ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДУГИ НА РАСПЛАВЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКА

INVESTIGATION OF THE FORCE INFLUENCE OF AN ARC ON THE MELTE METAL OF A WELD POOL UNDER THE INFLUENCE OF ULTRASOUND

Artem Chudin

Senior Lecturer, candidate of Technical Sciences, Department "Equipment and technology of welding production",

Russia, Volgograd

Alexander Savinov

Doctor of technical sciences, professor, Department "Equipment and technology of welding production",

Russia, Volgograd

Oleg Polesskiy

Candidate of technical sciences, associate professor, Department "Equipment and technology of welding production",

Russia, Volgograd

Pavel Krasikov

Engineer, Department "Equipment and technology of welding production",

Russia, Volgograd

Dmitry Murugov

Post-graduate student, Department "Equipment and technology of welding production",

Russia, Volgograd

Vladislav Kolyshkin

Student, Volgograd State Technical University, Department "Equipment and technology of welding production",

Russia, Volgograd

АННОТАЦИЯ

Исследовано силовое воздействие дуги на сварочную ванну при воздействии ультразвуковых колебаний. Показана методика определения силового воздействия, определено соотношение давлений от сварочной дуги и от УЗК и их совместного действия к общему давлению дуги.

ABSTRACT

The force effect of the arc on the weld pool under the action of ultrasonic vibrations has been studied. A technique for determining the force impact is shown, the ratio of pressures from the welding arc and from ultrasonic testing and their combined action to the total pressure of the arc is determined.

Ключевые слова: давление дуги, ультразвук, неплавящийся электрод.

Keywords: the pressure of the arc, ultrasonic, non-consumable electrode.

Силовое воздействие дугового разряда (F_д) на свариваемый металл в значительной степени определяет процессы, протекающие в сварочной ванне и проплавляющую способность дуги. Большинство причин, вызывающих ухудшение качества формирования соединения (наличие несплавлений, «перетяжек», подрезов и пор), связаны с величиной критического значения I_д, определяющего интенсивность вытеснения расплавленного металла на оси сварочной ванны. Хотя F_д является, в основном, функцией тока, на его величину, несомненно, оказывают влияние параметры заточки рабочего участка катода, состав защитного газа, а также условия формирования катодных процессов, протекающих при горении дуги [1, 2].

Силовым воздействием дуги на расплавленный металл сварочной ванны  можно управлять, изменяя не только вид защитного газа, форму рабочего участка электрода (тип формируемого катодного пятна), но и воздействуя на дуговой разряд сфокусированными ультразвуковыми колебаниями. Применение УЗК [3,4,5] разной мощности (Р_узк) приводит к существенному изменению давления дуги на жидкий металл сварочной ванны.

Цель работы: исследование силового воздействия дугового разряда на жидкий металл сварочной ванны при воздействии ультразвуковых колебаний.

Методика проведения экспериментов.

Для исследования силового воздействия дуги на расплавленный металл сварочной ванны от величины сварочного тока (I_св) и параметров ультразвуковых колебаний была проведена серия экспериментов. Исследование силового воздействия дуги при сварке на постоянном токе прямой полярности имеет также прикладное значение, т.к. его величина определяет характер движения расплава в объеме сварочной ванны, формирование шва и образование пор, несплавлений и подрезов.

Определение силового воздействия УЗК заключается в следующем: над чашей аналитических весов ВСЛ-60 с точностью измерения 0,0001 г закрепляли сварочную горелку так, чтобы расстояние от торца неплавящегося электрода до поверхности чаши составляло 3 мм, что соответствует длине дуги. Вылет электрода устанавливали таким, чтобы сфокусированная область ультразвуковых волн точно попадала в промежуток между торцом электрода и поверхностью чаши (столб дуги). Ультразвуковой генератор настраивали на частоту 72 кГц, подаваемое напряжение на пьезоэлемент составляло 25 В.

Рисунок 1. Экспериментальная установка для определения силового воздействия сварочной дуги:

1 – сварочная горелка; 2 – пьезоэлектрический преобразователь;  3 – пьезоэлемент; 4 – фокусирующая линза; 5 – неплавящийся электрод; 6 – защитное сопло; ИП – источник питания; УГ – ультразвуковой генератор [6]

В ходе экспериментов мощность ультразвуковых колебаний (P_узк) изменялась от 21 до 45 Вт; использование УЗК меньшей мощности нецелесообразно, т.к. значение развиваемого силового  воздействия (р_узк) было малым, к тому же трудноопределимым. Расход газа при взвешивании дуги равнялся 12 л/мин. Расстояние между катодом и медной пластиной  равнялось l_д = 3 мм. В качестве катода использовали неплавящийся электрод с заточкой на конус 30º. Применение фокусирующей плосковогнутой линзы как излучателя ультразвуковых колебаний требует точного позиционирования пучка УЗК на поверхности пластины, поэтому расстояние от пластины до поверхности излучателя составило 20 мм, равное фокусному расстоянию.

Результаты.

Полученные экспериментальные данные силового действия ультразвуковых колебаний (р_узк) на поверхности заготовки в зависимости от мощности пьезопреобразователя представлены на рисунке 2 [6].

Рисунок 2. Зависимость силового воздействия p_узк. ультразвуковых колебаний от мощности пьезопреобразователя P_узк.

Установлено, что при мощности  ультразвуковых колебаний P_узк. ~ 22 Вт, давление p_узк достигает значения 20,4 Па, а увеличение мощности ведет практически к линейному росту давления и достигает максимального значения 253,6 Па при 45 Вт. Для достижения большего эффекта при измерении силового действия сварочной дуги с воздействием УЗК применялась максимальная их мощность.

Рисунок 3. Зависимость силового воздействия p сварочной дуги от величины тока I_св

Измерение силового действия дуги (рис. 3) показало, что дуговой разряд при токе 30 А развивает давление на поверхность пластины 19,5 Па, при этом увеличение силы тока до 100 А не приводит к большому росту давления, которое составило 92 Па. Существенно меняется значение силового действия дуги (713 Па) при токе 300 А. Данный ток был максимальным для выбранного диаметра электрода, поэтому дальнейшее увеличение тока не дало бы точных значений.

При I_св = 30 А с совместным воздействием ультразвуковых колебаний давление увеличилось до 299 Па, что объясняется влиянием максимального значения p_узк на дугу. При I_св =300 А силовое действие достигает 1044 Па.

Однако если суммировать значения давления ультразвуковых колебаний и сварочной дуги, полученные отдельно, то видно, что при совместном их действии давление на поверхность пластины больше примерно на 9-10%, чем при их сложении (рис. 4).  Прирост давления, по-видимому, является следствием ускорения частиц в дуговом разряде под действием ультразвуковых колебаний, при котором увеличивается теплопередача, а значит и термосиловое воздействие дуги.

Рисунок 4. Соотношение давлений от сварочной дуги и от УЗК и их совместного действия к полному давлению дуги

Выводы

1. Доказано, что воздействие ультразвуковых колебаний на дугу приводит к увеличению ее силового воздействия на жидкий металл сварочной ванны, следовательно, повышает проплавляющую способность и производительность сварки в целом.
2. Установлено, что совместное давление ультразвука и сварочной дуги больше на 9-10%, чем их сумма, полученная отдельно. По- видимому, это является следствием ускорения частиц в дуге за счет ультразвуковых колебаний, при котором увеличивается теплопередача, а значит и термосиловое воздействие.

Список литературы:

1. Ерошенко Л.Е., Прилуцкий В.П., Белоус В.Ю. и др. Аксиальное распределение температуры в дуге при сварке титана вольфрамовым электродом в аргоне // Автоматическая сварка. – 2001. - №3. – С. 11-14.
2. Helmbrecht W.H., Oyler G.W. Shielding gases for inert-gas welding // The welding journal. – 1957. - №10. – P. 969-679.
3. C. S. Wu, C. Y. Zhao, C. Zhang, and Y. F. Li., Ultrasonic vibration-assisted keyholing plasma arc welding, Welding Journal. - 2017. - Vol. 96. - P. 279-286.
4. Sun, Q. J., Lin, S. B., Yang, C. L., and Zhao, G. Q. The arc characteristic of ultrasonic assisted TIG welding. China Welding. – 2008. – Vol. 17. №4. - P. 52–57.
5. Xie, W. F., Fan, C. L., Yang, C. L., and Lin, S. B. Effect of acoustic field parameters on arc acoustic binding during ultrasonic wave-assisted arc welding. Ultrasonics Sonochemistry. - 2016. - Vol. 29. - P. 476–484.
6. Чудин, А. А. Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на дугу при сварке неплавящимся электродом: дис. … канд. технич. наук: 05.02.10; защищена 2019 г. / А.А. Чудин; Волгоградский государственный технический университет. – Волгоград. – 140 с.