НИРС Андреев / MNI[1]

ния реализуется при использовании потенциометра типа ПП-63. Замена нуль-индикатора на электронный усилитель с сервоприводом, осуществляемая в самописцах, позволяет регистрировать изменение температуры с высокой точностью. Для приближенных вычислений температуры хромель-алюмелевой термопарой можно использовать соотношение

Т ХА 26,4n ,

где Т – температура, 0С; n – термо-ЭДС, мВ.

Для измерения и одновременной регистрации температуры, например, термических циклов при сварке, напряжение термопары подают на вход самопишущего потенциометра, имеющего развертку во времени, или на вход магнитоэлектрического осциллографа.

Измерения температур в газовых средах, преимущественно в сварочных дугах и струях горячих газов, представляют собой специальную область измерений. Температуру струи горячего газа определяют методами пирометрии: яркостной, цветовой или радиационной. Используют также термоэлектрические пирометры и зонды.

Наиболее надежным и точным способом измерения температур дуги считается спектральный способ, основанный на измерении и сравнении яркости спектральных линий различных атомов. Различают методы определения температуры по интенсивности спектральных линий молекул, атомов и ионов или по интенсивности непрерывного спектра. Разработаны методы измерения температуры по плотности частиц с помощью голографии, по рассеянию лазерного излучения и др.

Измерение перемещений и деформаций. В ходе сварочного процесса измеряют перемещения, как элементов сварочных установок, так и отдельных точек свариваемого металла. В последнем случае различают перемещения отдельных точек конструкции, приводящие к искажению геометрических форм сварной конструкции (коробление), и перемещения отдельных точек в локальных зонах, расположенных в околошовной зоне, для изучения термодеформационных явлений при сварке. Измерение деформаций является составной частью расчетноэкспериментальных методов определения сварочных временных и остаточных напряжений. Все эти виды измерений сводятся к измерению больших и малых перемещений. Различают механические, электрические, рентгеновские методы измерений перемещений и деформаций, а также методы фотоупругости и Муара.

121

В процессе сварки применяют датчики перемещений и деформаций – механические деформометры с чувствительными элементами, реагирующими на изменения индуктивности катушек, емкости конденсаторов и омического сопротивления.

Отличительной особенностью измерений упругих внутренних деформаций металла под воздействием термодеформационного цикла сварки является использование дифференциального метода, заклю-

чающегося в измерении деформации формоизменения ф и одной из ее составляющих – свободной температурной деформации . Значе-

ние определяют дилатометрически, т.е. в результате свободного изменения размеров образца при нагреве по тому же термическому

циклу, что и при изменении ф .

Разность ф и является

внутренней упругой деформацией металла.

Измерение таких перемещений, как движение элементов сварочных установок, сварочной проволоки, не представляет затруднений.

7.3. Изучение сварочных процессов

Изучение переноса расплавленного электродного металла в сварочной дуге. Перенос – процесс перемещения или перехода расплавленного электродного металла с конца электрода в сварочную ванну.

Существует несколько методик изучения данного процесса: -осциллографирование изменения тока и напряжения сварочной дуги; -скоростная киносъемка дугового пространства; -разделение капель по фракциям после расплавления электрода над

быстровращающимся диском или валом из другого материала. Осциллографирование – изменение сварочного тока и напря-

жения можно производить, используя электронный или светолучевой осциллограф. Если, например, необходимо записать изменение тока и напряжения в течение относительно длительного промежутка времени (обычно больше 1с), то используют светолучевой осциллограф, записывающий осциллограмму изменения тока или напряжения на светочувствительной пленке или бумаге, которая потом подвергается специальной обработке.

122

Электронный осциллограф применяют обычно для записи фиксации на его экране, изменения тока или напряжения за относительно небольшой промежуток времени, менее 1с.

Широкое применение в настоящее время получили запоминающие осциллографы. Они сохраняют изображение сигнала на экране длительное время и поэтому удобны для исследования редко повторяющихся сигналов, которые можно сфотографировать.

Чтобы получить осциллограмму сварочного тока и напряжения необходимо подключить осциллограф к сварочной цепи так, как показано на рисунке 7.4.

После подключения приступают к настройке осциллографа на рабочие режимы. Закончив настройку осциллографа, делают пробную запись осциллограммы, и только после этого приступают к экспериментам по программе исследования. Полученные осциллограммы анализируют, при анализе и обработке можно установить характер переноса элементов металла, а также следующие характеристики процесса переноса: время существования капли, частоту перехода капель, массу капли. Кроме того, по осциллограммам можно установить следующие электрические параметры процесса: минимальное Imin, максимальное Imax и среднее (сварочное) Iсв значения тока, а также напряжение дуги Uд (или Uсв), т.е. осциллографирование дает возможность получить большую информацию о процессе сварки вообще и о процессе переноса электродного металла в частности.

Рис. 7.4. Схема подключения осциллографа:

1 – источник питания сварочной дуги; 2 – шунт; 3 – свариваемое изделие; 4 – электрод; 5 – осциллограф

Скоростная киносъемка дугового межэлектродного пространства производится скоростной кинокамерой при специальном освещении дугового пространства мощным источником света (дуговым про-

123

жектором или ксеноновой лампой). Схема скоростной киносъемки приведена на рисунке (рис. 7.5).

Рис.7.5. Схема установки для скоростной киносъемки:

1 – скоростная кинокамера СКС-1М; 2 – установка для сварки; 3 – прожектор КПТ 2; 4 - оптическая ось; 5 – система линз.

Частота кадров в большинстве случаев от 500–1500 в секунду. Следовательно, процесс образования отрыва и перехода каждой капли фиксируется на нескольких (10 и более) кадров, что позволяет получить обширную информацию. При анализе и обработке результатов скоростной киносъемки можно установит характер переноса электродного металла в сварочной дуге, а также время существования отдельных капель и частоту их перехода с электродов в сварочную ванну.

Кроме того, можно определить массу капли (если известна производительность расплавления электрода), а также установить характер разбрызгивания электродного металла (взрыв электродной капли, выброс капли за пределы сварочной ванны, полет капли до места контакта с поверхностью свариваемого изделия).

Методика проведения эксперимента. С целью проверки воз-

можности управления процессом плавления и переноса электродного металла при импульсном питании сварочной дуги были проведены экспериментальные исследования.

Единственным сравнительно доступным методом исследования кинетики каплеобразования является метод скоростной киносъемки, который в настоящее время получил широкое распространение. При

124

использовании скоростной киносъемки удается выяснить механизм многих важных процессов при сварке открытой дугой.

Сварочная дуга является источником света исключительной яркости, которую можно сравнить с яркостью Солнца. При непосредственном фотографировании дуги фотослой фиксирует изображение светящейся поверхности плазмы, а излучение внутренних ее слоев не достигает светочувствительного слоя. Поэтому капля, находящаяся внутри светящегося столба дуги, остается невидимой. Чтобы сделать ее видимой, освещают столб плазмы источником света, создающий более мощный световой поток, чем сварочная дуга. Наилучшее качество изображения может быть достигнуто при определенном согласовании светочувствительности пленки со спектрами излучения столба дуги, источника света и плавящегося электродного металла. Но необходимые для этого экспериментальные данные о спектральном составе сварочных дуг отсутствуют, поэтому такое согласование производят опытным путем с применением светофильтров.

Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла производилось на специальной установке для скоростной киносъемки (рис. 7.6)

Рис. 7.6. Установка для исследования процесса сварки в углекислом газе при импульсном питании сварочной дуги

Данная установка состоит из следующих основных узлов:

- дуговой прожектор КПТ-2 с доработками под установку ксеноновой лампы 7 ;

125

-источник питания дугового прожектора с падающей внешней характеристикой;

-сварочный источник питания с жесткой внешней характеристикой

ВДУ-504У3 6 ;

-модулятор ИРС-1200АДМ 4 ;

-скоростную кинокамеру СКС-1М 10 ;

-шлейфовый осциллограф Н-145 1 ;

-светолучевой осциллограф С8-13 3 ;

-сварочный стенд, состоящий из:

а) сварочного манипулятора оригинальной конструкции 11 , б) сварочная головка ГСП-2 разделенная на две части 8 .

-сварочные кабели и измерительные провода;

-блок управления сварочными процессами БАРС-2В 12 ;

-газовая аппаратура 2 ;

-схема синхронизации.

Для исследований процесса переноса электродного металла в различных пространственных положениях манипулятор вращается вокруг своей оси при этом оптическая ось остается неизменной (см.

рис. 7.7).

Рис. 7.7. Установка для исследования процесса в положении сварки вертикальных швов

126

Для определения параметров исследуемого импульса при помощи схемы управления производился однократный запуск осциллографа С8-13, с экрана которого он снимался фотоаппаратом.

На кинокадрах 1–12 показан наиболее характерный случай переноса капель при сварке в углекислом газе при импульсном питании длинной дугой (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Осциллограмма и кинограмма процесса сварки при импульсном

питании дуги: Vпод = 450м/ч; Iи =400А; Iср =100А; f = 70Гц; и = 5мс; Iдд = 30А (1мм – 20А; 3,5В; отметчик времени 500Гц)

127

Осциллограмма, снятая шлейфовым осциллографом, и кинограммы процесса сварки с короткими замыканиями дугового промежутка, представлены на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Осциллограмма и кинограммы процесса сварки в среде углекислого газа с принудительными короткими замыканиями дугового промежутка

Изучение процесса методом разделения на фракции. К числу простых и наиболее распространенных методов изучения характера плавления дугой электродного металла является метод наплавки на быстродвижущиеся графитовые или медные пластины. Скорость их поступательного или вращательного движения выбирается такой,

128

чтобы исключить слияние двух следующих друг за другом капель в один объем. На таких пластинах исключается прочное сплавление капель электродного металла с пластинами, что позволяет собирать их и анализировать. Анализ позволяет получить сведения об общем весе капель, распределении их по размерам и химическом составе. Этот метод дает возможность найти также средний вес и частоту перехода капель. Он позволяет обнаружить значительный разброс в весе и размере капель от очень мелких до сравнительно крупных, полученных в одних и тех же условиях горения дуги. Экспериментальными исследованиями установлено увеличение среднего веса капли при повышении длинны дуги и уменьшение с ростом тока. Особенно заметно влияние тока на вес капли при обратной полярности электрода.

Кроме того, можно установить характер разбрызгивания электродного металла (взрыв электродной капли, выброс капли за пределы сварочной ванны, полет капли до места контакта с поверхностью свариваемого изделия).

Разделение капель по фракциям. При этом производятся расплавление электрода над диском (валом), вращается с такой скоростью, при которой каждая последующая капля падает на диск на некотором расстоянии относительно предыдущей. Полученные капли собирают и после отделения шлака с помощью сит разделяют на фракции по размерам и массе. Например, при просеивании капли через отверстие с размером 1мм, 2 и 3 мм капли разделяются на 4 фракции:

d до 1мм; d=1-2мм; d=2-3мм; d 3мм.

При разделении на фракции необходимо помнить, что чем на большее число фракций будут разделены капли, тем более точная кривая распределения будет получена. Обычно кривые распределения строят в координатах: средняя масса капель i-фракции – х; у – процент массы капель i-фракции к их общей массе.

Однако для выяснения деталей процессов плавления и переноса электродного металла методом наплавки на быстровращающиеся пластины недостаточен. Он в какой-то мере фиксирует лишь конечный результат этих процессов, искажая их возможными дроблениями капель при переходе и столкновении с пластиной, химическими реакциями в каплях после их отрыва. Кроме того, дуга между плавящимся электродом и быстродвижущейся пластиной по своим свойствам может существенно отличаться от сварочной. Активное пятно ду-

129

ги на пластине не разогрето до высокой температуры, как сварочная ванна; оно видимо поставляет в столб меньше паров. Пятно перемещается по пластине скачками, что приводит к колебаниям столба и его газовых потоков в пространстве.

Ниже предложен более совершенный метод изучения переноса металла в дуговом промежутке с помощью рентгеновского излучения.

Изучение процесса методом рентгеносъемки. Этот метод,

предложенный И.К. Походней, графически представлен на рис. 7.10. Сущность данного метода заключается в следующем: рентге-

новская трубка просвечивает лучами дуговой промежуток. Получаемое теневое изображение в рентгеновских лучах проектируется на экран электронно-оптического преобразователя, которое преобразуется в видимое и усиливается, затем фотографируется скоростной кинокамерой. Синхронно с киносъемкой осциллографируются ток и напряжение дуги. Кадры киносъемки и соответствующие им участки осциллограмм маркируются сигналами от одного и того генератора. Выбор трубки и оптимальных режимов просвечивания в сочетании с электронно-оптическим преобразованием и усилением и применением кинопленки высокой чувствительности позволили получить контрастные изображения электродов и капель металла при скорости киносъемки до 1500 кадров в секунду. Это позволит количественно изучить кинетику процессов плавления и переноса электродного металла.

Рис. 7.10. Установка для исследования процессов плавления и переносов электродного металла при сварке, где: 1 – рентгеновская трубка;

2, 3 – пластина для наплавки и электрод; 4, 6 – экран электронно-оптического преобразователя; 5 – скоростная кинокамера

130