3 Електрошлакове зварювання

3.1 Електрошлаковий процес як об'єкт керування. Класифікація систем автоматичного регулювання

Шлакову ванну можна розглядати як нелінійний активний опір, який залежить від температури розплавленого шлаку, розмірів і форми шлакової ванни, розмірів, відносного розміщення і глибини занурення електродів до шлакової ванни. Криві струму і напруги при зварюванні змінним струмом, зафіксовані осцилограмою — це синусоїди, які збігаються за фазою. Нелінійність шлакової ванни виявляється на діючих значеннях струму і напруги лише при порів­няно повільній їхній зміні [39]. Нагрівання електрода відбувається переважно за рахунок контакту його з розплавленим шлаком. Із збіль­шенням швидкості подавання електрода зростають глибина занурен­ня його в шлак і температура шлаку, особливо в об'ємі між торцем електрода і поверхнею металевої ванни. Скорочення відстані між тор­цем електрода і поверхнею металевої ванни, а також підвищення тем­ператури шлаку призводять до зростання провідності між електродом і металевою ванною та відповідного збільшення струму (рисунок 3.1).

Якість зварного з'єднання при електрошлаковому зварюванні (ЕШЗ) так само, як і при інших способах зварювання, визначається відповідністю комплексу механічних властивостей шва і пришовної зони властивостям основного металу. Зниження якості зварного з'єд­нання і поява у шві дефектів фізичного і металургійного характеру (непроварів, підрізів, напливів, крихкості по осі шва, неметалевих вкраплень, пор, тріщин) — наслідок порушення встановленої техно­логії і насамперед параметрів зварювального режиму.

Рисунок 3.1 – Зміна струму І_ш шла­кової ванни із зростанням швид­кості подавання електрода v_{n e} для електродного дроту діамет­ром 3 мм

Рисунок 3.2 – Схема процесу ЕШЗ

Режим ЕШЗ порівняно з режимом дугового зварювання визнача­ється значно більшою кількістю взаємозалежних параметрів: струмом і спаданням напруги на ванні, поперечним перерізом електрода F_e, глибиною шлакової і металевої ванн (рисунок 3.2), «сухим» ви­льотом електрода , положенням кінця електрода щодо дзеркала ме­талевої ванни, швидкостями зварювання і поперечних переміщень електродів наближенням а, витримуванням електродів біля повзу­нів т, родом струму і полярністю.

Особливість процесу ЕШЗ — можливість його стійкого протікан­ня при жорстких і пологоспадаючих зовнішніх характеристиках дже­рел живлення. За низької напруги холостого ходу зменшується ймо­вірність випадкового збудження дуги між електродом і металевою ванною, спрощується налагоджування режиму.

Важливою особливістю процесу ЕШЗ є більша, ніж при дуговому зварюванні, взаємопов'язаність параметрів режиму. Так, зварюваль­ний струм залежить не лише від , вильоту , але й від за-зора між кромками зварюваних деталей і швидкості зварювання. Однак усі ці фактори справляють слабкий вплив на і головною ре­гульованою дією на зварювальний струм є швидкість подавання електрода .

Спадання напруги залежить від глибини занурення електрода в шлак, рівної різниці , питомого опору шлаку і опору вилітання електрода. Збільшення супроводжується збільшенням відстані і зменшенням провідності ванни. Надлишок потужності йде на додаткове розплавлення основного металу. При зниженні напруги відстань зменшується і провідність ванни зростає. Знижується середня температура шлакової ванни, що може призвести до непроварів. При малих можливий місцевий перегрів шлаку і його закипання, яке супроводжується утворенням дуги і порушенням

процесу ЕШЗ. При заданому струмі напругу можна регулювати у значних межах зміною ЕРС джерела живлення Е_дж або опору зва­рювального кола. Проте в останньому випадку втрачаються переваги джерел живлення з жорсткою характеристикою. Тому регулювання процесу ЕШЗ за допомогою впливу на опір зварювального кола не застосовується.

Глибина ванни визначається рівнем дзеркала металевої ванни щодо повзунів. Дією на або можна регулювати рівень метале­вої ванни щодо повзунів та її глибину . Для компенсації зменшення цього рівня внаслідок витікання з ванни частини шлаку можуть вико­ристовуватися системи дозування флюсу.

Інші параметри режиму або не можна відрегулювати у процесі зварювання (зазор б, площа поперечного перерізу електрода), або ж вони є похідними від зварювального струму, напруги зварювання І швидкості подавання електродного дроту. До точності відтворення Яп.п не ставлять жорстких вимог, тому стабілізація її за допомогою автоматичних пристроїв не здійснюється.

Нормальний хід процесу ЕШЗ порушують збурення, які виникають:

1. унаслідок змін зазора між кромками ( ) у зв'язку з низькою якістю підготовки і складання заготовок, зварювальними деформа­ціями;

2. безпосередньо у зоні зварювання через зміни фізико-хімічних властивостей шлаку ( ), електродного дроту, а також через електро­магнітні явища;

3) унаслідок зміни моментів навантаження на валах приводних двигунів подавання електродного дроту ( ) і переміщення апарату ( ), зміни вильотів ( ) електродного дроту, нестабільних контак­тів у струмопровідних мундштуках, змін характеристик окремих схем регулювання;

4. при змінах напруги мережі і параметрів зварювального лан­цюга;

5. у зоні зварювання внаслідок витікання з ванни частини шлаку ( ) і несталого розміщення формуючих шов повзунів щодо межі метал — шлак.

Ці збурення можуть бути нерегулярними і періодичними, існува­ти тривалий час і бути короткочасними. Внаслідок великої інерцій­ності теплових процесів при ЕШЗ короткочасні збурення практично не впливають на процес формування зварного з'єднання. При трива­лій дії таких збурень, як зміна фізико-хімічних властивостей шлаку й електродного дроту та зміна характеристик окремих елементів схе­ми регулювання, неможливо зберегти задану якість зварних з'єднань, виконаних ЕШЗ (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Зварний шов як об'єкт керу­вання при ЕШЗ

Аналіз впливу різноманітних збурень на процес ЕШЗ виявляє, що практично неможливо ком­пенсувати відхилення одного параметра без порушення гео­метричних розмірів шва, частки основного металу у шві, терміч­ного циклу тощо. Тому щоб ви­конати якісні зварні з'єднання, слід підтримувати з потрібною точністю усі параметри режиму зварювання або змінювати їх за певним законом (за потребою технологічних міркувань).

При створенні систем автоматичного регулювання ЕШЗ особливу увагу варто звертати на відпрацювання ними збурень, обумовлених

змінами зазора б і коливань напруги мережі U_ш, оскільки вони відби­ваються на напрузі і струмі зварювання, на глибинах шлакової і ме­талевої ванн, що спричинює зміну геометричних розмірів швів і ви­никнення у них дефектів.

Процес ЕШЗ має багато спільного з дуговим зварюванням з точки зору регулювання основних енергетичних параметрів режиму. Обидва процеси мають властивість саморегулювання, подібні також криві сталої роботи, вольт-амперні характеристики, зняті при постійних швидкостях подавання, збігаються і деякі регулюючі дії ( , Е_яж). Тому основні способи регулювання і схеми регуляторів струму і напруги ЕШЗ подібні до тих, що застосовують при дуговому зва­рюванні.

На рисунок 3.4 наведено класифікаційну схему можливих систем ре­гулювання ЕШЗ і регулюючих дій.

Рисунок 3.4 – Класифікація систем автоматичного регулювання процесу ЕШЗ