Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями
Рассмотрена математическая модель, описывающая зависимость тока дугового процесса и, соответственно, скорости плавления электродной проволоки от изменяющегося характера ее движения в процессе сварки плавящимся электродом, в частности, при коротких замыканиях дугового промежутка....
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99380 |
| 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: | Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями / В.А. Лебедев // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 19-22. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99380 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-993802016-04-28T03:02:46Z Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями Лебедев, В.А. Научно-технический раздел Рассмотрена математическая модель, описывающая зависимость тока дугового процесса и, соответственно, скорости плавления электродной проволоки от изменяющегося характера ее движения в процессе сварки плавящимся электродом, в частности, при коротких замыканиях дугового промежутка. Mathematical model is considered, describing dependence of the arc process current and the rate of melting of electrode wire on the variable character of its movement in the process of metal-arc welding, in particular, in short-circuiting of the arc gap. 2007 Article Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями / В.А. Лебедев // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 19-22. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99380 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 Лебедев, В.А. Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрена математическая модель, описывающая зависимость тока дугового процесса и, соответственно, скорости плавления электродной проволоки от изменяющегося характера ее движения в процессе сварки плавящимся электродом, в частности, при коротких замыканиях дугового промежутка. |
| format |
Article |
| author |
Лебедев, В.А. |
| author_facet |
Лебедев, В.А. |
| author_sort |
Лебедев, В.А. |
| title |
Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями |
| title_short |
Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями |
| title_full |
Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями |
| title_fullStr |
Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями |
| title_full_unstemmed |
Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями |
| title_sort |
зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99380 |
| citation_txt |
Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и ее плавления при сварке с короткими замыканиями / В.А. Лебедев // Автоматическая сварка. — 2007. — № 4 (648). — С. 19-22. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT lebedevva zavisimostʹmežduskorostâmiimpulʹsnojpodačiprovolokiieeplavleniâprisvarkeskorotkimizamykaniâmi |
| first_indexed |
2025-07-07T07:55:15Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:55:15Z |
| _version_ |
1836973993181052928 |
| fulltext |
УДК 621.791.75.042
ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ СКОРОСТЯМИ ИМПУЛЬСНОЙ
ПОДАЧИ ПРОВОЛОКИ И ЕЕ ПЛАВЛЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ
С КОРОТКИМИ ЗАМЫКАНИЯМИ
В. А. ЛЕБЕДЕВ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрена математическая модель, описывающая зависимость тока дугового процесса и соответственно скорости
плавления электродной проволоки от изменяющегося характера ее движения в процессе сварки плавящимся элек-
тродом, в частности, при коротких замыканиях дугового промежутка.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, механизированный
процесс, электроды, импульсы, скорость плавления, свароч-
ный ток, математическая модель
В последнее время все большое внимание уде-
ляется дуговой механизированной сварке с им-
пульсным воздействием на процесс за счет им-
пульсов тока от специальных источников
(импульсно-дуговой процесс) или применения им-
пульсной подачи электродной проволоки. Эти воз-
действия дают определенные преимущества по
сравнению со стационарными (невозмущенными)
процессами.
В технической литературе опубликован ряд ма-
териалов, в которых рассматриваются проблемы,
связанные с технологическими особенностями ис-
пользования импульсной подачи проволоки [1] и
техническими средствами реализации такого дви-
жения [2]. Однако недостаточно внимания уде-
лено исследованиям, связанным с влиянием из-
меняющейся скорости подачи на параметры ду-
гового процесса, в частности, такой важной ха-
рактеристики, как скорость плавления электрод-
ной проволоки. Знание этих закономерностей не-
обходимо как для определения параметров дви-
жения проволоки в зону горения дуги и элементов
управления переносом электродного металла в
сварочную ванну, так и для оценки влияния воз-
мущений в системе подачи (отклонений в ско-
рости подачи по сравнению с заданным значе-
нием) на формирование сварочного шва и харак-
теристики процесса сварки в целом.
Целью настоящей работы является получение
аналитической зависимости между скоростью по-
дачи электродной проволоки и скоростью ее плав-
ления при изменяющемся характере движения
проволоки, в частности, для случая специально
используемой импульсной подачи.
В работе [3] выведено уравнение, связывающее
сварочный ток и скорость подачи электродной
проволоки, для процесса дуговой сварки плавя-
щимся электродом в защитном газе с короткими
замыканиями дугового промежутка:
L
Rэ + 0,5b
d2Ic
dt2
+
dIc
dt +
AHEcIc
Rэ + 0,5s
=
vпEc
Rэ + 0,5s
,
(1)
где L — индуктивность сварочной цепи; Rэ —
эквивалентное сопротивление сварочной цепи;
Eс — напряженность электрического поля в стол-
бе дуги; b — коэффициент, характеризующий нак-
лон статической характеристики дуги к оси токов;
A = 1/πrэ
2M; H = Uх.х(0,285 – 0,0052Uх.х); Uх.х —
напряжение холостого хода; M = CпγпTп – CоγоTо +
+ rпγп; Cп, Cо — теплоемкость металла соответ-
ственно при температурах плавления и окружа-
ющей среды; γп, γо — плотность металла при тем-
пературах соответственно плавления и окружаю-
щей среды; rп — скрытая теплота плавления; Tп,
Tо — соответственно температура плавления элек-
тродного металла и окружающей среды.
Это уравнение достаточно сложное для реше-
ния и использования при выборе параметров уп-
равляемой импульсной подачи. Для упрощения
преобразуем его в вид, удобный для решения ме-
тодами операторного исчисления, приняв, что ско-
рость подачи электродной проволоки vп — вход-
ное воздействие, а ток дугового процесса Iс —
выходное:
Ic(p)
vп(р)
=
Ec
⁄ (Rэ + 0,5s)
T1p2 + p + k
, (2)
где p — оператор дифференциального исчисле-
ния; T1 = L/(Rэ + 0,5s); k = AHEс/(Rэ + 0,5s).
Уравнение (2) в операторной форме представ-
ляет собой передаточную функцию системы ис-
точник сварочного тока — механизированный
процесс сварки с короткими замыканиями дуго-
вого промежутка. Влияние скорости подачи элек-
тродной проволоки на сварочный ток можно изу-
чать, задав различные законы движения проволоки.© В. А. Лебедев, 2007
4/2007 19
Рассмотрим синусоидальное изменение скорости
подачи как одного из наиболее распространенных
законов, целенаправленно реализуемых посредс-
твом механизмов импульсной подачи. Этот закон
можно записать в виде (рис. 1, а):
vп = Vп | sin ωt |, (3)
где Vп — амплитудное значение скорости подачи;
ω — частота следования импульсов.
Можно найти изображение в операторной фор-
ме входной величины, которой является скорость
подачи электродной проволоки, основываясь на
уравнении (3) и данных работы [4]. Однако в этом
случае решение (поиск оригинала) уравнения в
операторной форме при поиске выходной вели-
чины (тока сварки Iс) будет достаточно сложным
и громоздким.
Упростим задачу и детально рассмотрим фор-
му импульсов подачи, получаемую при исполь-
зовании реального механизма импульсной подачи
и прохождения импульсов по направляющему ка-
налу. Рассматриваемые импульсы, как правило,
не имеют резких переходов (сказываются люфты
и особенности формирования импульсов в меха-
низме подачи и запаздывания в направляющем
канале, особенности формирования импульсов с
реверсивным движением электродной проволоки).
Исходя из анализа реальных осциллограмм ско-
рости подачи [5], формализованную форму им-
пульса можно представить в виде, показанном на
рис. 1, б. Для этого случая правомерным будет
представление изображения входной величины
(скорости импульсной подачи электродной про-
волоки) в следующем виде:
vп(p) = (A + B)ω
p2 + ω2 , (4)
где A и B обозначены на рис. 1.
Исходя из уравнений (2) и (4) представим изоб-
ражение тока сварки Iс в следующем виде:
Ic(p) = (A + B)Dω
(p2 + ω2) (T1p2 + p + k)
=
= (A + B)Dω
T1p(p2 + ω2) [p2 + (p ⁄ T1) + (k ⁄ T1)]
,
(5)
где D = Eс/(Rэ + 0,5s).
Уравнение (5) можно решить, перейдя от изоб-
ражения выходной величины Iс(p) к ее оригиналу
Iс(t), т. е. Iс(p) = Iс(t), при этом указанный переход
целесообразнее всего можно найти, пользуясь таб-
лицами операторных изображений [6]. Наиболее
близкой табличной формулой является следую-
щая:
F(p) = 1
(p2 + c2) [(p + a)2 + b2]
;
f(t) = 1
√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(δ2 – c2)2 + 4a2c2 ×
× [1c – sin (ct – λ) + 1be–atsin (bt – µ)], (6)
где
λ = arctg 2αc
δ2 – c2; µ = arctg –2ab
a2 – b2 + c2; δ2 = a2 + b2.
Приравняв соответствующие коэффициенты
знаменателей уравнений (5) и (6), получим сле-
дующие выражения для определения a, b, c:
a = 1/2T1; a2 + b2 = k/Т1; b = (√4kT1 – 1)/2T1; c = ω. (7)
В выражениях (7) величина b определяет час-
тоту вынужденных колебаний системы источник
сварочного тока — дуговой процесс.
Можно указать, что при импульсной подаче
интегральная скорость подачи электродной про-
волоки связана со скоростью подачи в импульсе
следующей зависимостью:
vп = f(t) = ξh, (8)
где ξ, h — соответственно частота и шаг импуль-
сной подачи.
Учитывая, что рекомендуемый в работе [7] шаг
связан с диаметром электродной проволоки dэ за-
висимостью h = 1,2dэ, уравнение (8) запишем в
следующем виде:
vп = (1,2…1,4)dэξ. (9)
Известно, что интегральная скорость подачи
vп при гармоническом законе ее изменения (см.
уравнение (3)) связана с амплитудным значением
зависимостьюРис. 1. Расчетная (а) и близкая к реальной (б) формы импуль-
сов подачи
20 4/2007
vп = 1
π
∫
0
T ⁄ 2
Vпsin ωt = 2
π
Vп,
(10)
где T — период следования импульса подачи.
Амплитудное значение скорости подачи vп с
учетом (9), (10) может быть представлено в виде
Vп = π(1,2…1,4)dэξ/2 ≈ 2dэξ. (11)
Учитывая постоянные сомножители уравнения
(5) В, D и T1, а также то, что колебания скорости
подачи электродной проволоки смещены относи-
тельно оси абсцисс на величину
B = kфVп, (12)
где kф — величина, характеризующая форму им-
пульса подачи), в окончательном виде получаем
искомую зависимость Iс(t) для случая импульсной
подачи электродной проволоки
Ic(t) = BD
T1√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(δ2 – c2)2 + 4a2c2 +
+ (A + B)D
T1√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(δ2 – c2)2 + 4a2c2 ×
× [sin (ct – λ) + cbe–atsin (bt – µ)]. (13)
Уравнение (13) является математической мо-
делью, которая в аналитической форме описывает
зависимость между изменяющейся по гармони-
ческому закону скоростью подачи проволоки и
током сварки. Эта модель справедлива для ис-
следования одиночного импульса подачи, но так
как процесс с короткими замыканиями является
периодическим и его частота при правильно по-
добранных параметрах импульсной подачи [8] со-
ответствует частоте следования импульсов, пред-
ложенный подход к описанию указанной зависи-
мости следует считать приемлемым.
Предварительный анализ уравнения (13) по-
казывает, что при импульсной подаче электродной
проволоки ток в сварочной цепи носит колеба-
тельный характер, но при этом частота и ампли-
туда этих колебаний определяется одновременно
двумя составляющими: как следствие изменения
скорости подачи проволоки и в результате асим-
птотически затухающих колебательных переход-
ных процессов в плавлении электродной прово-
локи.
На основании уравнения (13) были рассчитаны
параметры колебаний тока сварки при использо-
вании импульсной подачи электродной проволо-
ки. Эти расчеты в графическом виде представлены
на рис. 2.
Как и следовало ожидать, при разной частоте
импульсной подачи и переходного процесса их
результирующее значение зависит от достаточно
большого количества параметров, а также особен-
ностей плавления электродной проволоки при ду-
говом процессе с использованием плавящегося
электрода, характеристик источника сварочного
тока и параметров сварочной цепи.
Важным является то, что изменения (колеба-
ния) сварочного тока, обусловленные импуль-
сным характером движения проволоки и колеба-
тельным переходным процессом системы дуга–
дуговой процесс, происходят не синхронно с из-
менением скорости подачи электродной проволо-
ки, а с определенным (вычисляемым) сдвигом от
них на время, зависящее от характеристик ука-
занной системы, а также существенные превы-
шения сварочного тока в начальный момент дейс-
твия импульса подачи над его колебаниями в ус-
тановившемся режиме. Последний при сварке с
короткими замыканиями дугового промежутка
принят как гипотетический для оценки уровней
изменения тока в зависимости от скорости подачи.
Учитывая, что скорость плавления электрод-
ной проволоки vпл безынерционно следует за из-
менениями сварочного тока и пропорциональна
ему, а также учитывая уравнения (8), (12) и (13),
можно представить в окончательном виде урав-
нение, связывающее скорость подачи электродной
проволоки и ее скорость плавления в следующем
общем виде:
vпл(t) =
kI fhπD ⁄ 2
T1√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(δ2 – c2)2 + 4a2c2 ×
× ⎧⎨
⎩
1
2 + [sin (ct – λ) + cbe–atsin (bt – µ)]⎫⎬
⎭
,
(14)
где kI — коэффициент пропорциональности, ха-
рактеризующий степень зависимости vпл = f(Iс),
которая, как правило, принимается прямо пропор-
циональной.
Самым доказательным примером подтвержде-
ния результатов проведенного исследования яв-
ляется существование принудительных коротких
замыканий дугового промежутка с частотой им-
Рис. 2. Относительные колебания тока сварки при импуль-
сной подаче электродной проволоки с синусоидальным ха-
рактером движения (b = 14 c–1): 1 — c = 100; 2 — 14; 3 —
50 c–1
4/2007 21
пульсной подачи как следствия плавления про-
волоки по закону, задаваемому импульсной по-
дачей с присущими ей ускорениями в плавлении
электродной проволоки в каждом импульсе и за-
мыканию каплей дугового промежутка в момент
действия импульса. На рис. 3 приведены экспе-
риментально полученные характерные осциллог-
раммы синхронной регистрации скорости им-
пульсного движения проволоки, воспроизводимо-
го механизмом подачи с синусоидальным законом
формирования, и тока дугового процесса. Запаз-
дывание импульса в направляющем канале, со-
ответствующее выводам работы [9], в настоящем
эксперименте исключено из-за максимального
приближения устройства регистрации скорости
подачи к месту ведения дугового процесса. Видно
некоторый фазовый сдвиг τ между скоростью по-
дачи электродной проволоки и током дугового
процесса, а также заметна разница в форме кривой
тока сварки при разных значениях параметров с
и b.
Выводы
1. Импульсный характер подачи электродной про-
волоки оказывает существенное влияние на ток
дугового процесса, и, как следствие, скорость
плавления электродной проволоки, вызывая их ко-
лебания.
2. Параметры колебаний сварочного тока и
скорости плавления электродной проволоки при
ее импульсном движении обусловлены как харак-
теристиками импульсов подачи с их периодичес-
ким воздействием, так и характеристиками сис-
темы источник сварочного тока–дуговой процесс,
представляющими собой апериодический пере-
ходный процесс.
3. Полученная математическая модель, описы-
вающая в аналитической форме зависимость меж-
ду скоростью подачи электродной проволоки и
скоростью ее плавления, может быть использо-
вана для расчета условий управления переносом
электродного металла при целенаправленно зада-
ваемых импульсах, а также для оценки влияния
отклонений в скорости подачи, возникающих по
различным причинам, на формирование сварного
соединения.
1. Воропай Н. М. Параметры режимов и технологические
возможности дуговой сварки с импульсной подачей
электродной и присадочной проволоки // Автомат. свар-
ка. — 1996. — № 10. — С. 3–9.
2. Лебедев В. А., Мошкин В. Ф., Пичак В. Г. Новые меха-
низмы для импульсной подачи электродной проволоки //
Там же. — 1996. — № 5. — С. 39–44.
3. Попков А. М. Об устойчивости системы источник пита-
ния — дуга при сварке с систематическими короткими
замыканиями дугового промежутка // Свароч. про-во. —
1980. — № 3. — С. 11–13.
4. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория автоматического
регулирования. — М.: Наука, 1972. — 768 с.
5. Анализ технических и технологических возможностей
импульсной подачи электродной проволоки в процессах
дуговой сварки и наплавки / Б. Е. Патон, В. А. Лебедев,
В. Г. Пичак и др. // Свароч. пр-во. — 2002. — № 2. —
С. 24–31.
6. Диткин В. А., Кузнецов П. И. Справочник по операцион-
ному исчислению. — Л.: Гостехтеориздат, 1951. —
255 с.
7. Потапьевский А. Г. Сварка в защитных газах плавящим-
ся электродом. — М.: Машиностроение, 1974. — 240 с.
8. Лебедев В. А., Пичак В. Г. Механизированная дуговая
сварка в CO2 с регулируемой импульсной подачей элект-
родной проволоки // Свароч. пр-во. — 1998. — № 5. —
С. 30–33.
9. Лебедев В. А. Влияние направляющего канала сварочно-
го полуавтомата на параметры импульсной подачи элек-
тродной проволоки // Автомат. сварка. — 1999. — № 2.
— С. 45–48.
Mathematical model is considered, describing dependence of the arc process current and the rate of melting of electrode
wire on the variable character of its movement in the process of metal-arc welding, in particular, in short-circuiting of
the arc gap.
Поступила в редакцию 20.01.2005
Рис. 3. Осциллограммы синхронной записи скорости подачи
импульсного движения электродной проволоки (1) и тока
дугового процесса (2): а — с = 20 с–1; b ≈ 30 с–1; б — с = 20 с–1;
b ≈ 20 с–1
22 4/2007
|