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....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2011
Автор: Ланкин, Ю.Н.
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 Ukraine
id 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