Способ сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений

Содержание

Введение. 4

1. Способ сварки плавлением неплавящимся электродом. 5

1.1 Описание изобретения. 5

1.2 Анализ изобретения. 7

2. Способ дуговой сварки в среде защитных газов. 11

2.1. Описание изобретения. 11

2.2. Анализ изобретения. 14

3. Способ сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений. 17

3.1. Описание изобретения. 17

3.2. Анализ изобретения. 22

Список использованных информационных источников. 25

Введение

Темой данной курсовой работы является проведение патентного поиска с составлением отчета и анализа изобретений с применением ТРИЗ по теме «Способы дуговой сварки неповоротных стыков труб».

Сварка неповоротных стыков трубопроводов производится для соединения секций между собой при укладке трубопровода, для сварки монтажных стыков и для сварки стыков труб, когда поворот их около оси по каким-либо причинам невозможен. Сварка неповоротных стыков труб во многих случаях производится вручную электродами высокого качества.

Подготовленные под сварку и калиброванные концы труб точно центрируются с помощью хомутов, струбцин, и других сборочных приспособлений. После проверки правильности сборки стык двух труб прихватывается обычно в трех местах. При сборке стыка труб больших диаметров число прихваток увеличивается и их ставят примерно на расстоянии 350—400 мм друг от друга. Высота прихватки должна составлять 40—50% толщины стенки трубы. Качество металла прихваток должно быть не ниже качества шва. При постройке ответственных трубопроводов, как правило, применяют многослойную сварку, обеспечивающую хорошую плотность и улучшенную структуру шва.

Цель курсовой работы: изучение основных приемов и методов ТРИЗа, позволяющих анализировать проблемы, устанавливать системные связи, выявлять противоречия, находить для них решения на уровне оптимальных на примере изобретений по теме: «Способы дуговой сварки неповоротных стыков труб».

Задачи:

1. Провести патентный поиск по теме «Способы дуговой сварки неповоротных стыков труб».

2. Привести полные описания не менее 3-х изобретений по теме поиска.

3. Проанализировать изобретения с определением для каждого технического и физического противоречия и приемов устранения технических противоречий использованных в этих изобретениях.

Способ сварки плавлением неплавящимся электродом.

Описание изобретения

Номер патента:
Класс(ы) патента:	B23K9/167
Автор(ы):	Новиков О.М.; Казаков В.А.; Кулик В.И.; Королев Г.И.

Патент Российской Федерации

Дата публикации: 10.01.1996

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при дуговой сварке в среде защитных газов электродом конструкций из сталей средних толщин от 4 до 10 мм, соединения которых формируются на весу и в различных пространственных положениях, например при сварке потолочных швов, неповоротных стыков трубопроводов и т.п.
Известен способ сварки, при котором для обеспечения равномерно формирования шва в различных пространственных положениях производят в процессе сварки регулирование параметров режима сварки по заданной программе (1).
Недостатком этого способа является то, что при сварке средних толщин без разделки кромок невозможно избежать провисания сварного шва в потолочном положении.
Известен способ сварки, при котором осуществляют периодическое изменение сварочного тока, т. е. сварку ведут пульсирующей дугой (2). При этом обеспечивается импульсное введение тепла в свариваемый металл и тем самым сокращение объема сварочной ванны и повышение ее устойчивости в различных пространственных положениях. Известен способ дуговой сварки в защитных газах, при котором периодически изменяют параметры сварки, при этом синхронно меняют состав подаваемого защитного газа [3]. Однако этот способ пригоден только для сварки толщин до 1,5-2,0 мм, так как при увеличении толщины свариваемого металла до 4,0 мм и более объем и соответственно вес сварочной ванны увеличивается настолько, что обеспечить равномерное формирование шва в различных пространственных положениях не представляется возможным, так как происходит стекание и провисание сварочной ванны. Задача изобретение состоит в обеспечении равномерного формирования шва на весу в различных пространственных положениях при сварке средних толщин.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что при сварке плавлением неплавящимся электродом с использованием двух защитных газов с различными потенциалами ионизации сварку выполняют пульсирующим током и в периоды повышения сварочного тока используют защитный газ с большим потенциалом ионизации, а в периоды снижения тока защитный газ с меньшим потенциалом ионизации.
В связи с тем, что импульсы тока синхронизированы с изменением состава защитного газа создается возможность регулировать не только тепловложение, но и изменять в широких пределах газодинамическое воздействие на сварочную ванну, что в свою очередь позволяет более тонко управлять формированием шва. При этом обеспечивается возможность увеличивать глубину проплавления свариваемого металла и в то же время удерживать жидкий металл от стекания и провисания в потолочном положении. Кроме обеспечения равномерного формирования швов в различных пространственных положениях способ позволяет снизить трудоемкость подготовительных работ за счет исключения операции по разделке кромок, сократить время сварки и экономить сварочные материалы.
Дуговую сварку неплавящимся электродом выполняют пульсирующей дугой. Сварочный ток изменяется от Imin до Imax. В качестве защитного газа используют два газа Г1 и Г2, имеющие различные потенциалы ионизации. Газ Г1 с большим потенциалом ионизации подается в периоды повышения тока до Imax, а газ Г2 в период снижения тока до Imin. Использование защитного газа Г1 в период повышения сварочного тока позволяет изменить энергетические параметры сварочной дуги, увеличивает ее проплавляющую способность и повышает газодинамическое воздействие на сварочную ванну, т. е. позволяет дополнительно увеличить глубину проплавления свариваемого металла и в то же время удерживать жидкий металл от стекания и провисания в потолочном положении. Использование защитного газа с меньшим потенциалом ионизации в периоды снижения сварочного тока ведет к снижению энергетических параметров дуги, т. е. позволяет увеличить скорость кристаллизации сварочной ванны, что дополнительно сокращает возможный объем сварочной ванны и способствует равномерному формированию шва.
П р и м е р. Выполняли дуговую сварку неплавящимся электродом неповоротного стыка трубы из стали 20 диаметром 55 мм с толщиной стенки 5 мм без разделки кромок. В качестве оборудования использовались источник питания ВСВУ-315, сварочная головка ГНС-70М, аппаратура управления БАРС-2В и блок для синхронизированной со сварочным током импульсной подачи двух защитных газов. При этом расход каждого из газов составлял 6-7 л/мин. В качестве защитных газов применялись гелий (Uион=24,6 В) и аргон (Uион=15,8 В). Для сравнения выполняли сварку такого же неповоротного стыка пульсирующей дугой с использованием одного защитного газа.

Кроме обеспечения равномерного формирования швов в различных пространственных положениях способ позволяет снизить трудоемкость подготовительных работ за счет исключения операции по разделке кромок, сократить время сварки и экономить сварочные материалы.

Анализ изобретения

Производят дуговую сварку в среде защитных газов электродом конструкций из сталей средних толщин от 4 до 10 мм, соединения которых формируются на весу и в различных пространственных положениях, например при сварке потолочных швов, неповоротных стыков трубопроводов и т.п.

Необходимо получить сварное соединение с обеспечением равномерного формирования сварного шва в различных пространственных положениях.
Для обеспечения равномерного формирования шва в различных пространственных положениях производят в процессе сварки регулирование параметров режима сварки по заданной программе (1).
Либо осуществлять периодическое изменение сварочного тока, т. е. сварку ведут пульсирующей дугой (2). При этом обеспечивается импульсное введение тепла в свариваемый металл и тем самым сокращение объема сварочной ванны и повышение ее устойчивости в различных пространственных положениях. Также возможно периодически изменять параметры сварки, при этом синхронно менять состав подаваемого защитного газа [3].

При выборе различных способов возникают следующие проблемы. При регулировании параметров режима сварки по заданной программе при сварке средних толщин без разделки кромок невозможно избежать провисания сварного шва в потолочном положении. При сварке в защитных газах, при котором периодически изменяют параметры сварки, при этом синхронно меняют состав подаваемого защитного газа, этот способ пригоден только для сварки малых толщин, так как при увеличении толщины свариваемого металла до 4,0 мм и более объем и соответственно вес сварочной ванны увеличивается настолько, что обеспечить равномерное формирование шва в различных пространственных положениях не представляется возможным, так как происходит стекание и провисание сварочной ванны.

Из данных проблем видно, что возникают технические противоречия.

Техническая проблема 1 - При сварке с изменением параметров режима по заданной программе средних толщин необходимо делать разделку кромок в потолочном положении, а это приводит к дополнительным затратам ресурсов и к увеличению трудоемкости.

Техническая проблема 2 - При сварке в защитных газах с периодическим изменением параметров сварки, при этом синхронно меняют состав подаваемого защитного газа, процесс возможен только при малых толщинах металла, так как при увеличении толщины свариваемого металла до 4,0 мм и более объем и соответственно вес сварочной ванны увеличивается настолько, что обеспечить равномерное формирование шва в различных пространственных положениях не представляется возможным, так как происходит стекание и провисание сварочной ванны.

При анализе данного изобретения физических противоречий не выявлено.

Авторы данного изобретения решили технические проблемы воспользовавшись приемом «объединения» и «вынесения». Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что при сварке плавлением неплавящимся электродом с использованием двух защитных газов с различными потенциалами ионизации сварку выполняют пульсирующим током и в периоды повышения сварочного тока используют защитный газ с большим потенциалом ионизации, а в периоды снижения тока защитный газ с меньшим потенциалом ионизации.
В связи с тем, что импульсы тока синхронизированы с изменением состава защитного газа создается возможность регулировать не только тепловложение, но и изменять в широких пределах газодинамическое воздействие на сварочную ванну, что в свою очередь позволяет более тонко управлять формированием шва. При этом обеспечивается возможность увеличивать глубину проплавления свариваемого металла и в то же время удерживать жидкий металл от стекания и провисания в потолочном положении. Кроме обеспечения равномерного формирования швов в различных пространственных положениях способ позволяет снизить трудоемкость подготовительных работ за счет исключения операции по разделке кромок, сократить время сварки и экономить сварочные материалы.

Кроме обеспечения равномерного формирования швов в различных пространственных положениях способ позволяет снизить трудоемкость подготовительных работ за счет исключения операции по разделке кромок, сократить время сварки и экономить сварочные материалы.

2. Способ дуговой сварки в среде защитных газов.

Описание изобретения.

Номер патента: 2130370

Класс(ы) патента: В23К9/16

Автор(ы): Новиков О.М.; Кулик В.И

Патент Российской Федерации

Дата публикации : 20.05.1999

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в различных отраслях промышленности при дуговой сварке в среде защитных газов.

Известен способ дуговой сварки в среде двух или нескольких инертных газов, при котором в процессе сварки изменяют состав защитного газа и величину сварочного тока (патент США N 3484575 кл. 219-74).

Однако этот способ не всегда обеспечивает получение положительного эффекта из-за отсутствия рекомендаций по выбору величины сварочного тока в зависимости от состава защитного газа.

Известен способ дуговой сварки в среде защитных газов, при котором несколько газов или их смесей подают импульсами, при этом в каждом последующем импульсе используют газы или их смеси, отличающиеся потенциалами ионизации не менее, чем на 20% от потенциала ионизации газа или их смеси предыдущего импульса (патент РФ N 1558604 кл. B 23 K 9/16). Этот способ принят авторами в качестве прототипа.

Способ позволяет повысить качество сварных швов путем изменения условий кристаллизации сварочной ванны при сварке толщин 2 - 4 мм. Однако при сварке толщин менее 2 мм и более 4 мм способ неэффективен, т.к. не обеспечивает необходимое газодинамическое давление на сварочную ванну.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение качества сварных соединений и регулирование глубины проплавления.

Эта задача решается за счет того, что при дуговой сварке в среде защитных газов, при которой несколько газов или их смесей подают импульсами и в каждом последующем импульсе используют газы или смеси, отличающиеся потенциалами ионизации от потенциала ионизации газа или смеси предыдущего импульса, осуществляют периодическое изменение дугового промежутка синхронно с импульсами подачи газов. При этом при сварке малых толщин в период подачи защитного газа или смеси с повышенным потенциалом ионизации дуговой промежуток увеличивают, а в период подачи защитного газа или смеси с пониженным потенциалом ионизации дуговой промежуток уменьшают. При сварке больших толщин в период импульса подачи защитного газа или смеси с повышенным потенциалом ионизации дуговой промежуток уменьшают, а в период подачи защитного газа или смеси с пониженным потенциалом ионизации дуговой промежуток увеличивают.

Сущность способа состоит в следующем. Сварку выполняют постоянной дугой в среде защитных газов с использованием плавящегося или неплавящегося электрода. При этом применяют несколько защитных газов или их смесей, которые подают в горелку поочередно и которые отличаются друг от друга потенциалом ионизации. Синхронно с изменением состава газовой среды изменяют длину дугового промежутка.

Изменяя состав газовой среды в дуговом промежутке изменяют ее потенциал и коэффициент теплопроводности. При этом меняется температура плазмы и напряжение на дуге, пропорционально напряжению на дуге изменяется и величина тока. Поэтому изменение потенциала газовой среды в дуговом промежутке вызывает дополнительные импульсы тока и напряжения, благодаря которым достигается импульсное газодинамическое воздействие на сварочную ванну.

Такое воздействие на сварочную ванну позволяет управлять формированием шва, в том числе при сварке в различных пространственных положениях.

Однако при сварке соединений толщиной до 2 мм управление формированием шва за счет изменения потенциала ионизации защитного газа затруднено из-за широкого диапазона значений газодинамического давления, оказываемого дугой на сварочную ванну. В то же время этого давления достаточно для увеличения глубины проплавления при сварке соединений толщиной более 4 мм.

Поэтому для более эффективного управления формированием соединений в процессе сварки дополнительно изменяют длину дуги, что приводит к изменению ее энергетических и силовых характеристик.

При этом для тонкой регулировки воздействия на сварочную ванну при сварке соединений толщиной до 2 мм синхронно с подачей в зону дуги защитного газа с высоким потенциалом ионизации увеличивают длину дуги, а при подаче газа с низким потенциалом ионизации - уменьшают длину дуги.

Изменяя длину дуги в тех или иных пределах достигают возможности плавного регулирования газодинамического давления, оказываемого дугой на сварочную ванну при изменении потенциала ионизации защитного газа, что обеспечивает повышение качества соединений и получение швов с равномерным формированием проплава и усиления. Для усиления импульсного газодинамического давления на сварочную ванну, что необходимо для увеличения глубины проплавления при сварке соединений толщиной более 4 мм, синхронно с подачей в зону дуги защитного газа с высоким потенциалом ионизации длину дуги уменьшают, а при подаче газа с низким потенциалом ионизации длину дуги увеличивают. Это позволяет повысить глубину проплавления без увеличения погонной энергии сварки, что особенно эффективно позволяет управлять формированием шва при сварке неповоротных стыков труб, сварке на вертикальной плоскости или в потолочном положении, т. к. в этом случае не увеличивается объем сварочной ванны.

Пример 1. Выполняли сварку образцов из стали ВНС-25 толщиной 1,0 мм и 5,0 мм. Сварка осуществлялась неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона и гелия, которые подавали поочередно с помощью специального устройства. В ряде случаев в процессе сварки изменяли длину дуги синхронно с изменением защитного газа. В качестве источника питания использовали ВСВУ-315. Ток сварки составлял при сварке образцов толщиной 1,0 мм 50-70 А, образцов толщиной 5,0 мм 150-170 А, скорость - 12 м/час. Кроме того, при сварке зазор между свариваемыми кромками увеличивали до 0,15 - 0,2 мм. Как видно из полученных результатов, способ, кроме улучшения формирования швов, позволяет получить удовлетворительные соединения при некачественной сборке.

Пример 2. Выполняли сварку плавящимся электродом образцов из алюминиевого сплава 1201 толщиной 5,0 мм. В качестве электрода использовалась проволока того же состава диаметром 2,0 мм. Сварка осуществлялась в среде аргона и гелия, которые подавали поочередно. В качестве источника тока использовался ВДУ-504. Ток сварки составил 140-150 А, скорость - 15 м/час.

Из полученных результатов видно, что способ позволяет устранить такой дефект сварного шва на непровары при одновременном улучшении внешнего вида швов.

Анализ изобретения.

Производят дуговую сварку в среде двух или нескольких инертных газов, при котором в процессе сварки изменяют состав защитного газа и величину сварочного тока.

Однако этот способ не всегда обеспечивает получение положительного эффекта из-за отсутствия рекомендаций по выбору величины сварочного тока в зависимости от состава защитного газа.

Известен способ дуговой сварки в среде защитных газов, при котором несколько газов или их смесей подают импульсами, при этом в каждом последующем импульсе используют газы или их смеси, отличающиеся потенциалами ионизации не менее, чем на 20% от потенциала ионизации газа или их смеси предыдущего импульса. Способ позволяет повысить качество сварных швов путем изменения условий кристаллизации сварочной ванны при сварке толщин 2 - 4 мм. Однако при сварке толщин менее 2 мм и более 4 мм способ неэффективен, т.к. не обеспечивает необходимое газодинамическое давление на сварочную ванну.

Таким образом можно сформулировать следующее техническое противоречие.

Техническое противоречие - Способ дуговой сварки в среде защитных газов, при котором несколько газов или их смесей подают импульсами, при этом в каждом последующем импульсе используют газы или их смеси, отличающиеся потенциалами ионизации не менее, чем на 20% от потенциала ионизации газа или их смеси предыдущего импульса позволяет повысить качество сварных швов путем изменения условий кристаллизации сварочной ванны при сварке толщин 2 - 4 мм. Однако при сварке толщин менее 2 мм и более 4 мм способ неэффективен, т.к. не обеспечивает необходимое газодинамическое давление на сварочную ванну.

Также можно определить физическое противоречие.

Физическое противоречие - Изменение потенциала ионизации позволяет повысить качество сварных швов путем изменения условий кристаллизации, но при сварке толщин меньше 2 мм или более 4 мм не обеспечивается необходимое газодинамическое давление на сварочную ванну.

Авторы данного изобретения решили эту проблему использовав прием «вынесения» и «динамичности». Эта задача решается за счет того, что при дуговой сварке в среде защитных газов, при которой несколько газов или их смесей подают импульсами и в каждом последующем импульсе используют газы или смеси, отличающиеся потенциалами ионизации от потенциала ионизации газа или смеси предыдущего импульса, осуществляют периодическое изменение дугового промежутка синхронно с импульсами подачи газов. При этом при сварке малых толщин в период подачи защитного газа или смеси с повышенным потенциалом ионизации дуговой промежуток увеличивают, а в период подачи защитного газа или смеси с пониженным потенциалом ионизации дуговой промежуток уменьшают. При сварке больших толщин в период импульса подачи защитного газа или смеси с повышенным потенциалом ионизации дуговой промежуток уменьшают, а в период подачи защитного газа или смеси с пониженным потенциалом ионизации дуговой промежуток увеличивают.

Способ сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений.

Описание изобретения.

Номер патента: 2381092

Класс(ы) патента: В23К9/095

Автор(ы): Князьков А.Ф., Бирюкова О.С., Князьков С.А.

Патент Российской Федерации

Дата публикации : 01.2006

Изобретение относится к способу сварки неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений и может быть использовано при сварке во всех пространственных положениях. Дугу питают импульсами сварочного тока с параметрами тока, обеспечивающими горение дуги в динамическом режиме. Дуга, горящая в динамическом режиме, обладает высокой физической устойчивостью в процессе горения, при концентрированном вводе тепла в изделие. Способ обеспечивает управление тепловложением путем плавного изменения частоты следования импульсов, установочного изменения амплитуды импульсов тока путем изменения напряжения источника питания и ступенчатого изменения их длительности в обратно пропорциональной зависимости от отклонения среднего значения напряжения на дуге от заданного. Способ позволяет получать сквозное проплавление металла с образованием технологического отверстия в виде замочной скважины. Обеспечивается формирование корневого слоя с обратным валиком в различных пространственных положениях сварочной ванны.

Изобретение относится к области электродуговой сварки и может быть использовано для сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа для выполнения корневых слоев сварных соединений в различных пространственных положениях.

Известен способ сварки корневого слоя неплавящимся электродом, при котором горение дуги осуществляется в импульсном режиме. Для перемещения электрода используется пошаговое движение сварочной горелки. Образование сварочной ванны происходит во время импульса тока, величина которого зависит от толщины свариваемого изделия. При проплавлении кромок значение сварочного тока снижается на 20-30% от максимального. Сварочная ванна во время паузы частично кристаллизуется, а электрод перемещается на заданную величину, обеспечивающую качественное сплавление металла соседних зон (Шефель В.В. Автоматическая сварка трубопроводов атомных электростанций. // Автоматическая сварка. - 1987. - №2. - С.45-50).

Недостатком данного способа является применение пошагового перемещения электрода. Это приводит к увеличению длительности выполнения корневого слоя. Режимы импульсного питания, предлагаемые в данном способе, не позволяют получить сварочную ванну малых размеров из-за длительного протекания импульса через дуговой промежуток. Во время импульса сварочная ванна увеличивается до предельных размеров, что приводит к увеличению ее жидкотекучести от излишнего перегрева. Недостатком данного способа является снижение тока на 20-30% от максимального значения, тогда как оптимальное снижение тока в период паузы составляет 70-80%.

Известен способ сварки корневого слоя труб неплавящимся острозаточенным электродом в среде аргона, при котором дугу прямой полярности питают импульсами тока, обеспечивающими сквозное проплавление металла изделия. Образование сквозного проплавления металла происходит за счет импульсов тока. Перемещение сварочной головки происходит непрерывно (Гарбуль А.Ф., Канашкин Ю.П. Сварка корня шва неповоротных стыков труб проникающей дугой острозаточенным вольфрамовым электродом в полевых условиях. // Сварочное производство. - 1985. - №6. - С.2-4).

Недостатком данного способа сварки является то, что сварка ведется на больших токах острозаточенным электродом с целью концентрации теплового потока, вводимого в изделие. Большие токи приводят к быстрому нарушению рабочей поверхности электрода и, как следствие, к нарушению формирования корневого слоя. Также к недостаткам относится и незначительное снижение импульса тока 15-25% от максимального значения. Тогда как известно, что оптимальное снижение тока в период паузы составляет 70-80% от значения тока импульса.

Задачей изобретения является повышение качества корневого слоя сварного соединения за счет питания дуги кратковременными импульсами тока, позволяющими перевести стационарную дугу в динамический режим, со сквозным проплавлением металла изделия и образованием технологического отверстия в виде замочной скважины.

Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе сварки корневого слоя труб неплавящимся электродом в защитных газах дугу прямой полярности, горящую между неплавящимся электродом и изделием, питают импульсами тока. Импульсы тока обеспечивают сквозное проплавление металла при непрерывном движении сварочной головки. При этом форма импульсов тока близка к прямоугольной, а длительность импульсов тока ограничивают величиной, обеспечивающей горение дуги во время импульса тока в динамическом режиме. Амплитуду импульсов тока изменяют установочно - изменением напряжения источника питания. Частоту следования импульсов тока - плавно. Длительность импульсов тока - ступенчато, в обратно пропорциональной зависимости от отклонения среднего значения напряжения на дуге от заданного при изменении скрытой составляющей длины дуги.

Эпюра импульсов тока и напряжения представлена на фиг.1. Эпюра изменения частоты следования импульсов при изменении напряжения на дуговом промежутке представлена на фиг.2.

Эпюра изменения длительности импульса от изменения напряжения на дуговом промежутке представлена на фиг.3.

На фиг.1 представлены кривые тока и напряжения при питании дуги импульсами тока предлагаемого способа. На интервале времени t₁-t₂ горит дежурная дуга при минимальном значении тока 5-15 А. В этот период происходит стабилизация процессов в столбе дуги. На интервале времени t₂-t₃ действует импульс тока и напряжения, что приводит к изменению состояния квазинейтральности в столбе дуги. Всплеск напряжения на данном интервале времени связан с компенсацией недостатка термической эмиссии электронов. Термическая эмиссия электронов с катода не соответствует текущим значениям тока вследствие тепловой инерции столба дуги. Длительность импульса тока ограничивается величиной, обеспечивающей горение дуги во время импульса в динамическом режиме. В период времени t₃-t₄ дуга горит при максимальном значении тока. Непосредственно вслед за быстрым нарастанием, когда ток дуги перестал изменяться, дуга находится в неравновесном тепловом состоянии и стремится перейти к статическому состоянию. Длительность промежутка времени настолько мала, что столб дуги и процессы, протекающие в нем, не успевают принять значения, соответствующие максимальным значениям тока и напряжения. В начале периода стабилизации процессов происходит отключение тока импульса. Спад значения тока наблюдается на промежутке времени t₄-t₁ до значений, соответствующих значениям тока дежурной дуги.

Интервал времени t₄-t₁ по длительности в три-четыре раза больше, чем интервал времени t₂-t ₃. Это связанно с исключением эффекта «захлопывания» столба сварочной дуги, связанным с быстрым спадом тока импульса.

Благодаря динамическому режиму столб дуги контрагирован, соответственно меньше размеры анодного пятна, через которое вводится тепловой поток в изделие. Давление динамической дуги при среднем значении тока, соответствующем непрерывному току, существенно выше, что обеспечивает сквозное проплавление металла, с образованием технологического отверстия в виде замочной скважины и выходом на обратную сторону сварного шва ионизированного газового потока. Это позволяет визуально наблюдать процесс формирования шва. При достижении параметров дежурной дуги и окончании паузы между импульсами тока цикл повторяется. Среднее значение тока, которое позволяет определить размеры сварочной ванны, складывается из средней мощности, вводимой в изделие за период импульса. Средняя мощность определяется по формуле

где Т - период;

i_u (t) - значение тока в импульсе;

i _{. .}(t) - значения тока дежурной дуги;

t_u - время длительности импульса.

Регулирование тепловой мощности осуществляют 3 способами:

- путем плавного изменения частоты следования импульсов тока в зависимости от дугового промежутка (автоматически) - фиг.2;

- путем ступенчатого регулирования длительности импульсов (автоматически) - фиг.3;

- путем изменения напряжения источника питания (установочно).

Осуществление предлагаемого способа с питанием дуги кратковременными импульсами тока и сквозным проплавлением позволяет улучшить формирование корневого слоя в различных пространственных положениях и устранить возникновение дефектов.

Пример.

В лаборатории проведены исследования качества корневого слоя сварного соединения при сварке в стык пластин из стали 09Г2С толщиной 8 мм с V-образной разделкой кромок. Сварку осуществляют иттрированным вольфрамовым электродом диаметром 4 мм, заточенным под углом 45° и диаметром притупления торца 0,6 мм. В качестве защитного газа использовали аргон. Сварочный ток изменяют в диапазоне от 270 до 320 А, а частоту следования импульсов - от 750 Гц до 3000 Гц. Длительность импульсов равна 60 мкс, а время паузы варьируется от частоты импульсов.

Образцы собирают в зажимном приспособлении манипулятора, позволяющем производить сварку в различных пространственных положениях (нижнее, вертикальное, потолочное). Зазор в стыке изменяют от 0 до 1,5 мм. Сварка осуществляется на весу, без специальных устройств, позволяющих формировать обратную поверхность шва.

В результате исследования установили, что сварка дугой, питаемой кратковременными импульсами тока, обеспечивает сквозное проплавление корневого слоя сварного шва во всех пространственных положениях. Отсутствие дефектов (поры, газовые полости, непровары) и формирование шва, отвечающего нормативным документам, гарантируется при условии образования технологического отверстия в виде замочной скважины. Усиление шва со стороны, обратной воздействию дуги, находится в допустимых пределах и составляет: в нижнем положении 0,4-0,5 мм; в вертикальном положении 0-0,2 мм; в потолочном положении 0 (не имеет вогнутости). Ширина шва не превышает 4-4,5 мм.

Анализ изобретения

Производят сварку неплавящимся электродом в защитных газах корневых слоев сварных соединений во всех пространственных положениях. Дугу питают импульсами сварочного тока с параметрами тока, обеспечивающими горение дуги в динамическом режиме. Дуга, горящая в динамическом режиме, обладает высокой физической устойчивостью в процессе горения, при концентрированном вводе тепла в изделие.

Известен способ сварки корневого слоя неплавящимся электродом, при котором горение дуги осуществляется в импульсном режиме. Для перемещения электрода используется пошаговое движение сварочной горелки. Образование сварочной ванны происходит во время импульса тока, величина которого зависит от толщины свариваемого изделия. При проплавлении кромок значение сварочного тока снижается на 20-30% от максимального. Сварочная ванна во время паузы частично кристаллизуется, а электрод перемещается на заданную величину, обеспечивающую качественное сплавление металла соседних зон.

Известен способ сварки корневого слоя труб неплавящимся острозаточенным электродом в среде аргона, при котором дугу прямой полярности питают импульсами тока, обеспечивающими сквозное проплавление металла изделия. Образование сквозного проплавления металла происходит за счет импульсов тока. Перемещение сварочной головки происходит непрерывно.

Таким образом можно сформулировать следующие технические противоречия.

Техническое противоречие 1 - Из за пошагового перемещения электрода происходит увеличение длительности выполнения корневого слоя. Режимы импульсного питания не позволяют получить сварочную ванну малых размеров из-за длительного протекания импульса через дуговой промежуток. Во время импульса сварочная ванна увеличивается до предельных размеров, что приводит к увеличению ее жидкотекучести от излишнего перегрева.

Техническое противоречие 2 - Так как сварка ведется на больших токах острозаточенным электродом с целью концентрации теплового потока, вводимого в изделие, большие токи приводят к быстрому нарушению рабочей поверхности электрода и, как следствие, к нарушению формирования корневого слоя.

Проведенный анализ позволяет обнаружить следующее физическое противоречие.

Физическое противоречие - Применение оптимального режима для сварки приводит к незначительным снижениям импульса тока 15-30% от максимального значения. Тогда, как известно, что оптимальное снижение тока в период паузы составляет 70-80% от значения тока импульса.

Авторы решили данные проблемы используя прием «вынесения» и прием «динамичности». Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе сварки корневого слоя труб неплавящимся электродом в защитных газах дугу прямой полярности, горящую между неплавящимся электродом и изделием, питают импульсами тока. Импульсы тока обеспечивают сквозное проплавление металла при непрерывном движении сварочной головки. При этом форма импульсов тока близка к прямоугольной, а длительность импульсов тока ограничивают величиной, обеспечивающей горение дуги во время импульса тока в динамическом режиме. Амплитуду импульсов тока изменяют установочно - изменением напряжения источника питания. Частоту следования импульсов тока - плавно. Длительность импульсов тока - ступенчато, в обратно пропорциональной зависимости от отклонения среднего значения напряжения на дуге от заданного при изменении скрытой составляющей длины дуги.