Спосіб дугового зварювання неплавким електродом із використанням зовнішніх комбінованих керуючих магнітних полів і пристрій для його реалізації

1 Спосіб дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів, що включає створення в зоні зварювання аксіальних та радіальних магнітних полів, які взаємодіють зі струмом в розплаві зварювальної ванни, який відрізняється тим, що час зварювання шва розділяють на періоди, які чергуються, протягом одного із них за допомогою електромагнітної системи, в зоні зварювання створюють реверсивне аксіальне магнітне поле для керування процесами кристалізації металу шва, а протягом другого - однополярне радіальне магнітне поле для керування процесами формування шва, при цьому час дії, величину і напрямки аксіального та радіального магнітних полів регулюють незалежно один від одного 2 Пристрій для дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів, що містить інтерфейс вводу, тиристорний комутаційний блок, силовий блок живлення і програмно-логічний блок, який включає дешифратор вхідних даних, блок фазного регулювання, блок формування часових інтервалів, блок формування імпульсних послідовностей , блок синхронізації та блок живлення, який відрізняється тим, що в програмно-логічний блок включено комутатор направлень, група входів та виходів якого підключена ВІДПОВІДНО ДО ВИХОДІВ блока формування імпульсних послідовностей та керуючих входів тиристорного комутаційного блока, до входів якого підключено виходи силового блока живлення, при цьому виходи тиристорного комутаційного блока підключено до котушок електромагнітної системи О Винахід відноситься до зварювання, зокрема, до способів дугового зварювання неплавким електродом у захисних газах із застосуванням ЗОВНІШНІХ керуючих магнітних полів Відомий спосіб дугового зварювання неплавким електродом, при якому для керування процесами формування швів в об'ємі зварювальної ванни створюють, за допомогою чотирьох полюсної електромагнітної системи, що складається з двох двополюсних електромагнітів із П - подібним осердям, які розміщені над зварювальним виробом, радіальні магнітні поля До того ж при взаємодії зварювального струму з радіальними магнітними полями у зварювальній ванні виникають об'ємні сили спрямовані або в гору або до низу, які сприяють компенсації гравітаційних сил, що діють на розплавлений метал зварювальної ванни [Акулов А И , Рыбачук А М Удержание жидкого металла сварочной ванны поперечным магнитным полем Сварочное производство, 1972, № 2, С 3-4] Недоліком такого способу є те, що при запропонованій схемі створення керуючих магнітних полів у зоні зварювання не можливо досягти тих значень аксіальних магнітних полів, що дозволяють керувати процесами кристалізації метала зварювальної ванни шляхом створення потоків рідкого металу, які спрямовані до фронту кристалізації зварювальної ванни Відомий спосіб дугового зварювання з електромагнітним перемішуванням розплаву зварювальної ванни, в якому, для керування процесами кристалізації у зоні зварювання створюють, за допомогою електромагніта з циліндричною котушкою, який розміщують коаксіальна електроду на елементі корпусу пальника, аксіальні реверсивні магнітні поля При цьому в зварювальній ванні виникають об'ємні сили, як результат взаємодії аксіального поля із струму в розплаві, що змушу со ^о Ю 50430 ють метал рухатись з головної частини ванни у хвостову, де і відбувається процес кристалізації [А с № 305969 СССР, МПК В23К9/08, Черныш В П и др Способ электромагнитного перемешивания расплава сварочной ванны - Опубл 11 06 71, Бюл №19] Недоліком такого способу є те, що при перемішуванні розплаву зварювальної ванни відбувається підтікання рідкого металу під дугу, що знижує інтенсивність теплопередачі до основного металу та ,як наслідок, призводить до зменшення глибини провару До того ж аксіальне магнітне поле в зоні зварювання при його взаємодії зі зварювальною дугою призводить до розосередження останньої, що спричинює зменшення глибини провару основного металу При цьому використання аксіальних магнітних полів при зварюванні позитивно впливають на процес кристалізації металу шва Поряд із цим, при зварюванні, зменшення глибини проплавлення в багатьох випадках є явищем неприпустимим Відомий пристрій для електромагнітного перемішування розплаву зварювальної ванни, що містить електромагніт створення керуючого магнітного поля, джерело живлення електромагніта, тиристорний інвертор, ключовий елемент, комутатор направлень, лічильний блок, джерело живлення елементів лічильного блоку та формувач імпульсів Пристрій забезпечує точність відліку часових інтервалів у кожній імпульсній ПОСЛІДОВНОСТІ та незмінність глибини проплавлення при збереженні необхідних умов кристалізації металу зварного шва, шляхом формування шпаруватості в межах кожної імпульсної ПОСЛІДОВНОСТІ [А с № 923764 СССР, МПК В23К9/08, Черныш В П и др Устройство электромагнитного перемешивания расплава сварочной ванны - Опубл 30 04 82, Бюл №16] Недоліком такого пристрою є те, що він не забезпечує фазне регулювання значень струму в межах кожної імпульсної ПОСЛІДОВНОСТІ Найбільш близьким по технічній сутності до винаходу є спосіб дугового зварювання неплавким електродом з ЗОВНІШНІМИ електромагнітними діями, що реалізують із застосуванням пальника для зварювання з ЗОВНІШНІМИ електромагнітними діями, до складу якого входить шестиполюсна електромагнітна система, яка дозволяє, шляхом створення, в зоні зварювання, аксіальних або радіальних керуючих магнітних полів, що є результатом додатку магнітних полів, від кожного електромагніта, керувати або процесами кристалізації металу шва або процесами формування шву, в наслідок виникнення у зварювальній ванні об'ємних сил, від напрямку дії яких залежить реалізація того або іншого процесу [Патент України № 42252А, МПК В23К9/08, Малишев О В Рижов Р М Пальник для зварювання з ЗОВНІШНІМИ електромагнітними ДІЯМИ Опубл 11 10 01, Бюл №9] Недоліком такого способу є те, що в процесі зварювання шву з використанням електромагнітної системи пальника або керують процесами кристалізації металу шву, або - процесами формування шву Це пов'язано з тим, що, переважаючий розподіл магнітного поля в зоні зварювання, тобто або аксіальний, або радіальний, задають на початку зварювання і в процесі зварювання не змінюють Змінювати конфігурацію керуючого магнітного поля під час зварювання із застосуванням існуючого пристрою неможливо через порушення стабільності процесу зварювання, що призводить до появи дефектів у зварному шві Найбільш близьким до пристрою є пристрій для електромагнітного перемішування розплаву зварювальної ванни, якій складається із програмно-логічного й силового блоків та блоку завдання параметрів керуючого магнітного поля, який реалізовано на декадному перемикачі Програмнологічний блок включає лічильник, програматор, дешифратор, генератор імпульсів подвійної частоти мережі, фазообертач, блок попереднього завдання, дві схеми співпадання керуючих імпульсів та джерело живлення елементів лічильної схеми Силовий блок складається із силового джерела живлення та тиристорного комутатора, до виходів якого підключають пристрій створення керуючого магнітного поля або електромагніт або електромагнітну систему До того ж, додатково до складу силового блоку включають блок перемикачів входи якого з'єднують з виходами тиристорного комутатора, а виходи - із котушками електромагнітної системи При цьому пристрій забезпечує зміну амплітуди, частоти реверсування та напрямків струмів живлення пристрою створення керуючих магнітних полів Величину струму задають потенціометром на панелі керування [Кораб Н Г, Скачков И О , Матяш В И Система управления электромагнитными воздействиями при сварке Автоматическая сварка ,1993, № 11,С 52 - 53] Недоліками пристрою є те, що живлення котушок електромагнітів здійснюють від одного загального джерела живлення, а це не дає можливість окремо керувати величинами магнітних полів кожного електромагніта До того ж наявність у пристрої керування блока перемикачів, який забезпечує створення в зоні зварювання різних конфігурацій керуючих магнітних полів, не дозволяє змінювати розподіл магнітного поля в процесі зварювання, а це не дозволяє керувати кристалізацією та формуванням шву під час зварювання Крім того, елементна база пристрою містить велику КІЛЬКІСТЬ дискретних елементів, що збільшує ймовірність відмови пристрою, в разі виходу зі строю хоча б одного з елементів програмнологічного блоку, а це зменшує надійність роботи пристрою в цілому В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу удосконалити спосіб дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів, шляхом керування, під час зварювання, як процесами кристалізації металу шву, так і параметрами формування зварного шву, через регулювання часу дії, величини та напрямку керуючих аксіальних та радіальних магнітних полів, що забезпечує розширення технологічних можливостей при зварюванні та підвищення якості зварного шва, шляхом використання в процесі зварювання комбінованих керуючих магнітних полів Поставлену задачу вирішують тим, що в спо 50430 собі дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів що полягає в створення в зоні зварювання аксіальних та радіальних магнітних полів які взаємодіють зі струмом в розплаві зварювальної ванни, згідно з винаходом, що час зварювання шва розділяють на періоди, які чергуються протягом одного з них за допомогою електромагнітної системи, в зоні зварювання створюють реверсивне аксіальне магнітне поле, для керування процесами кристалізації металу шва, а протягом другого однополярне радіальне магнітне поле для керування процесами формування шва при цьому час дії, величину й напрямки аксіального та радіального магнітних полів регулюють незалежно один від одного Такий спосіб комбінування та керування параметрами магнітних полів в процесі зварювання, забезпечує підвищення якості зварного шва та розширює технологічні можливості при зварюванні із застосуванням керуючих магнітних полів В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу удосконалити пристрій для дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів, шляхом автоматичного керування величиною та напрямками протікання струмів через котушки електромагнітної системи, що забезпечує керування кристалізацією та формуванням шву в процесі зварювання, шляхом створення в зоні зварювання комбінованих керуючих магнітних полів Поставлену задачу вирішують тим, що в пристрої для дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів, що містить інтерфейс вводу, тиристорний комутаційний блок, силовий блок живлення і програмно-логічний блок, який включає дешифратор вхідних даних, блок фазного регулювання, блок формування часових інтервалів, блок формування імпульсних послідовностей, блок синхронізації та блок живлення, згідно з винаходом програмно-логічний блок включено комутатор направлень група входів та виходів якого підключено ВІДПОВІДНО до виходів блоку формування імпульсних послідовностей та керуючих входів тиристорного комутаційного блоку, до входів якого підключено виходи силового блока живлення, при цьому виходи тиристорного комутаційного блоку підключено до котушок електромагнітної системи Це забезпечує, створення в зоні зварювання комбінованих керуючих магнітних полів, шляхом автоматичного керування величиною та напрямками протікання струмів через котушки електромагнітної системи, що дозволяє ефективно впливати на кристалізацію та формування шву в процесі зварювання На фіг 1 показано структурна схема пристрою, на фіг 2 - часова діаграма напруг та струмів у характерних точках схеми, на фіг 3, фіг 4, фіг 5, фіг 6 - силовий вплив на елементарний об'єм металу зварювальної ванни в залежності від розподілу керуючого магнітного поля в зоні зварювання Пристрій (фиг 1) містить програмно - логічний блок 1, до складу якого входить дешифратор вхідних даних 2, блок фазного регулювання 3, блок формування часових інтервалів 4, блок форму вання імпульсних послідовностей 5, блок синхронізації 6, комутатор направлень 7 та блок живлення 8 Групу входів дешифратора вхідних даних 2 програмно - логічного блока 1 з'єднано з виходами інтерфейсу вводу 9, до складу якого входять блок завдання часових інтервалів 10, блок завдання струму 11, тумблер "робота" 12 та тумблер "стоп робота" 13 Групу виходів комутатора направлень 7 програмно - логічного блока 1 з'єднано із входами керування комутаторів КОМІ КОМ6 тиристорного комутаційного блока 14 Силовий блок живлення 15 через силовий канал живлення тиристорного комутаційного блока 14 з'єднаний з котушками електромагнітної системи 16 Розглянемо спосіб дугового зварювання неплавким електродом із використанням ЗОВНІШНІХ комбінованих керуючих магнітних полів на прикладі роботи пристрою, який його реалізує При вмиканні пристрою, напруга живлячої мережі (на кресленні не показано) подається на вхід силового блоку живлення 15 до одного з виходів якого підключено джерело живлення 8 програмно логічного блока 1 3 його виходу подають напруги одну ІІ Ж стабілізовану постійну - для живлення елементів програмно - логічного блока 1, другу иВипр - випрямлену з частотою 100Гц на вхід блока синхронізації 6 для синхронізації роботи пристрою з частотою живлячої мережі При натисканні на тумблер "робота" 12 ВИХІДНІ данні інтерфейсу вводу 9 надходять на групу входів дешифратора вхідних даних 2 Починається процес формування ПОСЛІДОВНОСТІ імпульсів керування комутаторами КОМІ КОМ6 тиристорного комутаційного блока 14 Розглянемо принцип створення керуючого магнітного поля в зоні зварювання на прикладі роботи одного із силових каналів живлення котушок електромагнітної системи (наприклад - КОМІ) тиристорного комутаційного блока 14 Слід зазначити, що кожний з комутаторів КОМІ КОМ6 тиристорного комутаційного блоку 14 має два керуючих входи, в нашому випадку KB 1 1 та KB 1 2 на які надходять керуючи імпульси UKB її UKB 12 (фіг 2) З виходу блока фазного регулювання 3 на вхід блока формування часових інтервалів 4 надходить імпульс напруги U-i, за яким здійснюється часова затримка ti керуючих імпульсів комутатора КОМІ відносно початку напівхвилі випрямленої напруги, що дозволяє здійснити фазне регулювання величини струму через котушку електромагнітної системи При цьому на виходах блока формування часових інтервалів 4 формується ПОСЛІДОВНІСТЬ імпульсів часової тривалості ІІ2 та ІІз, які задають час І2 проходження по котушці електромагнітної системи імпульсів струму Іем однієї полярності (на фіг 2 це відповідає трьом періодам напруги живлячої мережі) 3 виходів блока формування часових інтервалів 4 та блока фазного регулювання З на ВІДПОВІДНІ входи блока формування імпульсних послідовностей 5 надходять імпульси напруг ІІ2, ІІз та ІІ-і, які керують роботою останнього При співпаданні імпульсів напруг або Ui та ІІ2, або Ui та ІІз на ВІДПОВІДНИХ виходах блока формування імпульсних послідовностей 5 формується ПОСЛІДОВНІСТЬ імпульсів або ІЦ або Us - режиму роботи котушки електромагнітної системи, що надходять 50430 на входи комутатора направлень 7 ПОСЛІДОВНІСТЬ керуючих імпульсів UKB 1 І або UKB І 2 з виходів комутатора направлень 7 надходить на керуючи входи KB 1 1 або KB 1 2 комутатора КОМІ, чим досягається проходження по котушці електромагніта імпульсів струму Іем прямої, або зворотної полярності, тобто, зміна напрямку магнітного потоку в зоні зварювання Залежно від того, якої полярності імпульси струму Іем протікають по кожній котушці електромагнітної системи, в зоні зварювання створюють або аксіальні реверсивні, або радіальні однополярні керуючи магнітні поля (Фіг 3, Фіг 4, Фіг 5, Фіг 6) При проходженні через котушки електромагнітів імпульсів струму однієї і тієї ж полярності, в зоні зварювання створюються переважно аксіальні магнітні поля0** як результат векторного додавання аксіальних магнітних полів oZi від кожного електромагніта електS ромагнітної системи '=' При цьому результуючий вектор радіального керуючого поля в зоні зварювання мінімальний, через векторне віднімання ВІДПОВІДНИХ його складових (Фіг З, Фіг 4) Реверсування аксіального магнітного поля а с досягається зміною напрямку протікання імпульсів струму однієї полярності Взаємодія аксіального магнітного поля ° 2 зі струмом 'зе в розплаві зварювальної ванни призводить до виникнення об'ємних сил ' , Я К | сприяють перемішуванню рідкого металу зварювальної ванни та його пере 8 міщенню з її головної частини в хвостову де відбувається процес кристалізації (Фіг 3 та Фіг 4) В випадку, коли через котушки, що знаходяться по різні боки поздовжньої осі шва протікають імпульси струму різної полярності, аксіальне магнітне поле °z на поздовжній осі зварювальної ванни мінімальне, а в зоні зварювання створюються переважно радіальні однополярні магнітні поля При цьому результуючий вектор радіального керуючого поля в зоні зварювання взаємодія зі струмом його розплаві зварювальної ванни призводить до виникнення об'ємних сил F, які спрямовані або в гору або до низу (Фіг 5 та Фіг 6) Періодична зміна розподілу керуючого магнітного поля в зоні зварювання призводить до відповідної зміни напрямку силового впливу на метал зварювальної ванни При цьому створюються умови, які дозволяють керувати в процесі зварювання кристалізацією та формуванням шву Створення в зоні зварювання керуючих магнітних полів припиняється при натисканні на тумблер "стоп - робота" 13 інтерфейсу вводу 9 Зміною ВХІДНИХ параметрів інтерфейсу вводу 9 задається різна конфігурація керуючих магнітних полів в зоні зварювання, що забезпечує реалізацію оптимальних режимів зварювання на постійному та змінному струмі матеріалів різної товщини із покращенням процесів кристалізації та формування швів ІІаипр Ui п п п п пп ш U a U 4 ппп U s UK BH JLJI Л. UK2 B1 Фіг 1 Фіг 2 50430 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 10