Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой
Предложена система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода в разделке при сварке в узкий зазор титана вольфрамовым электродом с магнитоуправляемой дугой, использующая непосредственное измерение напряжения дуги при ее отклонении в крайние положения. Экспериментально установлен...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102778 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой / В.Ю. Белоус, С.В. Ахонин // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 36-39. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859927832336007168 |
|---|---|
| author | Белоус, В.Ю. Ахонин, С.В. |
| author_facet | Белоус, В.Ю. Ахонин, С.В. |
| citation_txt | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой / В.Ю. Белоус, С.В. Ахонин // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 36-39. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Предложена система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода в разделке при сварке в узкий зазор титана вольфрамовым электродом с магнитоуправляемой дугой, использующая непосредственное измерение напряжения дуги при ее отклонении в крайние положения. Экспериментально установлена зависимость между смещением вольфрамового электрода от центра разделки и амплитудой колебаний напряжения дуги.
A system of automatic regulation of tungsten electrode position in the groove in tungsten electrode narrow gap welding of titanium by magnetically-impelled arc is proposed, in which direct measurement of arc voltage at its deviation to the extreme positions is used. A dependence between shifting of tungsten electrode from the groove center and amplitude of arc voltage oscillations is experimentally established.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:08:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:669.295
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ПОЛОЖЕНИЯ ВОЛЬФРАМОВОГО ЭЛЕКТРОДА ПРИ СВАРКЕ
ТИТАНА В УЗКИЙ ЗАЗОР С МАГНИТОУПРАВЛЯЕМОЙ ДУГОЙ
В. Ю. БЕЛОУС, канд. техн. наук, С. В. АХОНИН, д-р техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Предложена система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода в разделке при сварке
в узкий зазор титана вольфрамовым электродом с магнитоуправляемой дугой, использующая непосредственное
измерение напряжения дуги при ее отклонении в крайние положения. Экспериментально установлена зависимость
между смещением вольфрамового электрода от центра разделки и амплитудой колебаний напряжения дуги.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка ТИГ, титановые сплавы,
вольфрамовый электрод, смещение вольфрамового электро-
да от центра стыка, системы слежения
Сварка в узкий зазор (СУЗ) вольфрамовым элек-
тродом является производительным и экономич-
ным способом соединения титана толщиной более
16 мм. По сравнению с дуговой сваркой в V- или
U-образную разделку способ СУЗ имеет опреде-
ленные технологические преимущества — умень-
шение ширины шва и зоны термического влияния,
а также снижение массы наплавляемого металла,
что особенно важно при сварке титана.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработана техно-
логия СУЗ титана и сплавов на его основе воль-
фрамовым электродом с магнитоуправляемой ду-
гой [1]. Применение внешнего управляющего маг-
нитного поля позволило перераспределять тепло
дуги, которое вводится в сварное соединение ти-
тана, достичь надежного оплавления вертикаль-
ных стенок узкой разделки и обеспечить качес-
твенное формирование сварного соединения.
В соответствии с указанной технологией свар-
ка выполняется вольфрамовым электродом, ко-
торый опущен в разделку, при этом защитное соп-
ло расположено над свариваемыми кромками, что
позволяет выполнять разделку шириной 10 мм.
Магнитопровод электромагнита совмещен с нап-
равляющей для подачи присадочной проволоки
и находится в разделке перед вольфрамовым элек-
тродом. Электромагнит создает магнитное поле,
силовые линии которого в зоне дуги главным об-
разом направлены вдоль линии сварки, при этом
значение магнитной индукции достигает 12 мТл.
Такое магнитное поле является поперечным по
отношению к дуге, а его направление с опреде-
ленной частотой меняется на противоположное.
СУЗ протяженных прямолинейных стыков, как
правило, сопровождается нежелательными попе-
речными смещениями вольфрамового электрода
по отношению к расчетной центральной плоскости
стыка (от центра стыка). Причиной этого могут быть
отклонение фактического направления сварки от
расчетной центральной плоскости стыка, дефор-
мации свариваемых деталей, возникающие в про-
цессе сварки в результате воздействия сварочного
термического цикла и др. Эти смещения могут быть
значительными и привести к замыканию вольфра-
мового электрода на боковую стенку разделки. В
случае смещения вольфрамового электрода от цен-
тра стыка при СУЗ может нарушиться равномер-
ность оплавления боковых стенок разделки, что
приведет к образованию непроваров и несплавле-
ний в шве, а также формированию дефектной по-
верхности наплавленного слоя.
Поэтому при разработке технологии СУЗ с
магнитоуправляемой дугой для формирования ка-
чественного сварного соединения необходимо
оценить влияние смещения вольфрамового элек-
трода от центра стыка на процесс сварки, а имен-
но, на распределение тока в боковых стенках, раз-
делки, напряжение на дуге и формирование свар-
ного шва. Представляется перспективным исполь-
зование сварочной дуги, которая перемещается
под воздействием внешнего управляющего маг-
нитного поля, для контроля за смещением элек-
трода от центра стыка.
Этому и посвящена настоящая работа. При
этом исходили из того, что применение внешнего
управляющего магнитного поля при СУЗ приво-
дит к перераспределению энергии сварочной дуги,
которая вводится в свариваемый металл пооче-
редным отклонением дуги к боковым стенкам раз-
делки под действием силы Лоренца, возникающей
вследствие взаимодействия магнитного поля с то-
ком дуги. Она отклоняет дугу и смещает анодное
пятно на вертикальную боковую стенку разделки.
Изменение расстояния между вольфрамовым
электродом и боковыми стенками приводит к
изменению как высоты смещения анодного пятна
на вертикальную боковую стенку, так и значений© В. Ю. Белоус, С. В. Ахонин, 2011
36 7/2011
тока, протекающего через вертикальные боковые
стенки. Для оценки нарушения симметричности
разогрева боковых стенок при смещении воль-
фрамового электрода от центра стыка изучали
влияние смещения вольфрамового электрода на
ток, протекающий через боковые стенки разделки,
который измеряли по способу «секционирован-
ного анода» [2].
Экспериментально определено, что с измене-
нием расстояния между электродом и боковыми
стенками разделки меняется и значение тока, про-
текающего через боковые стенки 1 и 2 (рис. 1).
При смещении вольфрамового электрода от цен-
тра стыка значение сварочного тока, протекаю-
щего через ближнюю боковую стенку разделки
1, увеличивается, а через дальнюю 2 — умень-
шается. Установлено, что смещение электрода на
1 мм приводит к уменьшению доли тока X, про-
текающего через стенку 1, на 4…5 % и увели-
чению доли тока, протекающего через 2 стенку,
на 15…25 %. Поэтому в результате смещения
вольфрамового электрода от центра стыка нару-
шается симметричность тепловложения в сварное
соединение, что приводит к оплавлению боковых
стенок разделки на разной глубине и высоте.
Таким образом, при СУЗ магнитоуправляемой
дугой для поддержания симметричного теплов-
ложения в боковые стенки и их равного оплав-
ления необходимо обеспечить расположение
электрода в центре стыка.
При СУЗ титана вольфрамовым электродом с
воздействием внешнего поперечного по отноше-
нию к дуге магнитного поля при отклонении дуги
в крайнее положение фиксируется уменьшение
напряжения на дуге Uд. Это связано с тем, что
расстояние между рабочей частью вольфрамового
электрода и боковой стенкой L1 меньше длины
дугового промежутка L0 при отсутствии откло-
нения сварочной дуги (рис. 2).
В результате смещения вольфрамового элек-
трода от центра стыка происходит уменьшение
значений L1 (рис. 2, б) и увеличение L2 (рис. 2,
в). Соответственно напряжение на дуге Uд1, из-
меренное при отклонении дуги к ближайшей стен-
ке разделки (крайнее левое положение), меньше
напряжения на дуге Uд2, измеренного при отк-
лонении дуги к дальней стенке (крайнее правое
положение). При поочередном отклонении дуги
к противоположным боковым стенкам разделки
напряжение на дуге изменяется с частотой, со-
ответствующей частоте реверсируемого управля-
ющего магнитного поля, т. е. напряжение на дуге
приобретает дополнительные пульсации, ампли-
туда которых ΔU является разностью Uд1 и Uд2
(рис. 3):
ΔU = Uд2 – Uд1. (1)
Определено, что при сварке в медной водо-
охлаждаемой разделке при наложении реверси-
руемого управляющего магнитного поля, если
вольфрамовый электрод установлен в центре сты-
ка, Uд1 = Uд2, а их значения пропорциональны
длине дугового промежутка L0. При сварке в мед-
ной водоохлаждаемой разделке при наложении ре-
версируемого управляющего магнитного поля при
смещении вольфрамового электрода от центра раз-
делки ΔU прямо пропорционально смещению воль-
фрамового электрода от центра стыка и зависит
от длины дугового промежутка (рис. 4).
Определено, что значение ΔU зависит также
от материала разделки. Так, при сварке титана
и сплавов на его основе материал оплавляется и
форма поверхности сварочной ванны отличается от
Рис. 1. Изменение доли тока Х, протекающего через боковую
стенку разделки Iб, в зависимости от расстояния z между
боковой стенкой и плоскозаточенным электродом при Bx =
= 11,4 мТл и Iсв = 400 А; Х = Iб/Iсв
Рис. 2. Схема отклонения сварочной дуги при различном расположении вольфрамового электрода: а — в центре стыка; б,
в — смещение S электрода от центра стыка соответственно в левом и правом положении; остальные обозначения см. в тексте
7/2011 37
первоначальной геометрии разделки, при этом
значение ΔU уменьшается. Зависимость ΔU от сме-
щения вольфрамового электрода от центра стыка
при СУЗ с магнитоуправляемой дугой титанового
сплава ВТ1-0 с использованием присадочной про-
волоки диаметром 2 мм марки ВТ1-00 показана
на рис. 5. При смещении электрода от центра сты-
ка на 2 мм пульсация напряжения ΔU достигает
значения 0,4 В.
Проведенный анализ позволил сделать вывод,
что при СУЗ с управляющим магнитным полем
прямолинейных стыков для формирования качес-
твенного сварного соединения необходимо при-
менение следящих систем, которые корректируют
поперечные смещения вольфрамового электрода
от центра стыка. Анализ образцов сварных швов,
выполненных с различным смещением вольфра-
мового электрода от центра стыка (рис. 6), по-
казал, что качественное формирование их обес-
печивается при смещении вольфрамового элект-
рода на расстояние не более 0,5 мм.
Известны системы слежения, использующие в
качестве источника информации о смещении
линии соединяемых элементов параметры свароч-
ной дуги [3, 4] либо механические или оптические
сенсоры. В связи с малой шириной разделки, зат-
рудненным обзором зоны сварки и ограниченным
доступом к ней перспективно применение сле-
дящих систем, где источниками информации о
смещении электрода являются параметры свароч-
ной дуги. В работе [5] предложена система сле-
жения за стыком, в которой применяют магнитное
отклонение сварочной дуги и измерение мгновен-
ного значения сварочного тока. Поскольку при
СУЗ титана с магнитоуправляемой дугой для
обеспечения надежного оплавления боковых сте-
нок разделки используют внешнее магнитное по-
ле, целесообразно также применение системы сле-
жения с использованием магнитного отклонения
сварочной дуги и измерение одного из ее пара-
метров — напряжения на дуге.
Изучение воздействия внешнего управляющего
магнитного поля на напряжение на дуге при СУЗ
позволило предложить систему слежения, исполь-
зующую один параметр сварочной дуги, — нап-
ряжение на дуге — для контроля за положением
электрода в центре стыка и длиной дугового про-
межутка. Функциональная схема разработанной
системы слежения за напряжением на дуге и рас-
положением вольфрамового электрода в разделке
показана на рис. 7.
Контроллер K1 измеряет напряжение, которое
снимается с токоподвода к вольфрамовому элек-
троду. Сигнал, пропорциональный (Uд1 + Uд2)/2,
подается на исполнительный механизм P1, обес-
печивающий вертикальное перемещение вольфра-
мового электрода, присадочной проволоки и элек-
тромагнита для поддержания постоянного значе-
ния Uд. Сигнал, пропорциональный значению ΔU,
подается на исполнительный механизм P2, кото-
рый обеспечивает поперечное перемещение воль-
фрамового электрода в целях удержания послед-
него в центре разделки. Для определения нап-
равления поперечного перемещения вольфрамо-
вого электрода контроллер К1, измеряющий зна-
Рис. 3. Влияние смещения вольфрамового электрода на нап-
ряжение на дуге Uд: а — диаграмма тока Iм, протекающего
через катушку электромагнита; б — диаграмма напряжения
на дуге
Рис. 4. Зависимость амплитуды пульсаций напряжения на
дуге ΔU от смещения электрода S от центра стыка при СУЗ с
водоохлаждаемой разделкой: 1 — L0 = 5; 2 — 4; 3 — 3 мм
Рис. 5. Зависимость ΔU от смещения электрода S от центра
стыка при СУЗ титанового сплава ВТ1-0 (Iсв = 400 А;Uд =
= 12 В; скорость сварки vсв = 8 м/ч; скорость подачи приса-
дочной проволоки vпр = 120 м/ч диаметром 2 мм)
38 7/2011
чение ΔU, синхронизирован с устройством управ-
ления электромагнитом.
Проведенные эксперименты показали эффек-
тивность предложенной системы автоматического
регулирования напряжения дуги и положения
вольфрамового электрода в разделке и подтвер-
дили высокое качество полученных сварных со-
единений даже при предварительно заданных
отклонениях вольфрамового электрода от геомет-
рического центра стыка.
Выводы
1. Установлено, что при СУЗ с внешним управ-
ляющим магнитным полем смещение вольфрамо-
вого электрода от центра стыка является тем фак-
тором, который существенно влияет на значение
тока, протекающего через боковые стенки раздел-
ки, симметричность тепловложения встык и глу-
бину оплавления вертикальных стенок разделки.
Смещение электрода на 1 мм способствует умень-
шению доли тока, протекающего через дальнюю
стенку на 4…5 %, и увеличению доли тока, про-
текающего через ближнюю стенку, на 15…25 %,
а также изменению глубины их оплавления.
2. Экспериментально установлено, что смеще-
ние электрода от центра стыка приводит к воз-
никновению разности в уровнях напряжения на
дуге с амплитудой до 0,4 В при ее отклонении
в крайних положениях, при этом частота коле-
баний напряжения дуги соответствует частоте ре-
версирования управляющего магнитного поля. В
условиях СУЗ титана и сплавов на его основе
определено значение коэффициента пропорцио-
нальности между смещением вольфрамового
электрода от центра стыка и амплитудой коле-
баний напряжения на дуге — 0,2 В/мм. Предло-
жена функциональная схема системы автомати-
ческого регулирования положения вольфрамового
электрода в разделке, использующая непосредс-
твенное измерение напряжения на дуге.
1. Paton B. E., Zamkov V. N., Prilutsky V. P. Narrow-groove
welding proves its worth on thick titanium // Welding J. —
1996. — № 4. — P. 37–41.
2. Связь интегрального значения эффективной мощности
осесимметричного источника тепла на сегменте с функ-
цией радиального распределения плотности теплового
потока / П. А. Тополянский, Б. О. Христофис, С. А. Ер-
маков, Н. А. Соснин // Технологии ремонта, восстанов-
ления и упрочнения деталей машин, механизмов, обору-
дования, инструмента и технологической оснастки:
Материалы 6-й Междунар. практ. конф.-выставки, С.-
Петербург, 13–16 апр. 2004 г. — С.-Пб: СПбГПУ, 2005.
— С. 3–9.
3. Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для ду-
говой и шлаковой сварки. — М.: Машиностроение, 1966.
— 395 с.
4. Цыбулькин Г. А. Боковая коррекция текущего положения
сварочного инструмента на основе непрерывного изме-
рения сварочного тока // Автомат. сварка. — 1994. —
№ 7/8. — С. 28–31.
5. Лебедев В. К., Черныш В. П. Автоматизация сварочных
процессов. — Киев: Выщ. шк., 1986. — 296 с.
A system of automatic regulation of tungsten electrode position in the groove in tungsten electrode narrow gap welding
of titanium by magnetically-impelled arc is proposed, in which direct measurement of arc voltage at its deviation to the
extreme positions is used. A dependence between shifting of tungsten electrode from the groove center and amplitude
of arc voltage oscillations is experimentally established.
Поступила в редакцию 14.03.2011
Рис. 6. Формирование поверхности наплавленного слоя при смещении вольфрамового электрода от центра стыка на рассто-
яние 0,2 мм (а), 0,5 (б), 0,7 (в), 1,0 (г) и 1,5 мм (д)
Рис. 7. Функциональная схема системы слежения за напряже-
нием на дуге и расположением вольфрамового электрода в
разделке: 1 — устройство управления электромагнитом; 2 —
программируемый контроллер; 3, 4 — приводы перемещения
электрода вертикально и поперек разделки; 5 — источник
питания дуги; 6 — цанга с вольфрамовым электродом; М1,
М2 — электродвигатели
7/2011 39
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102778 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:08:05Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Белоус, В.Ю. Ахонин, С.В. 2016-06-12T14:29:46Z 2016-06-12T14:29:46Z 2011 Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой / В.Ю. Белоус, С.В. Ахонин // Автоматическая сварка. — 2011. — № 7 (698). — С. 36-39. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102778 621.791:669.295. Предложена система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода в разделке при сварке в узкий зазор титана вольфрамовым электродом с магнитоуправляемой дугой, использующая непосредственное измерение напряжения дуги при ее отклонении в крайние положения. Экспериментально установлена зависимость между смещением вольфрамового электрода от центра разделки и амплитудой колебаний напряжения дуги. A system of automatic regulation of tungsten electrode position in the groove in tungsten electrode narrow gap welding of titanium by magnetically-impelled arc is proposed, in which direct measurement of arc voltage at its deviation to the extreme positions is used. A dependence between shifting of tungsten electrode from the groove center and amplitude of arc voltage oscillations is experimentally established. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой System for automatic regulation of position of tungsten electrode in narrow-gap magnetically controlled arc welding of titanium Article published earlier |
| spellingShingle | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой Белоус, В.Ю. Ахонин, С.В. Производственный раздел |
| title | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой |
| title_alt | System for automatic regulation of position of tungsten electrode in narrow-gap magnetically controlled arc welding of titanium |
| title_full | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой |
| title_fullStr | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой |
| title_full_unstemmed | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой |
| title_short | Система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой |
| title_sort | система автоматического регулирования положения вольфрамового электрода при сварке титана в узкий зазор с магнитоуправляемой дугой |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102778 |
| work_keys_str_mv | AT belousvû sistemaavtomatičeskogoregulirovaniâpoloženiâvolʹframovogoélektrodaprisvarketitanavuzkiizazorsmagnitoupravlâemoidugoi AT ahoninsv sistemaavtomatičeskogoregulirovaniâpoloženiâvolʹframovogoélektrodaprisvarketitanavuzkiizazorsmagnitoupravlâemoidugoi AT belousvû systemforautomaticregulationofpositionoftungstenelectrodeinnarrowgapmagneticallycontrolledarcweldingoftitanium AT ahoninsv systemforautomaticregulationofpositionoftungstenelectrodeinnarrowgapmagneticallycontrolledarcweldingoftitanium |