30 ноября 2006
Особенности механизированной сварки в углекислом газе корневого слоя шва с формированием обратного валика во всех пространственных положениях (метод ВКЗ)

За последние 5 лет широкое применение в сварочном производстве России и других стран находит новый процесс полуавтоматической сварки корневых швов. Наиболее широкая область применения процесса – трубопроводное строительство, где проблема формирования обратного валика на весу во всех пространственных положениях при сварке неповоротных стыков стоит наиболее остро. В США процесс был разработан применительно к сварке тонколистового металла в автомобильной промышленности. В России  этот процесс был промышленно применен при сварке неповоротных стыков на оборудовании фирмы «Линкольн Электрик» и включен в Руководящую Документацию ОАО «Транснефть» и ОАО «ГАЗПРОМ». Процесс запатентован фирмой «Линкольн Электрик», США и получил название STT-процесс.  

Сущность процесса заключается в том, что это разновидность известного процесса полуавтоматической сварки с периодическими короткими замыканиями.

Отличительной особенностью нового процесса является то, что при сварке по способу STT перенос электродного металла в сварочную ванну осуществляется при минимуме действия на каплю электродинамической силы (силы Пинч-эффекта), т.е. переход капли в сварочную ванну осуществляется под действием сил поверхностного натяжения расплавленного металла на поверхности капли. В способе STT  это достигается за счет сложной циклограммы изменения тока и напряжения на дуге. Разрыв перемычки между каплей и электродной проволокой, а также повторное зажигание дуги осуществляется также за счет сложной циклограммы тока и напряжения на дуге. Такой подход позволяет контролировать вязкость расплавленного металла сварочной ванны, уравновешивать силы, действующие на сварочную ванну, размеры и поверхностное натяжение металла сварочной ванны и таким образом эффективно формировать обратный валик.

 STT - процесс имеет следующие достоинства и недостатки:

Достоинства – возможность осуществлять сварку корневых проходов сварных соединений, например, трубопроводов, с наружной части соединения; минимальное разбрызгивание при сварке; возможность производить сварку с минимальным перемешиванием металла шва с основным металлом; минимальное коробление металлоконструкции при сварке из-за снижения тепловложения в свариваемую деталь.

  Недостатки – высокая стоимость сложной инверторной сварочной техники; дорогостоящее программирование параметров сварочного режима при необходимости сварки в нестандартном для данного сварочного аппарата режиме и сложность технического обслуживания; управление сварочным аппаратом осуществляется изменением циклограммы тока и напряжения сварочной дуги, что обуславливает повышенные требования к сварочным кабелям;

Поэтому, в группе предприятий ИТС в течение длительного времени велись разработки сварочного оборудования и технологического процесса, способных при сохранении достоинств STT - процесса минимизировать его недостатки. Новый сварочный процесс также является разновидностью метода полуавтоматической сварки с периодическими короткими замыканиями и получил название процесс сварки с вынужденными короткими замыканиями – процесс ВКЗ. Процесс включен в Руководящую документацию ОАО «ГАЗПРОМ» и ОАО «Транснефть».

Сущность процесса опирается на фундаментальные разработки советской школы сварки (работы Ю.Н.Сараева [1])  и   имеющийся негативный опыт по слепому копированию зарубежных сварочных установок.

За базовые были выбраны серийно выпускаемые установки типа ВД-506ДК с комбинированной внешней вольт-амперной характеристикой при полуавтоматической сварке /2/. Установки имеют также специальную форму осциллограммы тока и напряжения на дуге /2/.

Сущность внешней комбинированной вольт-амперной характеристики заключается в том, что в зависимости от размера капли электродного металла и фазы перехода капли в сварочную ванну (рост капли, формирование перемычки между каплей и электродом, переход капли в ванну, разрыв перемычки) вольт-амперная характеристика может быть жесткой или падающей. При этом производится ограничение мощности дугового разряда в момент разрыва перемычки и увеличение напряжения холостого хода после разрыва перемычки между электродной проволокой и каплей электродного металла. Причем, управление переносом производится не по сварочному току и напряжению на дуге, а по изменению напряжения на дуге автоматически, в зависимости от стадии переноса электродного металла, что и обуславливает высокие динамические свойства источника.

Применение других тиристорных или инверторных сварочных установок, не обеспечивает высокого качества сварного соединения при механизированной сварке плавлением по причине значительного разброса размера капель электродного металла, хаотического перехода от процесса сварки длинной дугой к сварке короткой дугой, значительного разбрызгивания и низких сварочных свойств при изменении диаметра электродной проволоки и пространственного положения, что определяется динамическими свойствами источников питания.

Применение смесей газов при сварке корневого шва как по методу STT, так и по методу ВКЗ значительно облегчает технологический          процесс по сравнению с углекислотой, однако, не позволяет выполнить требования по вязкости расплавленного металла сварочной ванны ввиду снижения эффективности охлаждения сварочной ванны при сварке в смесях газов по сравнению со сваркой в углекислом газе.  Поэтому использование смесей газов при  сварке корневого слоя шва ограничено.

Технологические возможности метода ВКЗ по сравнению с традиционной полуавтоматической сваркой следующие:

·          Возможность формировать на весу обратный валик сварного шва с усилением 0…2 мм при сварке во всех пространственных положениях;

·          Обеспечение разбрызгивания металла при сварке по методу ВКЗ в углекислом газе не более 2%;

·          За счет сварки ВКЗ обеспечивается значительное снижение выгорания легирующих элементов по сравнению со стандартной импульсно-дуговой или полуавтоматической сваркой в смесях газов, что позволяет регулировать механические и вязко-пластические свойства металла шва /3/;

·          Снижение коробления свариваемых деталей из-за уменьшение нагрева (время горения дуги сокращается из-за наличия коротких замыканий);

·           Минимизация тепловложения в основной металл и значительное снижения зоны роста зерна в ЗТВ, что резко повышает вязко-пластические свойства сварного соединения /3/;

·          Обеспечение надежной и эффективной эксплуатации сварочной техники при длине соединительного кабеля от выпрямителя до механизма подачи проволоки до 50м (управление процессом производится не традиционно по току дуги, а по напряжению на дуге).

Различия процесса ВКЗ от процесса STT заключаются в следующем:

·          основным отличием выпрямителя ВД-506ДК от известной установки INVERTEС STT2 является то, что управление процессом каплепереноса осуществляется не по обратным связям по сварочному току и напряжению (накладывает ограничения на длину соединительного сварочного кабеля между источником сварочного тока и подающим механизмом ввиду его естественной индуктивности), а автоматическим изменением сварочного напряжения и мощности дугового разряда в зависимости от стадии горения дугши, что позволяет увеличивать длину сварочного кабеля при использовании специальных подающих механизмов (ПДГО-511 и др.) производства группы предприятий ИТС;

·          другим отличием выпрямителя ВД-506ДК от установки INVERTEС STT2 является то, что при сварке по методу STT формирование размеров и частоты переноса капель электродного металла в сварочную ванну является заданной программным путем, а при сварке по методу ВКЗ процесс является саморегулирующимся и определяется выбранной техникой сварки;

·          отличием техники сварки по методу ВКЗ от сварки по методу STT является то, что при сварке по методу ВКЗ процесс может вестись в двух направлениях – проплавление сквозной дугой, когда проволока немного опережает сварочную ванну и пятно дуги располагается непосредственно на формирующемся обратном валике или проплавлением через тонкую прослойку расплавленного металла, когда пятно дуги располагается на переднем фронте сварочной ванны. При сварке по методу STT  пятно дуги должно находиться в передней трети сварочной ванны.

В Перми на базе учебного центра «Пермь-Нефть» действует центр по подготовке рабочих-сварщиков, использующих метод ВКЗ.

При сварке корневого слоя шва скорость подачи сварочной проволоки следует поддерживать в диапазоне 2,5-4,7 м/мин.

Снижение скорости подачи сварочной проволоки приводит к увеличению длины дуги, появлению крупнокапельного переноса электродного металла, уменьшению скорости сварки, недостаточному усилению внутреннего валика шва, утяжине. Увеличение скорости подачи приводит к укорочению длины дуги, «утыканию» проволоки в изделие, усилению внутреннего и наружного валика, недостаточному прогреву кромок и к возможности возникновения несплавления.

При сварке методом ВКЗ напряжение на дуге следует устанавливать в пределах 16,5-18,5В.

При повышении напряжения выше установленного предела процесс переходит в крупнокапельный перенос, который сопровождается повышенным разбрызгиванием и повышенной жидкотекучестью сварочной ванны. Это приводит к утяжине и прожогам. При снижении напряжения ниже указанного предела ухудшается прогрев свариваемых кромок, что приводит к несплавлениям и завышению усиления внутреннего и внешнего валика шва.

При сварке методом ВКЗ вылет сварочной проволоки следует устанавливать в пределах 5-16мм.

При увеличении длины вылета более оптимальной, происходит уменьшение глубины провара, что влечет появление несплавления кромок. Уменьшение длины вылета менее оптимальной приводит к возникновению провисов, особенно в нижнем пространственном положении.

Выбор режимных параметров в пределах граничных параметров определяется видом  выполненной разделки, толщиной свариваемого металла, величиной зазора и притупления. В таблице 1 приведены конкретные режимные параметры сварки корневого слоя шва проволокой типа L-56 диаметром 1,14мм при различных толщинах стенки (от 6 до 32мм), величинах зазоров в разделке (от 1,5 до 4мм), величинах притуплений (от 1 до 2,6мм).

ЛИТЕРАТУРА.

1.       Сараев Ю.Н. Управление переносом электродного металла при сварке в СО₂ с короткими замыканиями дугового промежутка//Автоматическая сварка, 1988. №12. с.16-23

2.       Карасев М.В., Работинский Д.Н., Соляник В.В., Беляев А.Е., Головин С.В. Сравнительный анализ технологических возможностей новых установок для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах//Сварщик в России, 2006, №2, с.33-37.

3.       Карасев М.В., Ладыжанский А.П., Головин С.В., Работинский Д.Н., Зинченко А.В.. Павленко Г.В. исследование влияния режимов полуавтоматической сварки в смесях газов и вида переноса электродного металла на химический состав и механические свойства наплавленного металла//Трубопроводный транспорт. Теория и практика, 2006, 1(3), с.48-53.

ЗАО НПФ "ИТС", Санкт_Петербург

812) 321-61-61, 321-61-71

www.itscompany.opt.ru

Над статьей работали:

М.В. Карасев, доктор технических наук, генеральный директор ЗАО НПФ «ИТС»

Д.Н.Работинский, технический директор ЗАО НПФ «ИТС»

А.В. Зинченко, инструктор по сварке УЦ «Пермь_Нефть», Пермь

Д.Н. Соляник

<< Назад