Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом
Предложена формулировка термина стабильность процесса дуговой сварки плавящимся электродом. Рассмотрены и проанализированы объективные показатели стабильности. Для каждого способа сварки и характера переноса металла предложен набор показателей стабильности процесса....
Збережено в:
Дата: | 2011 |
---|---|
Автор: | |
Формат: | Стаття |
Мова: | Russian |
Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
Назва видання: | Автоматическая сварка |
Теми: | |
Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102257 |
Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
Цитувати: | Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом / Ю.Н. Ланкин // Автоматическая сварка. — 2011. — № 1 (693). — С. 7-15. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-102257 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-1022572016-06-12T03:02:11Z Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом Ланкин, Ю.Н. Научно-технический раздел Предложена формулировка термина стабильность процесса дуговой сварки плавящимся электродом. Рассмотрены и проанализированы объективные показатели стабильности. Для каждого способа сварки и характера переноса металла предложен набор показателей стабильности процесса. Formulation of the «stability of GMA welding process» term is suggested. The objective indices of stability are considered and analysed. A set of the indices of process stability is offered for each welding method and metal transfer character. 2011 Article Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом / Ю.Н. Ланкин // Автоматическая сварка. — 2011. — № 1 (693). — С. 7-15. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102257 621.791.75.042 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
collection |
DSpace DC |
language |
Russian |
topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Ланкин, Ю.Н. Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом Автоматическая сварка |
description |
Предложена формулировка термина стабильность процесса дуговой сварки плавящимся электродом. Рассмотрены
и проанализированы объективные показатели стабильности. Для каждого способа сварки и характера переноса
металла предложен набор показателей стабильности процесса. |
format |
Article |
author |
Ланкин, Ю.Н. |
author_facet |
Ланкин, Ю.Н. |
author_sort |
Ланкин, Ю.Н. |
title |
Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом |
title_short |
Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом |
title_full |
Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом |
title_fullStr |
Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом |
title_full_unstemmed |
Показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом |
title_sort |
показатели стабильности процесса дуговой сварки плавящимся электродом |
publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
publishDate |
2011 |
topic_facet |
Научно-технический раздел |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102257 |
citation_txt |
Показатели стабильности процесса дуговой сварки
плавящимся электродом / Ю.Н. Ланкин // Автоматическая сварка. — 2011. — № 1 (693). — С. 7-15. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
series |
Автоматическая сварка |
work_keys_str_mv |
AT lankinûn pokazatelistabilʹnostiprocessadugovojsvarkiplavâŝimsâélektrodom |
first_indexed |
2025-07-07T12:03:14Z |
last_indexed |
2025-07-07T12:03:14Z |
_version_ |
1836989594044727296 |
fulltext |
УДК 621.791.75.042
ПОКАЗАТЕЛИ СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА
ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
Ю. Н. ЛАНКИН, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Предложена формулировка термина стабильность процесса дуговой сварки плавящимся электродом. Рассмотрены
и проанализированы объективные показатели стабильности. Для каждого способа сварки и характера переноса
металла предложен набор показателей стабильности процесса.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, плавящийся элект-
род, качество процесса сварки, стабильность процесса
сварки, показатели стабильности
Одним из основных показателей качества процес-
са дуговой сварки плавящимся электродом явля-
ется его стабильность, с которой тесно связаны
такие показатели качества, как разбрызгивание и
качество формирования сварного шва. В насто-
ящее время не существует общепринятой форму-
лировки понятия стабильности процесса сварки.
Каждый исследователь понимает стабильность
процесса сварки по-своему, и поэтому использует
различные показатели стабильности.
Цель настоящей работы — сформулировать
понятие стабильности процесса дуговой сварки
плавящимся электродом и выбрать показатели
стабильности в зависимости от способа сварки
и типа переноса металла плавящегося электрода
в сварочную ванну.
Известны несколько различных определений
термина «стабильность процесса сварки». В ГОСТ
25616–83 (СТ СЭВ 3235–81) для ручной сварки
штучным электродом введен термин «стабиль-
ность процесса сварки», однако не дана его фор-
мулировка [1]. Позже разработчики этих стандар-
тов сформулировали термин «стабильность про-
цесса сварки» для ручной и механизированной
сварки следующим образом [2, 3]: «Под термином
стабильный процесс сварки понимают процесс,
обеспечивающий получение качественно сформи-
рованного сварного соединения с достаточно
гладкой поверхностью и практически неизменны-
ми по всей длине основными параметрами — глу-
биной провара, шириной и высотой валика». Близ-
кое определение предложили авторы работы [4]:
«Стабильным процессом дуговой сварки принято
считать процесс, обеспечивающий постоянство
геометрических размеров сварного шва или от-
клонение последних в допустимых пределах».
Фактически это является формулировкой не ста-
бильности процесса сварки, а следствия стабиль-
ности этого процесса. Согласно данной форму-
лировке автоматически измерять показатели ста-
бильности непосредственно в процессе сварки
весьма затруднительно.
В широком смысле латинское слово stabilis оз-
начает постоянный, устойчивый. В работах [5–8],
например, не делается разницы между понятиями
«стабильный» и «устойчивый», а в [9] дано сле-
дующее определение: «Устойчивость дуги в прос-
транстве называется стабильностью дуги». Одна-
ко в современной технической литературе тер-
мины стабильный и устойчивый, как правило, си-
нонимами не являются.
Устойчивым принято считать процесс, возв-
ращающийся в равновесное состояние после лю-
бых достаточно малых начальных отклонений,
вызванных действием внешних возмущений. В
сварке этим понятием пользуются при анализе так
называемого явления саморегулирования дугово-
го процесса.
Под стабильностью технологического процес-
са обычно понимают свойство последнего, обус-
ловливающего постоянство распределения веро-
ятностей для его параметров в течение некоторого
интервала времени без вмешательства извне [10].
Иными словами, процесс, отклонение параметров
которого от средних значений не превышает за-
данного уровня, называется стабильным. Соответ-
ственно мерой стабильности процесса является
отклонение его параметров от среднего значения.
Обычно в качестве меры отклонения дискретного
сигнала от среднего значения x– принимаются дис-
персия
σ2(x) ≈ 1
n – 1 ∑
i
n
(xi – x– )2,
где n — количество измерений, или σ(x) =
= √⎯⎯⎯⎯⎯σ2(x) — среднеквадратичное отклонение, или
коэффициент вариации KV(x) = σ(x) ⁄ x–).
Чаще всего под стабильностью процесса свар-
ки понимают стабильность горения дуги и ста-
бильность (регулярность) переноса металла элек-
трода в сварочную ванну.© Ю. Н. Ланкин, 2011
1/2011 7
Набор показателей, используемых для харак-
теристики стабильности процесса сварки, зависит
от способа сварки и способа переноса металла
электрода в сварочную ванну.
Ручная сварка покрытым электродом. Для
этого способа сварки в большинстве случаев ог-
раничиваются указанием — стабильная или нес-
табильная дуга. Иногда применяется экспертная
оценка стабильности дуги по трех- [6] или че-
тырехбалльной системе, как рекомендовано в
ГОСТ 25616–83 (СТ СЭВ 3235–81) [1]. Стабиль-
ность процесса сварки независимо от рода тока
оценивается сварщиком-испытателем по частоте
обрывов дуги, равномерности ее горения, виб-
рации и характеру звучания дуги. Четких опре-
делений того, что именно подразумевается под
равномерностью горения и вибрацией дуги, в
стандарте не содержится. Излишне говорить, что
экспертные оценки по своей сути являются
субъективными и требуют высокой квалификации
экспертов.
В принципе визуальные и акустические пара-
метры стабильности процесса сварки, о которых
идет речь в [1], можно фиксировать инструмен-
тальными средствами с дальнейшей математичес-
кой обработкой для получения количественных
оценок. Так, звучание дуги определяется микро-
фоном, а световое излучение — соответствующим
фотоприемником. Акустическая эмиссия (звуча-
ние сварочной дуги, по интенсивности и харак-
теру которого судят о стабильности процесса
сварки) обусловлена колебаниями поверхности
столба дуги. Интенсивность звучания дуги про-
порциональна скорости колебаний ее мощности,
т. е. скорости изменения тока дуги [11]. Изме-
нения светового излучения также определяются
колебаниями мощности дуги. Таким образом, све-
товое и акустическое излучение дуги как пара-
метры нестабильности процесса сварки являются
вторичными по отношению к электрическим па-
раметрам — сварочному току Iсв и напряжению
на дуге Uд. Естественно, что по этой причине
для объективной оценки стабильности дуги пред-
почтительнее использовать Iсв и Uд, поскольку их
измерить проще, чем световое и акустическое из-
лучения. Инструментальное определение обрывов
дуги по напряжению или току также не предс-
тавляет затруднений.
Ручная сварка покрытым электродом на пе-
ременном токе. При сварке на переменном токе
вследствие падения его значения до нуля в каж-
дом полупериоде напряжения сети дуга преры-
вается и через некоторое время снова зажигается.
Такие естественные прерывания дуги не всегда
заканчиваются ее повторным возбуждением в сле-
дующем полупериоде питающего напряжения. В
результате сварка на переменном токе является
наиболее нестабильным процессом из всех спо-
собов дуговой сварки, а частота обрывов дуги,
бесспорно, — основным объективным показа-
телем стабильности ее горения.
Первым предложил использовать частоту об-
рывов дуги для характеристики стабильности ее
горения Е. М. Кузьмак [12]. В дальнейшем ко-
личество обрывов дуги на длину электрода Nоб
использовалось в работе [13], а на единицу длины
электрода — в работе [14]. Относительное коли-
чество обрывов дуги, несомненно, является пря-
мым численным параметром стабильности горе-
ния дуги при переменном токе.
Помимо частоты обрывов дуги, предложено
множество косвенных параметров, характеризу-
ющих не саму стабильность горения дуги, а ве-
роятность ее повторного возбуждения. В основ-
ном это параметры, характеризующие остаточную
плазму после обрыва дуги и электрические ха-
рактеристики сварочной цепи, ответственные за
повторное возбуждение дуги.
Г. И. Лесковым предложено оценивать ста-
бильность дуги для электродов с различными пок-
рытиями по начальной скорости нарастания тока
при ее повторном возбуждении di2/dt [15]. Чем
выше значение этого показателя, тем более ста-
бильным считается горение дуги [7]. Данный по-
казатель определяется по фазовой характеристике
di/dt = f(i).
Поскольку скорость изменения сварочного то-
ка при его переходе через нуль в значительной
мере определяется его действующим значением,
то для исключения влияния последнего В. Ю. Ар-
лаускас и И. Р. Нарушкевичюс [8] предложили
безразмерный показатель стабильности зажигания
дуги
Kз =
di2
⁄ dt
di1
⁄ dt
100 % ,
где di1/dt — максимальная скорость спада тока
сварки перед погасанием дуги. Согласно этому
показателю идеальная стабильность дуги имеет
место при Kз = 100 %.
Не все исследователи считают применение
этих показателей эффективными для оценки ста-
билизирующих свойств сварочных материалов.
Например, по мнению В. А. Троицкого [16], на-
растание преддугового тока и тока дуги в зна-
чительной степени зависят от линейности источ-
ника, а скорость перехода тока через нуль опре-
деляется только электрической характеристикой
сварочного источника.
Еще один показатель стабильности горения ду-
ги при сварке без коротких замыканий (КЗ) при-
веден в работе [17] Bз = Iз/(Uзtз), где Uз, Iз —
напряжение на электродах и ток в межэлектрод-
ном промежутке в момент восстановления (зажи-
гания) дугового разряда; tз — время прерывания
8 1/2011
горения (зажигания) дуги. Чем выше значение
этого показателя, тем более стабильной считается
дуга.
Для ручной дуговой сварки без КЗ И. И. За-
рубой и В. В. Дыменко [18] предложен показатель
стабильности горения дуги Kст = Iкр/τ, где Iкр —
критический ток дуги в момент отрыва и про-
хождения через дугу капли электродного металла,
ниже которого дуга может погаснуть; τ — кри-
тическое время, в течение которого наиболее ве-
роятно разрушение плазмы дуги в результате пе-
реноса металла. Отрыв капли в конце полупериода
сварочного тока может привести к тому, что пос-
ледний исчезнет раньше естественного перехода
его значения через нуль, при этом увеличивается
бестоковый интервал времени tз. В отличие от
предыдущих показателей стабильности Kст харак-
теризует вероятность повторного возбуждения ду-
ги после отрыва и переноса капли электродного
металла.
Ни один из предложенных показателей, кроме
частоты обрывов дуги, строго говоря не является
показателем стабильности горения дуги или ста-
бильности процесса сварки в целом. Для пере-
менного тока его среднее значение равно нулю.
Поэтому среднеквадратичное отклонение тока яв-
ляется не показателем его стабильности, а мерой
его значения, и называется действующим значе-
нием тока I. В этом случае в качестве объектив-
ного показателя стабильности процесса сварки в
соответствии с приведенным выше определением
стабильности можно принять дисперсию σ2(I),
среднеквадратичное отклонение σ(I) или коэффи-
циент вариации действующего значения свароч-
ного тока KV
I. Аналогично для падения напряже-
ния на дуге в качестве показателя стабильности
можно принять дисперсию σ2(U), среднеквадра-
тичное отклонение σ(U) или коэффициент вари-
ации действующего значения напряжения на элек-
тродах KV
U. Эти параметры являются показателями
стабильности процесса только при сварке без ре-
гулярных КЗ.
При ручной дуговой сварке перенос металла
осуществляется преимущественно с регулярными
КЗ [15, 19]. Наличие КЗ, естественно, сказывается
на вариациях действующих значений сварочного
тока и напряжения на дуге. При этом эти изме-
нения могут быть как больше, так и меньше ва-
риаций, вызванных действием других возмуще-
ний. Поэтому вариации сварочного тока и нап-
ряжения на дуге недостаточно чувствительны к
нестабильности КЗ. Более эффективно оценивать
стабильность КЗ по среднеквадратичному откло-
нению их частоты σ(fКЗ) и длительности σ(τКЗ).
Если режим сварки предусматривает отсутствие
регулярных КЗ, то нестабильность процесса по
причине КЗ следует оценивать по значению fКЗ:
чем оно меньше, тем стабильнее процесс сварки.
Ручная сварка покрытым электродом на
постоянном токе. Впервые количественную
оценку стабильности горения дуги предложил
К. К. Хренов [6], который оценивал устойчивость
(стабильность) дуги по ее длине при обрыве: чем
длиннее дуга при обрыве для неподвижно зак-
репленного электрода, тем меньше обрывов дуги
при сварке, а следовательно, стабильнее ее горе-
ние. Недостатком данного метода являются ошиб-
ки, вызванные влиянием капель, не успевших
оторваться от торца электрода перед разрывом
дуги. Этот метод оценки дает разброс 15...30 %
[7]. Строго говоря, длина дуги при обрыве яв-
ляется мерой ее «эластичности», которая выде-
лена в отдельный показатель качества дуги [1]
и связана с частотой обрывов последней лишь
косвенно. В качестве меры равномерности горе-
ния дуги для оценки ее стабильности разными
авторами используются некоторые статистичес-
кие параметры сварочного тока и напряжения на
дуге.
Так, В. М. Язовских с соавторами предложил в
качестве показателей стабильности использовать
дисперсию σ2(Iсв) [20], среднеквадратичное откло-
нение σ(Iсв) или коэффициент вариации сварочного
тока KV
I
св [21, 22]. Авторы считают, что чем меньше
значение этих параметров, тем стабильнее горение
дуги.
В работе [5] проверена возможность оценки
стабильности дуги по σ2(Uд). По мнению авторов,
при сварке покрытыми электродами на постоян-
ном токе этот показатель не коррелирован со ста-
бильностью дуги.
Механизированная дуговая сварка на пос-
тоянном токе в защитных газах. Большинство
опубликованных работ касаются стабильности
сварки с КЗ, поскольку процесс сварки со струй-
ным переносом стабильный по своей природе, а
с капельным переносом нестабильный. В связи
с этим последний способ сварки стараются не
применять.
При сварке короткой дугой в углекислом газе
и смесях газов перенос расплавленного металла
с электрода в сварочную ванну осуществляется
во время КЗ дугового промежутка. В результате
мгновенные значения сварочного тока и напря-
жения на дуге периодически изменяются в ши-
роких пределах. Проведены многочисленные ис-
следования сварочного тока и напряжения на дуге
с целью определения показателей, отражающих
стабильность процесса сварки. При этом прежде
всего рассматривали статистические параметры
сварочного тока и напряжения на дуге. Далеко
не полный список этих параметров приведен в
табл. 1.
1/2011 9
Т а б л и ц а 1. Опубликованные данные о показателях стабильности процессов дуговой сварки
Параметр стабильности процесса сварки Способ сварки с КЗ Литературный источник
σ2(Uд) В углекислом газе [23]
σ(Uд) » [24]
KV
Uд » [3, 25]
СV
Uд » [25]
σ(Iсв) » [24]
KV
Iсв » [3, 25]
СV
Iсв » [25]
σ(Imax) В углекислом газе, в смесях газов [26, 27]
σ(Imin) В смесях газов [28]
KV
Imax В углекислом газе [2, 29]
σ2(τКЗ) » [23]
σ(τКЗ)
»
В углекислом газе и смесях газов
[24]
[27]
KV
τКЗ
В углекислом газе
В смесях газов
[3, 30]
[31]
σ2(τд) В углекислом газе [23]
σ(τд)
»
В смесях газов
[24]
[27]
KV
τд
В углекислом газе
В смесях газов
[30]
[31]
σ2(fКЗ) В углекислом газе [32]
NКЗ
сл В смесях газов [31]
σ(τ)
В углекислом газе и смесях газов
В смесях газов без КЗ
[26, 27, 33]
[34]
σ(Uд
д
) Короткой дугой в углекислом газе [23]
σ(Uд
КЗ
) » [23]
τКЗ
– В углекислом газе [3]
KV
τоб » [30]
(Iсв – Uд)-диаграмма В смесях газов без КЗ [31]
9-й и 10-й квантили плотности распределения Uд » [24]
9-й и 10-й квантили плотности распределения Iсв » [24]
Пр и м е ч а н и е . C
V
U
д = K
V
U
д ⁄ fК З
— коэффициент вариации сварочного напряжения, отнесенный к частоте КЗ; Imax — амплитуда
тока КЗ; C
V
I
св = K
V
I
св ⁄ fКЗ — коэффициент вариации сварочного тока, отнесенный к частоте КЗ; τ
КЗ
— длительность действительного
КЗ; τ
КЗ
– — средняя длительность всех КЗ; τд — длительность горения дуги между КЗ; τ — среднеквадратичное отклонение
длительности периода КЗ, τ = τКЗ + τд = 1/fКЗ; NКЗ
сл = n
КЗ
сл ⁄ nКЗ
0 — относительное число случайных кратковременных (длительностью
менее 1,5 мс) КЗ, т. е. замыканий, при которых не происходит переход металла в сварочную ванну; n
КЗ
сл — количество случайных
КЗ; n
КЗ
0 — общее количество КЗ; U
д
д — напряжение в фазе горения дуги; U
д
КЗ — напряжение во время КЗ; K
V
τ
об = σ(τ
об
) ⁄ τоб —
коэффициент вариации длительности обрыва дуги τоб.
10 1/2011
Считается, что чем меньше значение любого
из этих параметров, тем стабильнее процесс свар-
ки. Однако для некоторых параметров это не всег-
да справедливо.
При сварке плавящимся электродом короткой
дугой с периодическими КЗ дугового промежутка,
импульсной сварке или сварке модулированным
током напряжение на дуге и сварочный ток по
своей природе имеют импульсный характер, т. е.
периодически изменяют свои значения. Любой пе-
риодически изменяющийся (модулированный)
сигнал по определению имеет значения σ2, σ и
KV, отличающиеся от нуля. В качестве примера
на рис. 1, б, в приведены результаты моделирования
сварочного тока и напряжения на дуге при сварке
с периодическими КЗ плавящимся электродом
(рис. 1, а). Моделирование проведено для напря-
жения холостого хода E1 = 20 В, напряжения,
зависящего от приэлектродного падения напря-
жения и длины дуги E2 = 12 В, внутреннего
активного сопротивления источника питания и
сварочного контура R1 = 0,05 Ом, сопротивления
вылета электрода R2 = 0,05 Ом, сопротивления
столба дуги Rд = 0,025 Ом, τ = 20 мс.
На рис. 2 показана зависимость KV
I
св и KV
U
д от
коэффициента заполнения импульсов D = τКЗ/τ и
индуктивности дросселя L устройства (рис. 1, а).
Кривые приведены для идеально стабильного про-
цесса переноса расплавленного металла в свароч-
ную ванну при постоянной частоте КЗ. Из рис. 2
видно, что даже при идеально стабильном про-
цессе KV
I
св и KV
U
д имеют довольно большие значе-
ния, которые изменяются в широких пределах в
зависимости от параметров сварочного контура
и режима сварки. Нестабильность процесса свар-
ки, т. е. случайные изменения частоты КЗ, вре-
мени КЗ, длины дуги и других параметров, ес-
тественно, приводят к увеличению коэффициен-
тов вариации по сравнению с идеально стабиль-
ным процессом сварки. Но их влияние на KV
I
св и
особенно на KV
U
д незначительно. Для примера
далее приведены значения σ(U) для прямоуголь-
ных импульсов единичной амплитуды Umax и с
коэффициентом заполнения D = tимп/T = 0,7 при
случайных изменениях амплитуды Т и длитель-
ности импульсов τимп. Для возмущений ампли-
туды и длительности импульсов принят нормаль-
ный закон распределения со среднеквадратичны-
ми отклонениями σ(Umax) и σ(tимп).
Как видно из представленных ниже данных,
нестабильность времени горения дуги практичес-
ки не сказывается на σ(U):
При колебаниях амплитуды импульсов диспер-
сия σ2(Umax) суммируется с дисперсией σ0
2(U),
обусловленной только КЗ (σ2(Umax) = 0):
Таким образом, при сварке с периодическими
КЗ, импульсной сварке и сварке модулированным
током σ2, σ и KV тока сварки (напряжения) ха-
рактеризуют в основном форму и параметры мо-
дуляции тока сварки (напряжения) и в меньшей
степени — стабильность процесса сварки.
Отмеченные недостатки σ(Uд) не имеют места,
если использовать раздельно среднеквадратичные
отклонения напряжения только во время КЗ
σ(Uд
КЗ) и горения дуги σ(Uд
д) [24].
При сварке без регулярных КЗ σ2, σ и KV по
определению являются показателями стабильнос-
ти процесса сварки, отражая также такие неста-
бильности, как обрывы дуги и КЗ. Однако, если
эти возмущения относительно редкие, то, как сле-
дует из рис. 2, их влияние на σ2, σ и KV будет
невелико. В этом случае целесообразнее измерять
непосредственно частоту КЗ fКЗ и обрывов дуги
fоб в качестве показателей стабильности.
Следует иметь в виду, что точность оценки
стабильности процесса при сварке без КЗ по зна-
чениям σ2, σ и KV уменьшается вследствие помех,
σ(tимп) 0 0,05 0,10 0,15 0,20
σ(U) 0,25099 0,25106 0,25111 0,25118 0,25124
σ(Umax) 0 0,05 0,10 0,15 0,20
σ(U) 0,25099 0,25477 0,26527 0,28172 0,30316
Рис. 1. Эквивалентная схема источника питания со свароч-
ным контуром (а) и осциллограммы сварочного тока Iсв (б) и
напряжения на дуге Uд (в) (Uд = Eд + RдIсв)
1/2011 11
вызванных пульсациями напряжения сварочного
источника питания. В шестифазных мостовых
выпрямителях, характерных для сварочных тирис-
торных источников питания, отношение действу-
ющего значения основной гармоники (300 Гц) к
среднему значению выпрямленного напряжения
на холостом ходу в зависимости от угла вклю-
чения тиристоров может изменяться от 0,05 до
0,37 [37]. Эффективным средством повышения
точности оценки параметров нестабильности про-
цесса сварки в этом случае является фильтрация
этих помех, поскольку частота изменения свароч-
ного тока и напряжения, вызванные нестабиль-
ностью собственно процесса сварки, редко пре-
вышает 200 Гц.
В работе [31] для идентификации таких нес-
табильностей процесса сварки в смесях, как слу-
чайные кратковременные КЗ, ненормальное по-
вышение напряжения во время повторного зажи-
гания дуги после КЗ и горения дуги между КЗ,
предложено анализировать диаграмму Iсв – Uд.
Несколько в стороне находится довольно экзо-
тический показатель стабильности, предложенный
в работе [24], — разность между 9-м и 10-м кван-
тилями плотности распределения напряжения на ду-
ге и сварочного тока. Чем ниже их значения, тем
стабильнее процесс сварки в смесях газов с КЗ.
Как следует из табл. 1, наиболее популярными
для оценки стабильности процесса сварки с КЗ
являются параметры стабильности fКЗ и τКЗ. Мож-
но показать, что эти параметры отражают ста-
бильность переноса металла электрода в свароч-
ную ванну. Действительно, для стабильного про-
цесса сварки плавящимся электродом всегда соб-
людается равенство средней объемной скорости
плавления электрода и объемной скорости подачи
электрода:
vпод
– Sэл = fКЗQкап,
где vпод
– — линейная скорость подачи электродной
проволоки; Sэл — площадь поперечного сечения
электрода; Qкап — объем капли. Если распреде-
ление переменных vпод
– , Sэл и Qкап нормальные и
их среднеквадратичные отклонения независимы,
то для среднеквадратичного отклонения частоты
КЗ на основании приведенной выше формулы
можно записать:
σ(f
КЗ
) = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎛
⎜
⎝
S
эл
Q
кап
⎞
⎟
⎠
2
σ2
(v
под
) +
⎛
⎜
⎝
vпод
Q
кап
⎞
⎟
⎠
2
σ
2
(S
эл
) +
⎛
⎜
⎝
⎜
⎜
v
под
S
эл
Q
кап
2
⎞
⎟
⎠
⎟
⎟
2
σ
2
(Q
кап
) .
Из этой зависимости видно, что σ(fКЗ) прямо
характеризует нестабильность скорости подачи
электродной проволоки, поперечного сечения
проволоки и объема капли. В связи с тем, что
нестабильность первых двух параметров невели-
ка, σ(fКЗ) в основном является мерой нестабиль-
ности объема капли.
Поскольку fКЗ = 1/(τКЗ + τд), аналогичные за-
висимости можно получить для σ(τКЗ) и σ(τд)
σ2(τКЗ) + σ2(τд) = ⎛⎜
⎝
1
vподSэл
⎞
⎟
⎠
2
σ2(Qкап) +
+
⎛
⎜
⎝
Qкап
vпод
2 Sэл
⎞
⎟
⎠
2
σ2(vпод) +
⎛
⎜
⎝
Qкап
vподSэл
2
⎞
⎟
⎠
2
σ2(Sэл).
Как характеристика нестабильности vпод
– , Sэл
и Qкап эта формула не имеет никаких преимуществ
перед предыдущей. Поэтому достаточно оцени-
вать только σ(fКЗ). Однако совершенно очевидно,
что, помимо нестабильности объема капли, σ(τКЗ)
и σ(τд) также несут информацию о флуктуациях
других параметров процесса сварки. Например,
Рис. 2. Зависимость коэффициентов вариации сварочного то-
ка KV
Iсв (а) и напряжения на дуге KV
Uд (б) от коэффициента
заполнения импульсов D при разных значениях индуктивнос-
ти дросселя устройства (см. рис. 1, а): 1 — L = 0,050; 2 —
0,125; 3 — 0,250; 4 — 0,500; 5 — 0,750 мГн
12 1/2011
σ(τКЗ) зависит от нестабильности формы капли,
изменения ее положения на торце электрода, нес-
табильности формы тока КЗ, колебаний поверх-
ности сварочной ванны и т. п. В свою очередь
значения σ(τд) зависят от изменения вылета элек-
трода, колебаний сварочного тока и падения нап-
ряжения на дуге, объема оставшегося на торце
электрода расплавленного металла при повторном
зажигании дуги после окончания КЗ и т. д. По-
этому σ(τКЗ) и σ(τд) вместе более полно харак-
теризуют стабильность процесса сварки с КЗ, чем
только σ(fКЗ).
В табл. 2 приведены рекомендуемые на ос-
новании изложенного выше параметры стабиль-
ности процесса дуговой сварки плавящимся элек-
тродом. Чем меньше значение приведенных па-
раметров, тем стабильнее процесс сварки. Все пе-
речисленные показатели стабильности процесса
сварки определяются путем обработки только зна-
чений напряжения на дуге и сварочного тока.
Импульсная сварка и сварка модулирован-
ным током. Для указанных способов сварки пока-
зателями стабильности процесса могут служить
в различных сочетаниях в зависимости от режима
работы сварочного источника (стабилизация
тока или напряжения) следующие парамет-
ры: KV
I
имп, KV
I
баз, KV
U
имп, KV
U
баз, где Iимп — ток
импульса; Iбаз — базовый ток; Uимп — нап-
ряжение импульса; Uбаз — базовое напряже-
ние.
Поскольку стабильность процесса сварки
характеризуется несколькими показателями,
возникает потребность сформировать из них
один комплексный показатель (целевую фун-
кцию) с помощью коэффициентов весомости
каждого показателя.
При этом используют следующую функ-
циональную зависимость γ = f(n, bi, ki), i =
= 1, 2, 3, …, n, где n — количество учиты-
ваемых единичных показателей; bi — коэф-
фициент весомости (важности) i-го показа-
теля; ki — i-й показатель.
Обычно используется функция вида
γ = ∑
i
n
biki и крайне редко — γ = Π
i
n
ki
b
i. Важ-
ным элементом формирования комплексного
показателя является задание значений коэф-
фициентов весомости. Существуют десятки
способов их определения [35, 36], самый рас-
пространенный из них — определение коэф-
фициентов весомости с помощью экспертов.
Для характеристики стабильности процес-
са сварки (сварка в углекислом газе с КЗ)
пока предложен только один комплексный
показатель [30]:
γ = k0KV
τ
об + k1KV
τ
КЗ + k2KV
τ
д,
где k0 — относительное суммарное время обрывов
дуги; k1, k2 — относительное суммарное время
соответственно КЗ и горения дуги.
Минимальное значение коэффициента γ соот-
ветствует максимально стабильному процессу
сварки.
Следует заметить, что в этом комплексном по-
казателе стабильности учитываются обрывы дуги,
имеющие место в основном в начале сварки при
возбуждении дуги.
В работе [1] надежность установления процес-
са сварки (начальное зажигание дуги) выделена
в отдельный показатель сварочных свойств ис-
точников питания и не относится к показателям
стабильности процесса сварки.
Кроме того, выбор в качестве коэффициентов
весомости k0, k1 и k2 нельзя считать единственно
возможным.
В работе [38] предложен простой комплексный
параметр стабильности процесса сварки:
Т а б л и ц а 2. Рекомендуемые параметры стабильности процес-
сов дуговой сварки плавящимся электродом
Параметр стабильности
процесса сварки
Ручная сварка Автоматическая
и механизиро-
ванная сварка в
защитных газахПеремен-
ный ток
Постоянный
ток
с КЗ без КЗ с КЗ без КЗ
Nоб + – – – –
fКЗ – – + – +
fКЗ
л – + – + –
σ2(I) ∨ σ(I) ∨ KV
I + – – – –
σ2(U) ∨ σ(U) ∨ KV
Uд + – – – –
σ2(Iсв) ∨ σ(Iсв) ∨ KV
Iсв – – + – +
σ2(Uд) ∨ σ(Uд) ∨ KV
Uд – – + – +
σ2(Iсв
КЗ) ∨ σ(Iсв
КЗ) ∨ KV
Iсв
КЗ
– + – + –
σ2(Iсв
д ) ∨ σ(Iсв
д ) ∨ KV
Iсв
д
– + – + –
σ2(Uд
КЗ) ∨ σ(Uд
КЗ) ∨ KV
Uд
КЗ
– + – + –
σ2(Uд
д) ∨ σ(Uд
д) ∨ KV
Uд
д
– + – + –
σ2(fКЗ) ∨ σ(fКЗ) ∨ KV
fКЗ – + – + –
σ2(τКЗ) ∨ σ(τКЗ) ∨ KV
τКЗ – + – + –
σ2(τд) ∨ σ(τд) ∨ KV
τд – + – + –
Пр и м е ч а н и я . 1. f
К З
л — частота ложных КЗ. 2. Знаком + показана
применимость, а знаком – неприменимость параметра в зависимости
от способа сварки и типа переноса металла с электрода в сварочную
ванну.
1/2011 13
PR =
IbkUbk
ImeanUmean
,
где Imean, Umean — средние значения сварочного
тока и напряжения на дуге; Ubk — среднеариф-
метическое оцифрованное значение напряжения,
меньшего Umean в интервале измерений; Ibk —
среднеарифметическое оцифрованное значение
сварочного тока, меньшее Imean.
Для стабильного процесса 0,2 < PR < 0,4 (про-
цесс с КЗ), 0,8 < PR < 0,9 (капельный перенос),
0,95 < PR < 0,98 (струйный перенос). В проме-
жуточных зонах процесс сварки проходит неста-
бильно с повышенным разбрызгиванием.
В той же работе предложны критерии стабиль-
ности, представленные в виде набора правил на
основе трех безразмерных параметров
TI = 1 –
Imin
Imean
, TSI =
Imax
Imean
, DCI = 1 –
Ubk
Umean
,
где Imax, Imin — соответственно максимальное и
минимальное значения сварочного тока. Эти пра-
вила формулируются следующим образом:
если ((TI < 0,1) и (DCI < 0,1) и (TSI < 1,1)) или
((0,3 < TI < 0,5) и (0,5 < DCI < 0,8) и (TSI < 0,2)),
то процесс сварки стабильный;
если (0,3 < TI < 0,5) и (0,3 < DCI < 0,5) и (TSI <
< 0,2), то процесс сварки довольно стабильный.
Все численные значения границ приведенных
параметров получены в результате обработки эк-
спертных оценок сотрудников Кранфилдского
университета (Великобритания).
Заключение. Процесс сварки, отклонение па-
раметров которого от средних значений не пре-
вышает заданного уровня, называется стабиль-
ным. Мерой стабильности процесса сварки явля-
ется отклонение его параметров от среднего зна-
чения. В качестве отклонения параметра от сред-
него значения принимается его дисперсия, сред-
неквадратичное отклонение или коэффициент ва-
риации.
Для оценки стабильности процесса сварки пла-
вящимся электродом наиболее просто оценивать
стабильность его электрических параметров. Для
оценки стабильности процесса импульсной свар-
ки, сварки модулированным током и сварки с пе-
реносом металла при периодических КЗ дугового
промежутка нецелесообразно использовать дис-
персию, среднеквадратичное отклонение или ко-
эффициент вариации сварочного тока и напря-
жения на дуге.
Набор показателей стабильности процесса
сварки зависит от способа сварки и характера пе-
реноса металла электрода в сварочную ванну. На-
бор показателей стабильности процесса сварки
объединяется в один комплексный показатель ста-
бильности с учетом коэффициента весомости.
Стабильность процесса сварки зависит от сва-
рочных материалов, сварочного оборудования и
режима сварки.
Поэтому сравнивать, например, сварочные ма-
териалы исходя из обеспечения стабильности
сварки необходимо на одном и том же оборудо-
вании и при одинаковом режиме сварки. Анало-
гичные условия должны соблюдаться и при
исследовании зависимости стабильности процес-
са сварки от сварочного оборудования и режимов
сварки.
1. ГОСТ 25616–83 (СТ СЭВ 3235–81). Источники питания
для дуговой сварки. Методы испытания сварочных
свойств. — Введ. 28.01.83.
2. Критерии оценки стабильности процесса дуговой свар-
ки на постоянном токе / И. К. Походня, И. И. Заруба,
В. Е. Пономарев и др. // Автомат. сварка. — 1989. —
№ 8. — С. 1–4.
3. Заруба И. И., Латанский В. П., Троицкая Н. В. Статисти-
ческие показатели стабильности при оценке сварочных
свойств источников питания для дуговой сварки // Но-
вые сварочные источники питания: Сб. науч. тр. — Ки-
ев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1992. — С. 86–94.
4. Ленивкин В. А., Дюргеров Н. Г., Сагиров Х. Н. Техноло-
гические свойства сварочной дуги в защитных газах. —
М.: Машиностроение, 1989. — 264 с.
5. Металлургия дуговой сварки: Процессы в дуге и плавле-
ние электродов / И. К. Походня, В. Н. Горпенюк, С. С.
Миличенко и др.; под ред. И. К. Походни. — Киев: Наук.
думка, 1990. — 224 с.
6. Хренов К. К. Электрическая сварочная дуга. — М.; Киев:
Машгиз, 1949. — 204 c.
7. Шафранский Л. Г., Орлов Л.Н., Абрашин А. В. Оценка
устойчивости дуги переменного тока // Автомат. сварка.
— 1972. — № 4. — С. 18–19.
8. Арлаускас В. Ю., Нарушкевичюс И. Р. Количественная
оценка стабильности повторного возбуждения свароч-
ной дуги // Там же. — 1974. — № 8. — С. 9–10.
9. Оборудование для дуговой сварки: Справ. пособие / Под
ред. В. В. Смирнова. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. —
656 с.
10. Орлов А. И. Математика случая: Вероятность и статисти-
ка — основные факты: Учеб. пособие. — М.: МЗ-Пресс,
2004. — 110 с.
11. Ланкин Ю. Н. Акустическая эмиссия сварочной дуги
(Обзор) // Автомат. сварка. — 2001. — № 2. — С. 25–31.
12. Кузьмак Е. М. Вопросы шихтования электродных пок-
рытий // Автоген. дело. — 1938. — № 12. — С. 6–9.
13. Tsuboi J., Sasaki H. Interruption mechanism of the covered
electrode arc // Trans. Jap. Welding Soc. — 1971. — № 2.
— P. 67–70.
14. Лугин В. П. Сравнительная оценка стабильности горения
дуги при сварке штучными электродами переменным то-
ком // Свароч. пр-во. — 1975. — № 1. — С. 39–40.
15. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга. — М.: Ма-
шиностроение, 1970. — 336 с.
16. Троицкий В. А. Влияние индуктивности на форму кривой
переменного тока сварочной дуги // Автомат. сварка. —
1974. — № 1. — С. 8–11.
17. Методика определения стабильности дуги переменного
тока / И. К. Походня, В. Н. Горпенюк, А. Е. Марченко и
др. // Там же. — 1979. — № 12. — С. 16–18.
18. Заруба И. И., Дыменко В. В. Влияние капельного перено-
са на устойчивость сварочной дуги переменного тока //
Там же. — 1983. — № 12. — С. 14–20.
19. Походня И. К. Газы в сварных швах. — М.: Машиност-
роение, 1972. — 255 с.
20. Пат. 2063316 РФ, МПК B 23 K 31/12, B 23 K 9/073. Ме-
тод оценки стабильности горения дуги / В. М. Язовских,
14 1/2011
В. Я. Беленький, Е. А. Кривоносова и др. — Опубл.
10.07.96.
21. Yazovskikh V. M., Shumyakov V. I., Boronenkov V. N. Esti-
mation of the welding electrodes quality by the computer
analyses of oscillograms of welding current and voltage //
Proc. of the 8th Intern. conf. «Computer technology in wel-
ding», June 22–24, 1998, Paris. — Paris, 1998. — 10 p.
22. Методика оценки стабильности горения сварочной дуги
/ В. М. Язовских, В. Я. Беленький, Л. Н. Кротов, И. Ю.
Летягин // Свароч. пр-во. — 1997. — № 4. — С. 18–20.
23. On-line quality monitoring in sort-circuit gas metal arc wel-
ding / S. Adolfsson, A. Bahrami, G. Bolmsjo, I. Claesson //
Welding J. — 1999. — № 2. — P. 59–73.
24. Gupta S. R., Gupta P. C., Rehfeldt D. Process stability and
spatter generation during dip transfer in MAG welding //
Welding Rev. — 1988. — Nov. — P. 232–241.
25. Методы сравнительной оценки технологических
свойств сварочного оборудования и материалов / И. К.
Походня, И. И. Заруба, В. Е. Пономарев и др. // Автомат.
сварка. — 1990. — № 5. — С. 1–5.
26. Dutra J. C. Statistical analysis of arc stability in MIG–MAG
welding with short-circuit transfer. — S.l., [1990]. — 18 p.
— ( Intern. Inst. of Welding; Doc. XII-1172–90).
27. Baixo C. E. I., Dutra J. C. The study of metal transfer on the
GMAW process, using a projector and voltage and current
oscilographic processing. — S.l., [1990]. — 14 p. — (Intern.
Inst. of Welding; Doc. XII-1174–90).
28. Shinoda T., Nishikawa H., Shimizu T. The development of
data processing algorithms and assessment of arc stability as
affected by the titanium content of GMAW wires during
metal transfer // Proc. of the 6th Intern. conf. «Computer tec-
hnology in welding», June 9–12, 1996, Lanaken, Belgium.
— Lanaken, 1996. — P. 11.
29. Методики комплексной оценки сварочно-технологичес-
ких свойств источников питания и сварочных материа-
лов / И. К. Походня, И. Сурджан, В. Е. Пономарев и др.
// Информ. материалы СЭВ. — Киев: ИЭС им. Е. О. Па-
тона, 1991. — Вып. 1 (37). — С. 44–55.
30. Orszagh P., Sencak V. Criterion of optimalization of
GMA/CO2 welding processes. — S.l., [1989]. — 22 p. —
(Intern. Inst. of Welding; Doc. SG 212-735–89).
31. Shinoda T., Kaneda H., Takeuchi Y. An evaluation of short
circuiting arc phenomena in GMA welding // Welding&
Metal Fabrication. — 1989. — Dec. — P. 522–525.
32. Hermans M. J. M., Den Ouden G. Process behavior and sta-
bility in short circuit gas metal arc welding // Welding J. —
1999. — Apr. — P. 137s–141s.
33. Liu S., Siewert T. A. Metal transfer in gas metal arc welding:
Droplet rate // Welding J. — 1989. — Febr. — P. 53–58.
34. Dutra J. C. Computerized procedure of metallic drop trans-
fer analysis for the determination of pulsed welding variab-
les. — S.l., [1990]. — 11 p. — (Intern. Inst. of Welding;
Doc. XII-1171–90).
35. Методы определения коэффициентов важности крите-
риев / А. М. Анохин, В. А. Глотов, В. В. Павельев, А. М.
Черкашин // Автомат. и телемеханика. — 1997. — № 8.
— С. 3–35.
36. Домарев В. В. Безопасность информационных техноло-
гий. Системный подход. — Киев: ООО ТИД «ДиаСофт»,
2004. — 992 с.
37. Каганов И. Л. Электронные и ионные преобразователи.
Ч. III. — М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956. — 528 с.
38. Ogunbiyi B., Norrish J. GMAW metal transfer and arc asta-
bility assessment using monitoring indices // Proc. of the 6th
Intern. conf. «Computer technology in welding», June 9–12,
1996, Lanaken, Belgium. — 10 p.
Formulation of the «stability of GMA welding process» term is suggested. The objective indices of stability are considered
and analysed. A set of the indices of process stability is offered for each welding method and metal transfer character.
Поступила в редакцию 25.06.2010,
в окончательном варианте 26.09.2010
Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родст-
венных процессах: Сб. докл. международ. конф. / Под ред. профессора В. И. Махненко.
— Киев: ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, 2010. — 244 с.
В сборнике представлены доклады Пятой международной кон-
ференции «Математическое моделирование и информационные тех-
нологии в сварке и родственных процессах», в которых отражены
достижения за последние годы в области математического моде-
лирования физических явлений, протекающих при сварке, наплавке
и других родственных процессах. Авторами 37-и докладов являются
известные специалисты из Украины, России, Германии, Финляндии
и Австралии.
Для научных и инженерно-технических работников, занятых в
области сварки, резки, наплавки, пайки, нанесения защитных пок-
рытий и других родственных процессов.
Сборник можно заказать в редакции журнала
«Автоматическая сварка».
НОВАЯ КНИГА
1/2011 15
|