течении которого она подводится к сварочному материалу (Ватт   с). Это предотвращает образование слишком крупных капель при удлинении вылета, перегреваемого тепловой мощностью I2R. При уменьшении вылета время действия пикового тока увеличивается, формируя каплю того же размера и обеспечивая, таким образом, стабильную наплавку. Действие такой схемы аналогично эффекту саморегуляции при работе обычного источника для полуавтоматической сварки с жесткой характеристикой, за исключением уровня разбрызгивания. При сварке от такого источника средний ток повышается при укорачивании вылета и наоборот. Отсутствует контроль объема расплавляемого металла. В результате, перенос происходит при хаотичной последовательности коротких замыканий и высоком разбрызгивании.

Рис. 4  - Выполнение горизонтального углового шва при скорости подачи 175 inch/min (4,4 м/мин).
Защитный газ - 100% СО2. Слева - с использованием обычного источника для полуавтоматической сварки. Справа - с использованием источника STT.

наращивание плазменного столба

Этап роста капли, по-другому называемый этапом наращивания плазменного столба (Plasma Boost), играет важную роль в обеспечении хорошего проплавления. Уровень тока на этом этапе цикла довольно высок. При таком токе можно было бы вести сварку проволокой диаметром 1,2 мм (0.045") на скоростях сварки порядка 5 м/мин (200 inch/min). При работе от источника STT с использованием чистого углекислого газа в качестве защитного пиковый ток достигает 450 Ампер. При работе на смеси 75% Аргон / 25% СО2 ток ограничивается на уровне порядка 350 Ампер. Пиковый ток такой величины моментально расширяет столб дуги и создает обширное катодное пятно на детали, активно разогревая ее. Это обеспечивает хорошую текучесть металла, а значит формирование валика и сплавление свариваемых кромок. Стандартные источники с жесткими характеристиками для полуавтоматической сварки MIG имеют некоторые проблемы на этом этапе.

Как только ток повышается для обеспечения хорошего проплавления - процесс короткого замыкания, посредством которого и обеспечивается перенос металла, производит значительное количество брызг.

Фотографии 3 и 4 были сделаны с выдержкой 1 секунда и диафрагмой f16. Сварочным материалом для этого эксперимента послужила проволока класса AWS ER70S-3 диаметром 1,2 мм (.045"). Иллюстрации демонстрируют понижение разбрызгивания обычно присутствующего при полуавтоматической сварке от источника с жесткой вольтамперной характеристикой. При использовании автоматической или роботизированной сварки уровень разбрызгивания понижается еще эффективнее за счет значительно более четкого расположения электрода и стабильной скорости сварки.

На Рисунке 3 изображен процесс выполнения шва сваркой на подъем на низкоуглеродистой холоднокатаной стали толщиной 8 мм с использовании техники поперечных колебаний. Полуавтоматическая сварка от обычного источника (слева) и от аппарата STT (справа) происходит на скорости подачи проволоки 150 inch/min (3,8 м/мин) в смеси газов 75% Аргон / 25% СО2. Сварщик не поддерживал длину вылета и скорость сварки на постоянном уровне, при этом система STT все же обеспечила стабильную наплавку и значительно понизила разбрызгивание. На Рисунке 4 изображен процесс выполнения углового горизонтального шва на том же материале с целью сравнения характера работы тех же сварочных систем. Сварка происходит на скорости подачи 175 inch/min (4,4 м/мин) с использованием 100% углекислого газа.

заключение

На основе всей изложенной выше информации можно сделать следующий вывод: применение источников питания типа STT сокращает потери и накладные сварочные расходы. Понижение уровня разбрызгивания означает снижение затрат, связанных с очисткой свариваемых изделий, используемых приспособлений и деталей сварочных горелок (сопел). Дополнительная экономия достигается с переходом на более дешевый защитный газ (СО2), обеспечивающий высокий уровень качества при работе с источниками STT. Кроме того, значительно повышаются сварочно-технологические свойства процесса, имеющего низкий уровень разбрызгивания и дымообразования. Процесс STT выглядит значительно более привлекательным для сварщика, чем обычная полуавтоматическая сварка от традиционного источника питания.

____________________________
Перевод статьи
"THE SURFACE TENSION TRANSFER POWER SOURCE: A NEW, LOW-SPATTER ARC WELDING MACHINE"
из специального приложения к американскому журналу WELDING JOURNAL

источник: http://www.bestrobots.ru/docs/docs_34.html

см. также:
Сварочный аппарат с технологией Surface Tension Transfer Invertec STT II
Сварочные аппараты для сварки тяжелых конструкций Power Wave 455M & 455M/STT