С точки зрения сварки дуги бывают двух типов, а именно., неподвижная или неподвижная или фиксированная дуга и подвижная или движущаяся или бегущая дуга Фиксированная дуга образуется между неплавящимся электродом и заготовкой. Дуга может использоваться с наполнителем или без него. В первом случае отдельная проволока вводится в столб дуги и, таким образом, расплавляется для передачи в сварочную ванну под совместным действием силы тяжести, электромагнитных сил и механической силы, действующей на плазменную струю, в неподвижной дуге большая часть тепла уходит. к неплавящемуся электроду остается неиспользованным, и, возможно, его придется отводить охлаждающей водой или защитным газом.Таким образом, тепловой КПД такой дуги невелик и может составлять от 45 до 60%. Этот тип дуги наблюдается при сварке угольной дугой, газовой вольфрамовой дугой и плазменной дугой.

Между плавящимся электродом и деталью образуется подвижная дуга. По мере плавления присадочной проволоки расплавленный металл на конце электрода отделяется под действием силы тяжести, электромагнитных сил, силы, оказываемой плазменной струей, и пинч-эффекта. Однако удерживающая сила из-за поверхностного натяжения также действует на каплю.По мере плавления электрода дуга продолжает двигаться вверх по электроду. Подвижная дуга используется в таких процессах, как дуговая сварка металлическим электродом в защитных оболочках, дуговая сварка металлическим электродом в газовой среде и дуговая сварка под флюсом.

Дуга, при которой расплавленный металл с кончика электрода проходит через него и становится частью сварочной ванны, называется «металлической дугой». Подвижная дуга — это металлическая дуга.

Большая часть тепла, поступающего на электрод в подвижной дуге, используется для плавления металла и, таким образом, используется эффективно.Таким образом, тепловой КПД процесса с использованием подвижной дуги высок и обычно составляет от 75 до 90%. Следовательно, сварочные процессы с использованием подвижной дуги термически более эффективны, чем процессы с использованием неподвижной или фиксированной дуги.

Дуговая сварка может выполняться на переменном или постоянном токе. Если используется переменный ток, нет вопроса о полярности электродов, поскольку она меняется каждые полупериод. Однако, если используется постоянный ток, можно сделать электрод либо отрицательным, либо положительным.

На аноде выделяется больше тепла, поэтому во всех процессах с использованием неплавящихся электродов лучше подключать электрод к отрицательной клемме, чтобы минимизировать тепловые потери. Однако это может быть не всегда возможно, потому что время от времени необходимо использовать очищающее действие подвижного катодного пятна для отделения прочного тугоплавкого оксидного слоя от металла, например, при сварке алюминия и магния.

В таких случаях предпочтительно использовать переменный ток, чтобы найти компромисс между термической эффективностью и чистящим действием.Таким образом, в процессах дуговой сварки вольфрамовым электродом и угольной дуговой сварки обычно используются источники переменного тока, когда обязательно требуется опора на заготовку. Когда такого принуждения нет, можно использовать dcen.

Однако для дуговой сварки экранированным металлом сварочный трансформатор переменного тока довольно популярен, и в то же время при тех же технических характеристиках он намного дешевле, чем сварочный электродвигатель-генератор постоянного тока или комплект трансформатора с выпрямителем, необходимый для получения питания постоянного тока. Также при сварке на постоянном токе есть устройство смены дуги, которое может вызвать неприемлемый зигзагообразный шов низкого качества.

Из-за регулярного прерывания дуги переменного тока не рекомендуется использовать неизолированную проволоку, например, при газовой дуговой сварке металла. Однако для дуговой сварки защищенным металлом были разработаны соответствующие электродные покрытия, которые облегчают зажигание и поддержание сварочной дуги.

При использовании расходуемого электрода перенос металла от проволочного электрода к обрабатываемой детали является более равномерным, частым и более направленным, если электрод выполнен положительным. Поэтому DCEP или обратная полярность являются популярными для GMAW, который также обеспечивает необходимое очищающее действие на металлах с прочным оксидным слоем, таких как алюминий.

Применение типов дуги при промышленной сварке | Международный журнал машиностроения и материаловедения

Введение

Дуговая сварка — ключевой процесс в промышленном производстве (Найду и др., 2003), а дуговая сварка металлическим электродом (GMAW) широко используется во многих обрабатывающих отраслях из-за ее фундаментальных преимуществ. , такие как регулируемые профили проплавления, гладкий валик, малое разбрызгивание и высокая скорость сварки (Kah et al. 2009). За последние два десятилетия GMAW стала основной технологией в индустрии роботизированной сварки (Chen and Wu 2009).Тип дуги является важным фактором во многих приложениях; однако явление дуги полностью не объяснено и проявляет неизвестные свойства и поведение.

Использование дуги соответствующего типа при сварке различных материалов с разной толщиной позволяет сократить расходы, сократить время производства и повысить качество. В последнее время важной проблемой стало соединение тонких материалов и материалов, чувствительных к нагреванию. Лучшее понимание явлений дуги может помочь разработать и усовершенствовать интегрированный дизайн промышленных сварочных систем (Iordachescu and Quintino 2008).В связи с увеличением разнообразия соединяемых материалов и множества различных дуговых процессов необходимость понимания различных типов процессов дуговой сварки становится как никогда актуальной. Кроме того, при управлении и изменении процесса сварки знание явления дуги облегчит получение улучшенного качества сварных швов и надежных соединений (Eagar 1990a, b).

В этом исследовании дается краткое введение в характеристики дуги, обсуждается классификация сварочных дуг, проводится сравнение дуг и обсуждаются преимущества и недостатки различных дуг.Наконец, рассматриваются типы сварочных дуг и их роль в промышленном применении.

Характеристики дуги

Сварочную дугу можно рассматривать как проводник газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую (Найду и др., 2003). В исследовании Ланкастера (1984) сварочная дуга рассматривается как цилиндрическое тело газа, которое ограничено температурным градиентом. Одна из проблем, с которой обычно сталкивается сварочная промышленность, — это плохая стабильность дуги. Стабильность дуги и длина дуги влияют на характер переноса металла (Pal et al.2010). При стабильной дуге перенос металла происходит равномерно, а количество брызг минимально (Hermans and Ouden 1999). В ситуации стабильной дуги можно найти взаимосвязь между напряжением и током, показанную на рисунке 1 (Ibrahim Khan 2007). График показывает, что дуга не подчиняется закону Ома. Кроме того, уменьшающаяся часть характеристики дуги является частью Айртона и характеризуется нестабильной дугой, в то время как часть Ома, увеличивающаяся область, применяется при сварке. Другие факторы, такие как атмосфера дуги, длина дуги и используемые металлы, также влияют на наклон кривой.

Типичная характеристика дуги по сравнению с законом Ома (Ибрагим Хан 2007 г. ).

Дуговая плазма

Дуговая плазма представляет собой ионизированное состояние сварочного газа и представляет собой смесь почти равных количеств электронов и ионов. Плазма переносит ток дуги. Большая часть токопроводимости переносится электронами. В случае дуговой сварки электродом обычно считается катод, а заготовка — анод. Электроны выходят из электрода (т. Е. Отрицательного вывода) и направляются в заготовку (т.е. положительный вывод) (Найду и др., 2003). Чтобы определить влияние дуговой плазмы на сварочную ванну, следует учитывать четыре фактора: (i) тепловой поток, (ii) плотность тока, (iii) напряжение сдвига и (iv) давление дуги.

Существует прямая зависимость между увеличением теплового потока и плотности тока и глубиной сварочной ванны. Увеличение напряжения сдвига в расплавленной ванне способствует протеканию наружу потока в верхней части сварочной ванны, а увеличение давления дуги может привести к более вогнутой поверхности сварочной ванны (Мерфи и др.2009 г.). Однако давление дуги не влияет на плоскостность поверхности сварочной ванны, когда ток составляет менее 200 А (Лин и Игар, 1985; Ван и Цай, 2001).

Температура дуги

Первоначально считалось, что температура сварочной дуги складывается из тепла плазмы дуги, но Кобайн и Бургер (1955) показали, что большая часть тепла, передаваемого на заготовку от электрода, происходит от потока ток в металл. Позже это понимание было расширено Куигли и др.(1973), которые отметили, что только 20% тепла переносится горячими газами, а 80% остается в электрическом токе. В зависимости от точной природы плазмы и силы тока, протекающего через нее, температура сварочной дуги варьируется от 5 000 до 30 000 К (Найду и др. 2003; Роберт и Месслер 2004). В некоторых случаях мощность чрезвычайно высока, и температура может подниматься до 50 000 К (Найду и др. 2003).

На температуру плазмы влияют два важных фактора: конкретная плазма и ее плотность (Роберт и Месслер, 2004).При дуговой сварке однокомпонентным газом, который используется в некоторых сварочных процессах, температура в GMAW ниже, потому что расплавленные капли, пар и ионы металлов более концентрированы. На рисунке 2 показано распределение температуры дуги при сварке алюминия методом GMA при 250 А. Как видно, центральная сердцевина дуги имеет самую высокую температуру, которая изменяется в зависимости от используемого защитного газа (Роберт и Месслер, 2004).

Распределение температуры дуги при сварке GMA алюминия при 250 А (Smårs and Acinger 1968 г. ).

Ток дуги

На процесс сварки влияет несколько факторов, таких как ток дуги, напряжение дуги, скорость перемещения горелки, присадочная проволока и частота вращения (Лу и др. 2009; Мун и др. 2006). При выборе этих параметров следует учитывать количество подводимого тепла и желаемое плавление (Мин и др. 2011). На режим дуги и, следовательно, на качество сварки большое влияние оказывает сила тока (Hu and Tsai 2006). На глубину проплавления также существенно влияет ток дуги.При дуговой сварке металлическим газом увеличение тока дуги увеличивает проплавление шва. Однако повышенное проникновение в стык также увеличивает вероятность прожога и растрескивания при затвердевании. Эксперименты, проведенные Ху и Цай (2006), показали, что более высокий ток приводит к более высокой электромагнитной силе, которая заставляет каплю отделяться от электрода к сварочной ванне. Кроме того, при более высоком токе размер расплавленной капли меньше и частота появления капель выше.

Напряжение дуги

Напряжение дуги пропорционально длине дуги.Следовательно, напряжением дуги можно управлять, изменяя длину дуги (Найду и др., 2003). На рис. 3 показаны кривые напряжения дуги типичного источника питания на диаграмме сварочного тока и напряжения. Видно, что небольшое изменение напряжения приводит к очень большому изменению сварочного тока. Как следствие взаимосвязи между сварочным током и напряжением дуги, свойства и геометрия сварного шва могут быть предсказаны (Shoeb et al.2013): при сварке высоким напряжением образуется очень широкий валик с возможными поднутрениями и вогнутой формой, а сварка тоже низкое напряжение приводит к образованию сварного шва низкого качества.

Саморегулирование напряжения дуги (Найду и др. 2003 г. ).

Как видно из рисунка 3, напряжение значительно изменяется при небольшом изменении длины дуги, в то время как изменение тока незначительно. Следовательно, длина дуги больше влияет на напряжение, чем на сварочный ток. Длина дуги на этой диаграмме разделена на три части: длинную, среднюю и малую, которые представляют собой так называемые кривые источника напряжения.Соединение кривых CC и CV с кривой источника напряжения называется рабочей точкой источника питания и может быть изменено в процессе сварки (Найду и др., 2003).

Проникновение дуги

Чтобы определить глубину проникновения дуги, необходимо знать положение дуги, которое рассчитывается на основе таких параметров, как сварочное напряжение, сварочный ток и скорость подачи проволоки. Положение дуги определяется как сумма удлинения провода и длины дуги. На рисунке 4 эти параметры показаны для GMAW как L и L _a , соответственно.Расстояние между сварочной горелкой и заготовкой составляет H , а параметр P отображает глубину проплавления (Ивата и др. 2009a, b).

Параметры для прогнозирования положения дуги (Ивата и др. 2009a , б ).

На рис. 5 показана взаимосвязь между положением дуги и проплавлением при сварке плоских листов под флюсом.Подгоночная линия на графике показывает, что значения проникновения дуги и положения дуги очень близки. Таким образом, взаимосвязь такая, как и ожидалось (Ивата и др., 2009a, b).

Сравнение прогнозируемой и фактической глубины проникновения для SAW (Ивата и др. 2009a , б ).

Эффективность дуги

Эффективность дуги является важным фактором в процессах дуговой сварки и обычно объясняется как вклад тепла в металл, деленный на общую тепловую энергию дуги (Eagar 1990a). Другими словами, эффективность дуги измеряется как количество энергии дуги, подводимой к подложке (Дюпон и Мардер, 1995). Эффективность дуги влияет на скорость сварки и может варьироваться от 60% до 99% для различных сварочных процессов (Eagar 1990b). Важно знать эффективность дуги, чтобы измерить эффективность плавления, как экспериментально, так и с помощью моделей теплового потока (Dupont and Marder 1995). Параметры сварки (например, ток и напряжение) мало влияют на эффективность дуги для данного процесса, а эффективность процессов сварки неплавящимся электродом считается немного ниже, чем у процессов с плавящимися электродами (Kou 1987; Lancaster 1984).Подвод тепла можно рассчитать с использованием КПД дуги по формуле, показанной в уравнении 1 (Gunaraj and Murugan, 2002):

$$ \ mathrm {Heat} \; \ mathrm {input} \ left (\ frac {\ mathrm {kJ}} {\ mathrm {cm}} \ right) = \ frac {\ mathrm {Arc} \; \ mathrm {Voltage} \ times \ mathrm {Arc} \; \ mathrm {current}} {\ mathrm {Welding} \; \ mathrm {скорость} \ times 1000} \ times \ mathrm {Arc} \; \ mathrm {эффективность} $$

(1)

Стабильность дуги

Стабильность дуги — еще одна важная характеристика дуговой сварки. На стабильность дуги влияют такие параметры, как мощность дуги, режим переноса металла и регулярность режима переноса металла (Ghosh et al. 2006). Брызги во время сварки — главный отрицательный результат плохой стабильности дуги; разбрызгивание приводит к потерям материала, увеличивает время очистки и снижает качество сварного шва (Suban and Tusek 2003).

Свойства идеальной и стабильной сварочной дуги следующие (Suban and Tusek 2003): (i) форма всего переносимого материала постоянна, (ii) длина дуги постоянна, и (iii) существует небольшое количество брызг или их полное отсутствие.

При сварке плавящимся электродом, например GMAW, стабильность дуги зависит от поведения корня дуги (Коста и др., 2010). Еще одним фактором стабильности дуги является смесь защитного газа. Стабильность дуги ниже в газовой смеси с повышенным содержанием диоксида углерода (CO ₂ ). На рисунке 6 показано, что большая длина дуги и более тонкое изотермическое распределение — две характеристики смеси с низким содержанием диоксида углерода (Pires et al. 2007).

Распределение температуры для смесей: высокое (слева) и низкое (справа) содержание диоксида углерода. Для того же тока и напряжения I ₁ выше, чем I ₂ (Pires et al.2007)

Дуговый разряд

Дуговый разряд — это явление, при котором дуга имеет тенденцию отделяться от точка сварки, как если бы дул сильный ветер (Найду и др., 2003). Причиной возникновения дуги является дисбаланс магнитного поля, окружающего заготовку (Gerbec 2009). Обычно это явление происходит в трех ситуациях: (i) направление тока изменяется, (ii) вокруг сварочной дуги есть магнитные материалы, и (iii) магнитные материалы находятся рядом с краем пластины (Naidu et al.2003 г.). Удар дуги обычно наблюдается только при высоких сварочных токах постоянного тока. Этого можно избежать, уменьшив уровень тока, используя сварочный ток переменного тока и размагничивая приспособление (Gerbec 2009). Напряжение дуги влияет на отклонение дуги, так что дуга с более низким напряжением становится короче и жестче и имеет лучшее сопротивление отклонению, чем дуга с более высоким напряжением дуги.

Как упоминалось ранее, тепловая энергия дуги создается за счет электрических реакций между анодом и катодом внутри плазмы.2 $$

(2)

В данной формуле и α , и β являются константами, l _s — удельное сопротивление электрода, α _ω — это площадь поперечного сечения проволоки, а I — сварочный ток (Найду и др., 2003).

Пинч-эффект

Дуга во всех проводниках, по которым проходит ток, окружена магнитным полем (Luksa 2006).При дуговой сварке площадь поперечного сечения плавящегося электрода меняется, а направление электромагнитной силы зависит от направления потока сварочного тока. Магнитное поле имеет силу, направленную к центру дуги, так называемую силу Лоренца. С увеличением силы тока увеличивается сила тока и радиальное сужение дуги из-за большей магнитной силы. Этот процесс называется пинч-эффектом (Дзельницки, 2000; Роберт, Месслер, 2004). Величина сжимающего усилия напрямую зависит от сварочного тока и диаметра проволоки и влияет на отрыв капли от сварного шва (Kasikci 2003).Пинч-эффект показан на Рисунке 7 (Надзам, 2006).

Пинч-эффект при передаче короткого замыкания (Надзам 2006 г. ).

Когда площадь поперечного сечения электрода увеличивается, сила Лоренца действует в том же направлении, что и ток. Уменьшение площади поперечного сечения электрода заставляет силу Лоренца действовать в направлении, обратном току.Сила Лоренца может действовать двумя способами, отделяя капли от наконечника электрода до сварочной ванны. Во-первых, если электрод положительный и размер капли больше диаметра проволочного электрода, магнитная сила разделяет каплю. Во-вторых, есть сужение или сужение. В этом случае магнитная сила действует в обоих направлениях от точки сужения (Роберт и Месслер, 2004).

Типы дуги

После первой классификации типов дуги в 1976 г. (Lancaster 1984) было предложено несколько дополнительных классификаций.Короткая дуга, шаровидная дуга и дуга со струйным переносом являются тремя основными классификациями типов дуги Американским сварочным обществом (AWS) (Iordachescu and Quintino 2008). Международный институт сварки (IIW) в 1984 году разделил типы дуги струйного распыления на три категории: (i) капельное или проекционное распыление, (ii) вращающееся распыление и (iii) струящееся распыление (Iordachescu and Quintino 2008; Lancaster 1986). ). Норриш (2003), а затем Пономарев и др. (2003) изменили эту категоризацию. Использование цифрового управления источниками питания привело ко многим улучшениям в управлении дугой, особенно при сварке короткими и импульсными дугами.Цифровое управление увеличивает скорость реакции инвертора источника питания, а использование сложного программного обеспечения позволяет напрямую влиять на дугу (Weman 2003; Iordachescu and Quintino 2008).

В таблице 1 обобщена попытка классификации переноса металла. Использование цифрового управления источниками питания привело ко многим улучшениям в управлении дугой, особенно при сварке короткими и импульсными дугами. Цифровое управление увеличивает скорость реакции инвертора источника питания, а использование сложного программного обеспечения позволяет напрямую влиять на дугу (Weman 2003; Iordachescu and Quintino 2008).Текущая классификация дуги IIW показана в таблице 2. Таблица также включает пример процесса сварки и доминирующую силу для каждого типа режима переноса (Iordachescu и Quintino 2008; Robert and Messler 2004).

Различные факторы побудили усилия по классификации дуги и переноса металла, в том числе необходимость лучшего понимания процесса, чтобы иметь возможность лучше его исследовать и контролировать. Лучшая классификация позволила различить дугу по капельному переносу. Таким образом, в зависимости от стабильности дуги может происходить желательный (например, перемычка, распыление) или нежелательный (например, отталкиваемый, взрывной) перенос металла.

При мостовом переносе расплавленный металл растет, пока не коснется сварочной ванны. Возникает короткое замыкание и повышается ток; таким образом, сжатие и разрыв отделяют каплю. При переносе в полете нет контакта между электродной проволокой и сварочной ванной (Li and Zhang 2007).Если размер капель, оторвавшихся от электрода до расплавленной сварочной ванны, меньше диаметра электродной проволоки, то в дуговом режиме проектируется распыление. Если расплавленный металл от электрода вращается, это называется вращающейся струей дуги. Для упрощения терминологии спроецированное распыление чаще всего называют дугой распыления (Роберт и Месслер, 2004). Характеристики, которые обычно типичны для спроецированной струйной дуги, — это устойчивый отрыв, малое разбрызгивание, постоянный размер капли и прямой перенос капель. Следовательно, этот режим дуги предпочтителен при обычном GMAW (Li and Zhang 2007).

Режимы дуги связаны с напряжением дуги и уровнем тока. Изменяя эти два параметра, можно изменять режимы дуги. При небольшом токе капля не образуется, пока не коснется сварочной ванны; этот режим дуги — так называемая короткая дуга. Режим дуги меняется на шаровую дугу, когда ток увеличивается так, что возникает небольшая электромагнитная сила (Wang et al. 2004). В шаровой дуге диаметр капли больше, чем у электрода, и капля образуется под действием силы тяжести.При дальнейшем увеличении тока тип дуги меняется на спроецированную дугу с разбрызгиванием, затем на струящуюся дугу и, наконец, на вращающуюся дугу (Li and Zhang 2007). Различные типы дуг могут быть показаны на диаграммах напряжения и тока дуги.

В качестве иллюстрации влияния тока, напряжения и состава защитного газа Иордакеску и Квинтино на заседании IIW в 2003 году классифицировали типы дуги на основе «естественных режимов переноса». Однако сегодня из-за использования более совершенных контроллеров естественные режимы передачи уже не используются так часто (Iordachescu and Quintino 2008).На рисунке 8 из исследования Пономарева показан тип дуги в зависимости от тока, напряжения и защитного газа (Пономарев и др., 2003).

IIW классификация переноса металла, отображаемая на диаграмме напряжения дуги и сварочного тока (Пономарев и др. 2003 г. ).

Переходный ток был важной темой в типе дуги при сварке GMA.Он устанавливает предел между шаровидной дугой и дугой со струйным переносом и определяет рабочие условия процесса сварки, как было предложено Пономаревым и др. (2003) на рисунке 8. Согласно Иордакеску и Квинтино (2008), может быть второй переходный ток между короткой дугой и шаровидной дугой, как показано на рисунке 9. Цель предложения состоит в том, чтобы охватить как обычную, так и проецируемую струю. .

Основные режимы передачи. Диаграмма U (I) на основе классификации Иордакеску и Кинтино (2008).

В дополнение ко второй линии переходного тока, исследование Иордакеску и Квинтино (2008) предложило новую классификацию режима переноса дуги в GMAW в зависимости от тока, напряжения и защитного газа: короткое замыкание, глобулярная капля, шаровой отталкивающий, капельный, струйный и вращающийся режимы переноса. Рисунок 9 иллюстрирует эту классификацию дуг в GMAW (Iordachescu and Quintino 2008). На рисунке показаны контролируемый, основной и переходный режимы на той же диаграмме, и каждая часть разделена зонами переходного тока.Первый переходный ток разделяет контролируемую и основную моды, а второй переходный ток разделяет области спрея и глобулярной основной группы. Кроме того, режим дуги меняется с увеличением сварочного тока и напряжения дуги. На рисунке показано, что электрический ток при переносе короткой дуги ниже, чем в других типах дуг, и что вращающийся перенос требует большого тока.

В таблице 3 показан режим переноса типа дуги из классификации стандартов DIN для сварки GMA (Iordachescu and Quintino 2008).Размер капель и режим переноса металла также названы для каждого типа дуги. Знание типа дуги и соответствующего режима переноса уменьшается, если игнорировать их соответствующее применение. Важность соответствующих приложений возрастает с разработкой нового термочувствительного металла (Matusiak and Pfeifer 2011).

Сравнение различных типов дуги: преимущества и недостатки

В этом разделе дается сравнение типов сварочной дуги.Список сварочных дуг состоит из естественных и контролируемых типов. В таблице 4 представлена ​​сравнительная таблица основных свойств типов дуги. В зависимости от типа дуги и свойств дуги в таблице указаны характеристики для промышленного применения. Можно заметить, что традиционная управляющая дуга демонстрирует более низкую стабильность дуги и, следовательно, низкую производительность с точки зрения качества сварки. Кроме того, операция невозможна во всех положениях, кроме короткой дуги. Управляемая дуга демонстрирует более высокую скорость наплавки и лучшую стабильность.Вследствие повышения устойчивости увеличивается производительность. Экономия самая высокая, но оборудование немного дороже. Уровень разбрызгивания выше при неконтролируемой шаровой дуге; однако регулируемая короткая дуга может обеспечить сварку практически без брызг. Подвод тепла сводится к минимуму с помощью регулируемой короткой дуги, но дуга с более высокой скоростью наплавки требует достаточного тепловложения. Управление направлено на ограничение неожиданного короткого замыкания дуги, работа стабильна, а затраты на экономию значительно улучшаются.Слабость шаровой дуги может быть успешно уменьшена за счет управления скрытой дугой, проплавление увеличивается, а разбрызгивание подавляется. Импульсное управление — наиболее стабильная дуга с более высоким диапазоном тока; следовательно, можно сваривать более толстый профиль и более широкий диапазон металла.

Применение различных типов дуги

Правильный выбор типа дуги может снизить риск появления дефектов сварки и повысить производительность.В этом разделе обсуждаются применения дугового типа. Обсуждение начинается с естественной дуги, затем следует управляемая дуга. Обсуждение основано на сравнительной характеристике из таблицы 4 относительно их применения, а в таблице 5 представлены типы дуги и их применения.

Короткая дуга

Короткая дуга подходит для применений, требующих низкого тепловложения, и позволяет соединять тонкие материалы и листы в любом положении. Это хороший выбор, когда необходимо свести к минимуму деформацию конструкции. Он подходит для сварных швов с канавкой в ​​качестве корневого прохода или для заполнения зазоров стыков, а также для корневого прохода сварных швов с открытыми канавками и пластинчатых сварных швов. Режим короткой дуги широко используется в трубной промышленности и очень применим для корневых швов труб. Его можно использовать с углеродистой сталью со 100% -ным защитным газом из двуокиси углерода или смесью максимум 25% CO ₂ и остальным аргоном. Режим короткой дуги также применим к низкоуглеродистой стали, низколегированной стали и нержавеющей стали толщиной от 0.5 и 2,6 мм. Однако он не может выполнять сварку алюминия (Deruntz 2003). Хотя обычная короткая дуга используется во многих приложениях, ее использование ограничено из-за высокого потенциального избыточного образования брызг, образования дыма, отсутствия плавления, меньшей перекрываемости зазора и нестабильности дуги (Hermans and Ouden 1999; Jenkins et al. 2005). Плохая работа обычной короткой дуги является результатом ограниченной способности источника питания управлять каждой последовательностью режима короткого замыкания металла (Lyttle and Praxair 1990; Althouse et al.2004; Laren 2004; Goecke 2005a, b; Джеффус и Бауэр, 2010). Вследствие этого ограничения обычная короткая дуга постепенно заменяется управляемой короткой дугой при корневом проходе листового металла.

Шаровидная дуга

Режим шаровидной дуги имеет мало применений из-за множества недостатков. Из-за размера капли (больше диаметра электрода) она может неожиданно коснуться сварочной ванны и вызвать короткое замыкание. Корень дуги очень подвижен, поэтому силы дуги имеют тенденцию перемещать каплю неравномерно, что вызывает высокий уровень разбрызгивания и нестабильность сварного шва.Кроме того, расплавленный металл не ускоряется по направлению к сварочной ванне, что приводит к неглубокому и широкому сварному шву. Крупные капли отделяются на низких частотах (<10 Гц), что снижает производительность. Следовательно, режим глобальной дуги ограничен сварными соединениями низкого качества, сваренными в плоском положении сварки или вертикальном положении вниз (Kou 2003; Xu and Wu 2007). Наиболее подходящее применение для шаровидной дуги — это сварка тонких материалов при очень малых токах. Хотя его также можно использовать с более высоким током, это неэффективно.Он подходит для GMAW стали (Althouse et al. 2004; Jeffus and Bower 2010).

Распылительная дуга

Распылительная дуга требуется для более толстого сечения, чем короткая дуга. Он очень подходит, когда требуется высокая скорость наплавки и когда требуется глубокое проплавление для сварки массивных основных материалов, которые могут выдерживать большое количество тепла. Большая сварочная ванна затрудняет сварку в вертикальном или верхнем положении, особенно в случае простой углеродистой стали и нержавеющей стали. При соединении сталей ток перехода можно изменять в большей степени, чем при сварке алюминиевых сплавов. Распылительная дуга может использоваться практически со всеми распространенными сплавами, содержащими алюминий, а также с никелевыми сплавами, медными сплавами, нержавеющими сталями, магнием и углеродистой сталью (Lyttle и Praxair 1990; Althouse et al. 2004; Robert and Messler 2004; Goecke 2005a, b ; Джеффус и Бауэр 2010). Несмотря на преимущества традиционной струйной дуги, нестабильность дуги и неупорядоченный перенос металла ограничивают ее применение. В режиме струйной дуги ток и напряжение почти постоянны, что приводит к случайному размеру и частоте капель (Hutt and Lucas 1982).Следовательно, образуется большое количество дыма, брызг и тепла. В результате недостаточного контроля качество сварки может ухудшиться. Также следует отметить, что защитный газ на основе аргона, используемый для создания дуги с распылением, дороже, чем CO ₂ . Ввиду этих недостатков струйная дуга не подходит для алюминия, конструкционной стали, стали с покрытием и высокопрочных сталей.

Управляемая дуга короткого замыкания

Эти типы дуги относятся к категории режимов с управляемой формой волны. Отделение капель во время короткого замыкания контролируется для уменьшения образования брызг и дыма и повышения производительности (Stava 1993; Goecke 2005a, b; Huisman 2000). Эти дуги продаются на коммерческом рынке под разными торговыми названиями: Перенос холодного металла (CMT): (FRONIUS International GmbH), ColdArc: (EWM Hightec Welding GmbH), Передача поверхностного натяжения (STT): (Lincoln Electric), Cold Process (CP) : (CLOOS), FastRoot (KEMPPI), Регулируемое осаждение металлов (RMD): (Miller Electric Mfg) и т. Д.Pépe et al. (2011) исследовали эффективность управляемого GMAW. Результаты показали, что для STT, Fast root и CMT эффективность составляет около 85%. Управляемая короткая дуга может использоваться практически во всех положениях сварки, почти со всеми видами металлических материалов и с разной толщиной. Контролируемая короткая дуга применяется для соединения тонких листов, соединения металлических листов из нержавеющей стали с цинковым и непокрытым покрытием, а также для соединения алюминиевых сплавов. Также возможна сварка очень тонких металлических листов из углеродистой стали, высоколегированной стали, низколегированной стали и алюминия (Deruntz 2003).В настоящее время толщина материалов, используемых в автомобильной промышленности, становится ниже 0,3 мм, и процесс GMAW с короткой дугой больше не подходит. Другими применениями управляемой короткой дуги являются роботизированная сварка GMAW и пайка сверхлегких листов в ручном и автоматическом режимах в любом положении. Можно сваривать разнородные материалы, такие как алюминий и сталь, сталь и магний, а также магниевые сплавы (Rosado et al. 2008; Srinivasan and Balasubramanian 2011; Matusiak and Pfeifer 2011).Хотя управление короткой дугой обеспечивает большую гибкость приложений, для этого требуются усовершенствованный источник питания, а иногда и специальные горелки.

Управляемая шаровая дуга

В этом режиме дуга используется в диапазоне тока шаровидной дуги, но с короткой длиной дуги. Это позволяет дуге работать под поверхностью сварочной ванны (так называемая «скрытая дуга») и использовать давление дуги экранированного CO ₂ для улавливания брызг. По данным Nishiguchi et al.(1975), метод сварки в скрытой дуге позволяет достичь более высоких скоростей сварки и скорости осаждения присадочного металла, чем шаровая дуга. Скорость сварки может достигать 2540 мм / мин, а очистка минимальна (Lienert et al. 2011). Stol et al. (2006) изучали использование GMAW с заглубленной дугой для сварных швов. Подход со скрытой дугой имеет большой потенциал для использования в автомобильной, железнодорожной и морской промышленности при сварке узлов. Примером применения является сварка краев и сторон алюминиевых деталей в качестве альтернативы GMAW.Режим управляемой шаровидной дуги можно использовать для угловых или шовных сварных швов внахлестку, тройников и стыковых соединений с квадратными канавками. Он подходит для механизированной сварки тонких материалов на высоких скоростях и может использоваться при полностью механизированной или автоматической газовой дуговой сварке металла. Он также используется при сварке цилиндров из труб. Скрытая дуга может использоваться в автомобилях при стыковой сварке кузова и полуавтоматической сварке рамы и кузова (Kielhorn et al. 2001; Aoki et al. 2003; Kah et al. 2013).

Управляемая струйная дуга

Для управления подводом тепла и уменьшения образования брызг и дыма были разработаны источники питания, способные выпускать одну каплю в течение последовательности дуги и импульсов. В дуге используется постоянный ток (например, импульсный GMAW) или переменный ток (например, AC-GMAW) с различными формами волны тока. Импульсная дуга может использоваться во всех положениях сварки и с любой толщиной основного материала как в ручных, так и в автоматических сварочных системах. Сварка вне положения также возможна из-за того, что уровень тока ниже среднего.Из-за низкого тепловложения этот режим подходит для заполнения зазоров. Он широко используется в GMAW алюминия (Kah et al. 2012). Этот метод подходит для сварки всех стандартных и высокоэффективных марок нержавеющей стали при использовании присадочных металлов на основе никеля или нержавеющей стали. Также высоколегированные стали можно сваривать импульсной дугой. Сверхаустенитная нержавеющая сталь демонстрирует лучшие механические и металлургические свойства с оптимальными параметрами при сварке GMA по сравнению с традиционной напылением (Sathiya et al.2012). Импульсная дуговая сварка находит применение в судостроительной промышленности, например, при сварке вне положения высокопрочных низколегированных базовых материалов при изготовлении корпусов судов. Преимущества импульсной дуги в судостроении заключаются в том, что ее электродный КПД выше по сравнению с дуговой сваркой с сердечником из флюса (FCAW), и она может обеспечивать меньшее количество водородных отложений при сварке швов (Lyttle and Praxair 1990; Knopp and Lorenz 2002; Althouse et al. 2004; Ларен 2004; Уэяма и др. 2005; Лебедев 2010; Торбати и др. 2011; Ка и др.2013).

Дуга повышенной мощности

Перенос металла потоком и вращением происходит в более высоких диапазонах мощности. Вращение расплавленного металла является результатом более длинного вылета электрода (от 25 до 35 мм) и более высоких значений тока и напряжения, из-за которых струя металла отклоняется от оси симметрии и начинает вращаться под действием магнитных сил. Хотя стыковая сварка является наиболее типичным применением сварки в режиме вращающейся дуги, вращающуюся дугу также можно использовать при сварке в узкий зазор. Этим методом можно сваривать толстые толстые листы.Благодаря гибкости, эффективности и производительности этого режима его можно использовать при производстве больших и тяжелых конструктивных элементов (Church and Imaizumi 1990). Хотя Черч и Имаидзуми (1990) сообщают, что этот процесс требует четвертичной защиты (He-Ni-CO ₂ и O ₂ ), что допускает очень ограниченные допуски, Субан и Тусек (2003) указали, что двоичный защитный газ (аргон и CO ₂ ) может дать удовлетворительные результаты при оптимальных параметрах сварки.Полное использование его потенциала происходит в полностью механизированных процедурах (Masseti 2010). Крупномасштабные детали мостов, тяжелое машиностроение, судостроение и тяжелые цилиндрические конструкции — вот лишь некоторые примеры его применения. Новая разработка вращающейся дуги, вращение которой происходит не за счет магнитного эффекта, а за счет специальных небольших вращающихся горелок, позволяет применять режим вращающейся дуги для угловой сварки в судостроении, на мостах и ​​т. Д. Режим также подходит для малых Пластины из углеродистой стали (Ивата и др.2009а, б; Ян и др. 2009; Christensen et al. 2005).

(PDF) Использование типов дуги при промышленной сварке

Ка, П., Джибрил, А., Мартикайнен, Дж., И Суоранта, Р. (2012). Возможность технологической сварки тонких алюминиевых сплавов

. Международный журнал машиностроения и материаловедения,

7 (3), 232–242.

Ка, П., Мартикайнен, Дж., Йернстрем, П., и Ууситало, Дж. (2009). Влияние геометрии стыка

и установочных зазоров на качество угловых стыков в новой модифицированной короткой дуги GMAW.

Международный научно-технический и производственный журнал, The Paton Welding

Journal, 5,27–33.

Ка, П., Мвола, Б., Суоранта, Р., и Мартикайнен, Дж. (2013). Модифицированные процессы GMAW:

Контроль тепловложения. Письма о продвинутой науке, 19 (3), 710–718.

Канг, М.Дж., Ким, Ю., Ан, С., и Ри, С. (2003). Оценка скорости разбрызгивания в области передачи короткого замыкания

GMAW. Сварочный журнал, 82, 188с – 196с.

Касикчи И. (2003).Влияние расстояния между зазорами на механические свойства и характеристики поперечного сечения стыковых швов МИГ-МАГ. Анкара: Ближний Восток

Технический университет.

Килхорн, штат Вашингтон, Адони, Й, Холдрен, Р.Л., Хоррокс, Р.К. и Ниссли, штат Невада. (2001). Обзор

процессов соединения, резки и родственных процессов (9-е изд.). Нью-Йорк: AWS.

Кнопп Н. и Лоренц Х. (2002). Сварка алюминиевых материалов методом MIG стала проще. Золинген:

EWM Hightec Welding GmbH.

Коу С. (1987). Сварочная металлургия. Нью-Йорк: Вили.

Ко, С. (2003). Металлургия сварки (2-е изд.). Нью-Джерси: Уайли.

Ланкастер, Дж. (1984). Физика сварки. Нью-Йорк: Международный институт сварки.

Ланкастер, JF. (1986). Физика сварки (2-е изд.). Оксфорд: Международный

Институт сварки.

Ларен, М. (2004). Руководство по сварке Avesta: Практика и продукция для сварки нержавеющей стали

. Швеция: AvestaWeldingAB.

Лебедев В.А. (2010). Тенденции развития механизированной сварки с управляемым переносом электродного металла

(обзор). Международный научный и

Технологический и производственный журнал, 10,37–44.

Ли К. и Чжан Ю. (2007). Перенос металла при двухэлектродной газовой дуговой сварке.

Производство и инженерия, 129 (6), 991–999.

Линерт, Т., Сиверт, Т., Бабу, С., и Акофф, В. (2011). Справочник ASM, том. 6A: сварка

основы и процессы.Огайо: ASM International.

Лин, М.Л. и Игар, TW. (1985). Влияние давления дуги на геометрию сварочной ванны.

Welding Journal, 64 (6), 163s – 169s.

Лу, Кью, Ю, З., Сюй, Дж. И Хе, Дж. (2009). Исследование параметров сварки в узкий зазор

оптимизация. На Международной конференции по измерительной технике и автоматизации мехатроники

, Чжанцзяцзе, Хунань, апрель.

Лукас В., Иордакеску Д. и Пономарев В. (2005). Классификация переноса металла

режимов в GMAW, IIW Doc. XII-1859-05. Вильпент, Франция: Международный институт сварки

.

Лукса К. (2006). Влияние сварного шва на стабильность дуги сварки GMA при коротком замыкании. Журнал

Технология обработки материалов, 175,285–290.

Lyttle, KA, & Praxair, I. (1990). Справочник ASM, т. 6. Огайо: ASM International.

Массети, Ф. (2010). Новые технологии сварки подвесных мостов. Сварка

Интернациональ, 18 (10), 785–797.

Матусиак Дж. И Пфейфер Т.(2011). Низкоэнергетическая дуговая сварка с защитой газа — влияние

материально-технологических условий на качество соединения и выброс

примесей на рабочем месте. Welding International, 25 (1), 24–31.

Мин, Д., Синь-хуа, Т., Фэн-гуй, Л., и Шунь, Ю. (2011). Сварка закаленных и отпущенных сталей

высокоскоростной дугой в системе MAG с узким зазором. Int J Adv Manuf Technol,

Springer Science, 55 (5-8), 527–533.

Мун, H-S, Ким, YB, и Битти, RJ.(2006). Объединение данных с нескольких датчиков для повышения производительности и надежности полностью автоматической сварочной системы

. Международный журнал

передовых производственных технологий, 28 286–293.

Мерфи, А.Б., Танака, М., Ямамото, К., Таширо, С., и Лоук, Дж. (2009). CFD-моделирование дуговой сварки

: важность дуговой плазмы. На седьмой международной конференции

по CFD в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, Мельбурн, декабрь.

Надзам, Дж.(2006). Руководство по сварке GMAW. Огайо, США: Lincoln Electric.

Найду Д.С., Озчелик С. и Мур К. (2003) .Моделирование, определение и управление газовой дугой

Сварка (1-е изд.). Великобритания: Эльзевир.

Nishiguchi, K, Matsuyama, K, Terai, K, & Ikeda, K. (1975). Дуговая информация при высокоскоростной сварке металлическим электродом в защитных газах

(Proc. 2nd Int. Symp. Of the Japan Welding Soc. On

Advanced Welding Technology ). Осака: Японское общество сварки. Документ 2-2- (10).

Норриш, Дж.(2003). Обзор классификации переноса металла при дуговой сварке (IIW DOC.

XII-1769-03. Бухарест). Вильпент, Франция: Международный институт сварки.

Pal, K, Bhattacharya, S, & Pal, SK. (2010). Исследование звука дуги и переноса металла

режимов для оперативного мониторинга при импульсной газовой дуговой сварке. Журнал материалов

Технология обработки, 210, 1397–1410.

Pépe, N, Egerland, S, Colegrove, AP, Yapp, D, Leonhartsberger, A, & Scotti, A.(2011).

Измерение эффективности контролируемых процессов газовой дуговой сварки.

Наука и технология сварки и соединения, 16 (5), 412–417.

Пирес, И, Квинтино, Л., и Миранда, РМ. (2007). Анализ влияния смеси защитного газа

на режимы переноса металла газовой дуги и скорость образования дыма.

Материалы и дизайн, 28,1623–1631.

Пономарев В., Скотти А., Сильвинский А., Аль-Эрхайем О. (2003) Атлас сварки MIG / MAG

Режимы переноса металла (IIW Doc.XII-1771 по 1775–03 гг. Бухарест). Вильпент, Франция:

Международный институт сварки.

Quigley, MBC, Richards, PH, Swift-Hook, DT, & Gick, AEF. (1973). Тепловой поток к заготовке

от сварочной дуги TIG. Journal of Physics D: Applied Physics, 6, 2250.

Роберт В. и Месслер Дж. (2004). Принцип сварки. Сингапур: Wiley-VCH Verlag

GmbH & Co.

Rosado, T, Almeida, P, Pires, I, Miranda, R, & Quintino, L.(2008). Инновация в дуговой сварке

. 5 ° Congresso Luso-Moçambicano de Engenharia, Мапуту, сентябрь.

Португалия: INEGI, Leça do Balio.

Sathiya, P, Sudhakaran, A, & Soundararajan, R. (2012). Механические и металлургические

исследования по газовой дуговой сварке сверхаустенитной нержавеющей стали.

Международный журнал машиностроения и материаловедения, 7 (1), 107–112.

Saunders, HL. (1997). Сварка алюминия: теория и практика.США: AmericanSocietyfor

Metals.

Скотти, А., Пономарев, В., и Лукас, В. (2012). Классификация

, ориентированная на научное применение, для режимов переноса металла при сварке GMA. Журнал материалов

Технология обработки, 212 (6), 1406–1413.

Шуб, М., Парвез, М., и Кумари, П. (2013). Влияние параметров входного процесса сварки MIG

на геометрию сварного шва на стали HSLA. Международный журнал

Инженерная наука и технологии., 5 (1), 200–212.

Smårs, E, & Acinger, K. (1968). Перенос материала и распределение температуры при дуговой плавке

. IIW-Document 212-168-68, Исследовательская группа Международного института сварки

SG212, Физика сварки. Вильпент, Франция: Международный институт сварки.

Шринивасан, К., и Баласубраманян, В. (2011). Влияние переноса металла с поверхностным натяжением на скорость образования дыма

при дуговой сварке порошковой проволокой стали HSLA. Международный

Журнал передовых производственных технологий, 56 (1–4), 125–134.

Става, EK. (1993). Источник питания для переноса поверхностного натяжения: новый сварочный аппарат

с малым разбрызгиванием. Сварочный журнал, 72 (1), 25–29.

Stol, I, Williams, KL, & Gaydos, DW. (2006). Использование заглубленной газовой металлической дуги для сварных швов.

Американское сварочное общество, 85,28–33.

Субан, М., и Тусек, Дж. (2003). Методы определения устойчивости дуги. Журнал

Технология обработки материалов, 143–144, 430–437.

Сузуки, р.(2012). Современное состояние управления процессом плавления капли и ванны в газе

металлическая дуговая сварка. Welding International, 79 (6), 569–575.

Торбати, А.М., Миранда, Р.М., Квинтино, Л., Уильямс, С., и Япп, Д. (2011). Оптимизация

процедур для GMAW биметаллических труб. Журнал технологий обработки материалов,

211 (6), 1112–1116.

Ueyama, T, Tong, H, Harada, S, Passmore, R, & Ushio, M. (2005) .ACpulsedGMAW

улучшает соединение листового металла. Сварочный журнал, 84 (2), 40–46.

Ван, Г, Хуанг, П.Г., и Чжан, Ю.М. (2004). Численный анализ переноса металла при газовой дуговой сварке

в модифицированном импульсном режиме тока. Металлургический и

Сделки с материалами B, 35B, 857–866.

Wang, Y, & Tsai, HL. (2001). Удар капель наполнителя и динамика сварочной ванны

в процессе газовой дуговой сварки. Международный журнал тепла и массы

Transfer, 44,2067–2080.

Веман, К. (2003).Справочник по процессу сварки. Кембридж: Woodhead Publishing Ltd.

Xu, G, & Wu, C. (2007). Численный анализ геометрии сварочной ванны при шаровидной газовой сварке

. Границы материаловедения в Китае, 1 (1), 24–29.

Ян, CL, Го, N, Линь, SB, Фан, CL, и Чжан, YQ. (2009). Применение системы вращающейся дуги

для горизонтальной сварки в узкий зазор. Наука и технология сварки и

соединения, Институт материалов, минералов и горного дела, 14 (2), 172–177.

doi: 10.1186 / s40712-014-0015-6

Цитируйте эту статью как: Kah et al.: Использование различных типов дуги в промышленной сварке.

Международный журнал машиностроения и материаловедения, 2014 г. 9:15.

Kah et al. Международный журнал машиностроения и материаловедения, 2014 г., 9:15 Страница 12 из 12

http://www.springer.com/40712/content/9/1/15

Использование типов дуги в промышленной сварке

Введение

Дуговая сварка — ключевой процесс в промышленном производстве (Найду и др.2003), а газовая дуговая сварка (GMAW) широко используется во многих обрабатывающих отраслях промышленности благодаря своим фундаментальным преимуществам, таким как регулируемые профили проплавления, гладкий валик, низкий уровень разбрызгивания и высокая скорость сварки (Kah et al. 2009). За последние два десятилетия GMAW стала основной технологией в индустрии роботизированной сварки (Chen and Wu 2009). Тип дуги является важным фактором во многих приложениях; однако явление дуги полностью не объяснено и проявляет неизвестные свойства и поведение.

Использование дуги соответствующего типа при сварке различных материалов с разной толщиной позволяет сократить расходы, сократить время производства и повысить качество. В последнее время важной проблемой стало соединение тонких материалов и материалов, чувствительных к нагреванию. Лучшее понимание явлений дуги может помочь разработать и усовершенствовать интегрированный дизайн промышленных сварочных систем (Iordachescu and Quintino 2008). В связи с увеличением разнообразия соединяемых материалов и множества различных дуговых процессов необходимость понимания различных типов процессов дуговой сварки становится как никогда актуальной.Кроме того, при управлении и изменении процесса сварки знание явления дуги облегчит получение улучшенного качества сварных швов и надежных соединений (Eagar 1990a, b).

В этом исследовании дается краткое введение в характеристики дуги, обсуждается классификация сварочных дуг, проводится сравнение дуг и обсуждаются преимущества и недостатки различных дуг. Наконец, рассматриваются типы сварочных дуг и их роль в промышленном применении.

Характеристики дуги

Сварочную дугу можно рассматривать как проводник газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую (Найду и др. 2003 г.). В исследовании Ланкастера (1984) сварочная дуга рассматривается как цилиндрическое тело газа, которое ограничено температурным градиентом. Одна из проблем, с которой обычно сталкивается сварочная промышленность, — это плохая стабильность дуги. Стабильность дуги и длина дуги влияют на процесс переноса металла (Pal et al. 2010). При стабильной дуге перенос металла происходит равномерно, а количество брызг минимально (Hermans and Ouden 1999). В ситуации стабильной дуги можно найти взаимосвязь между напряжением и током, показанную на рисунке 1 (Ibrahim Khan 2007).График показывает, что дуга не подчиняется закону Ома. Кроме того, уменьшающаяся часть характеристики дуги является частью Айртона и характеризуется нестабильной дугой, в то время как часть Ома, увеличивающаяся область, применяется при сварке. Другие факторы, такие как атмосфера дуги, длина дуги и используемые металлы, также влияют на наклон кривой.

Типичная характеристика дуги по сравнению с законом Ома (Ибрагим Хан 2007 г. ).

Дуговая плазма

Дуговая плазма представляет собой ионизированное состояние сварочного газа и представляет собой смесь почти равных количеств электронов и ионов. Плазма переносит ток дуги. Большая часть токопроводимости переносится электронами. В случае дуговой сварки электродом обычно считается катод, а заготовка — анод. Электроны выходят из электрода (т. Е. Отрицательного вывода) и направляются в заготовку (т.е.е. положительный полюс) (Найду и др., 2003). Чтобы определить влияние дуговой плазмы на сварочную ванну, следует учитывать четыре фактора: (i) тепловой поток, (ii) плотность тока, (iii) напряжение сдвига и (iv) давление дуги.

Существует прямая зависимость между увеличением теплового потока и плотности тока и глубиной сварочной ванны. Увеличение напряжения сдвига в расплавленной ванне способствует протеканию наружу потока в верхней части сварочной ванны, а увеличение давления дуги может привести к более вогнутой поверхности сварочной ванны (Мерфи и др.2009 г.). Однако давление дуги не влияет на плоскостность поверхности сварочной ванны, когда ток составляет менее 200 А (Лин и Игар, 1985; Ван и Цай, 2001).

Температура дуги

Первоначально считалось, что температура сварочной дуги складывается из тепла плазмы дуги, но Кобайн и Бургер (1955) показали, что большая часть тепла, передаваемого на заготовку от электрода, происходит от потока ток в металл. Позже это понимание было расширено Куигли и др.(1973), которые отметили, что только 20% тепла переносится горячими газами, а 80% остается в электрическом токе. В зависимости от точной природы плазмы и силы тока, протекающего через нее, температура сварочной дуги варьируется от 5 000 до 30 000 К (Найду и др. 2003; Роберт и Месслер 2004). В некоторых случаях мощность чрезвычайно высока, и температура может подниматься до 50 000 К (Найду и др. 2003).

На температуру плазмы влияют два важных фактора: конкретная плазма и ее плотность (Роберт и Месслер, 2004).При дуговой сварке однокомпонентным газом, который используется в некоторых сварочных процессах, температура в GMAW ниже, потому что расплавленные капли, пар и ионы металлов более концентрированы. На рисунке 2 показано распределение температуры дуги при сварке алюминия методом GMA при 250 А. Как видно, центральная сердцевина дуги имеет самую высокую температуру, которая изменяется в зависимости от используемого защитного газа (Роберт и Месслер, 2004).

Распределение температуры дуги при сварке GMA алюминия при 250 А (Smårs and Acinger 1968 г. ).

Ток дуги

На процесс сварки влияет несколько факторов, таких как ток дуги, напряжение дуги, скорость перемещения горелки, присадочная проволока и частота вращения (Лу и др. 2009; Мун и др. 2006). При выборе этих параметров следует учитывать количество подводимого тепла и желаемое плавление (Мин и др. 2011). На режим дуги и, следовательно, на качество сварки большое влияние оказывает сила тока (Hu and Tsai 2006). На глубину проплавления также существенно влияет ток дуги.При дуговой сварке металлическим газом увеличение тока дуги увеличивает проплавление шва. Однако повышенное проникновение в стык также увеличивает вероятность прожога и растрескивания при затвердевании. Эксперименты, проведенные Ху и Цай (2006), показали, что более высокий ток приводит к более высокой электромагнитной силе, которая заставляет каплю отделяться от электрода к сварочной ванне. Кроме того, при более высоком токе размер расплавленной капли меньше и частота появления капель выше.

Напряжение дуги

Напряжение дуги пропорционально длине дуги.Следовательно, напряжением дуги можно управлять, изменяя длину дуги (Найду и др., 2003). На рис. 3 показаны кривые напряжения дуги типичного источника питания на диаграмме сварочного тока и напряжения. Видно, что небольшое изменение напряжения приводит к очень большому изменению сварочного тока. Как следствие взаимосвязи между сварочным током и напряжением дуги, свойства и геометрия сварного шва могут быть предсказаны (Shoeb et al.2013): при сварке высоким напряжением образуется очень широкий валик с возможными поднутрениями и вогнутой формой, а сварка тоже низкое напряжение приводит к образованию сварного шва низкого качества.

Саморегулирование напряжения дуги (Найду и др. 2003 г. ).

Как видно из рисунка 3, напряжение значительно изменяется при небольшом изменении длины дуги, в то время как изменение тока незначительно. Следовательно, длина дуги больше влияет на напряжение, чем на сварочный ток. Длина дуги на этой диаграмме разделена на три части: длинную, среднюю и малую, которые представляют собой так называемые кривые источника напряжения.Соединение кривых CC и CV с кривой источника напряжения называется рабочей точкой источника питания и может быть изменено в процессе сварки (Найду и др., 2003).

Проникновение дуги

Чтобы определить глубину проникновения дуги, необходимо знать положение дуги, которое рассчитывается на основе таких параметров, как сварочное напряжение, сварочный ток и скорость подачи проволоки. Положение дуги определяется как сумма удлинения провода и длины дуги. На рисунке 4 эти параметры показаны для GMAW как L и L _a , соответственно.Расстояние между сварочной горелкой и заготовкой составляет H , а параметр P отображает глубину проплавления (Ивата и др. 2009a, b).

Параметры для прогнозирования положения дуги (Ивата и др. 2009a , б ).

На рис. 5 показана взаимосвязь между положением дуги и проплавлением при сварке плоских листов под флюсом.Подгоночная линия на графике показывает, что значения проникновения дуги и положения дуги очень близки. Таким образом, взаимосвязь такая, как и ожидалось (Ивата и др., 2009a, b).

Сравнение прогнозируемой и фактической глубины проникновения для SAW (Ивата и др. 2009a , б ).

Эффективность дуги

Эффективность дуги является важным фактором в процессах дуговой сварки и обычно объясняется как вклад тепла в металл, деленный на общую тепловую энергию дуги (Eagar 1990a).Другими словами, эффективность дуги измеряется как количество энергии дуги, подводимой к подложке (Дюпон и Мардер, 1995). Эффективность дуги влияет на скорость сварки и может варьироваться от 60% до 99% для различных сварочных процессов (Eagar 1990b). Важно знать эффективность дуги, чтобы измерить эффективность плавления, как экспериментально, так и с помощью моделей теплового потока (Dupont and Marder 1995). Параметры сварки (например, ток и напряжение) мало влияют на эффективность дуги для данного процесса, а эффективность процессов сварки неплавящимся электродом считается немного ниже, чем у процессов с плавящимися электродами (Kou 1987; Lancaster 1984).Подвод тепла можно рассчитать с использованием КПД дуги по формуле, показанной в уравнении 1 (Gunaraj and Murugan, 2002):

$$ \ mathrm {Heat} \; \ mathrm {input} \ left (\ frac {\ mathrm {kJ}} {\ mathrm {cm}} \ right) = \ frac {\ mathrm {Arc} \; \ mathrm {Voltage} \ times \ mathrm {Arc} \; \ mathrm {current}} {\ mathrm {Welding} \; \ mathrm {скорость} \ times 1000} \ times \ mathrm {Arc} \; \ mathrm {эффективность} $$

(1)

Стабильность дуги

Стабильность дуги — еще одна важная характеристика дуговой сварки.На стабильность дуги влияют такие параметры, как мощность дуги, режим переноса металла и регулярность режима переноса металла (Ghosh et al. 2006). Брызги во время сварки — главный отрицательный результат плохой стабильности дуги; разбрызгивание приводит к потерям материала, увеличивает время очистки и снижает качество сварного шва (Suban and Tusek 2003).

Свойства идеальной и стабильной сварочной дуги следующие (Suban and Tusek 2003): (i) форма всего переносимого материала постоянна, (ii) длина дуги постоянна, и (iii) существует небольшое количество брызг или их полное отсутствие.

При сварке плавящимся электродом, например GMAW, стабильность дуги зависит от поведения корня дуги (Коста и др., 2010). Еще одним фактором стабильности дуги является смесь защитного газа. Стабильность дуги ниже в газовой смеси с повышенным содержанием диоксида углерода (CO ₂ ). На рисунке 6 показано, что большая длина дуги и более тонкое изотермическое распределение — две характеристики смеси с низким содержанием диоксида углерода (Pires et al. 2007).

Распределение температуры для смесей: высокое (слева) и низкое (справа) содержание диоксида углерода. Для того же тока и напряжения I ₁ выше, чем I ₂ (Pires et al.2007)

Дуговый разряд

Дуговый разряд — это явление, при котором дуга имеет тенденцию отделяться от точка сварки, как если бы дул сильный ветер (Найду и др., 2003). Причиной возникновения дуги является дисбаланс магнитного поля, окружающего заготовку (Gerbec 2009). Обычно это явление происходит в трех ситуациях: (i) направление тока изменяется, (ii) вокруг сварочной дуги есть магнитные материалы, и (iii) магнитные материалы находятся рядом с краем пластины (Naidu et al.2003 г.). Удар дуги обычно наблюдается только при высоких сварочных токах постоянного тока. Этого можно избежать, уменьшив уровень тока, используя сварочный ток переменного тока и размагничивая приспособление (Gerbec 2009). Напряжение дуги влияет на отклонение дуги, так что дуга с более низким напряжением становится короче и жестче и имеет лучшее сопротивление отклонению, чем дуга с более высоким напряжением дуги.

Как упоминалось ранее, тепловая энергия дуги создается за счет электрических реакций между анодом и катодом внутри плазмы.2 $$

(2)

В данной формуле и α , и β являются константами, l _s — удельное сопротивление электрода, α _ω — это площадь поперечного сечения проволоки, а I — сварочный ток (Найду и др., 2003).

Пинч-эффект

Дуга во всех проводниках, по которым проходит ток, окружена магнитным полем (Luksa 2006).При дуговой сварке площадь поперечного сечения плавящегося электрода меняется, а направление электромагнитной силы зависит от направления потока сварочного тока. Магнитное поле имеет силу, направленную к центру дуги, так называемую силу Лоренца. С увеличением силы тока увеличивается сила тока и радиальное сужение дуги из-за большей магнитной силы. Этот процесс называется пинч-эффектом (Дзельницки, 2000; Роберт, Месслер, 2004). Величина сжимающего усилия напрямую зависит от сварочного тока и диаметра проволоки и влияет на отрыв капли от сварного шва (Kasikci 2003).Пинч-эффект показан на Рисунке 7 (Надзам, 2006).

Пинч-эффект при передаче короткого замыкания (Надзам 2006 г. ).

Когда площадь поперечного сечения электрода увеличивается, сила Лоренца действует в том же направлении, что и ток. Уменьшение площади поперечного сечения электрода заставляет силу Лоренца действовать в направлении, обратном току.Сила Лоренца может действовать двумя способами, отделяя капли от наконечника электрода до сварочной ванны. Во-первых, если электрод положительный и размер капли больше диаметра проволочного электрода, магнитная сила разделяет каплю. Во-вторых, есть сужение или сужение. В этом случае магнитная сила действует в обоих направлениях от точки сужения (Роберт и Месслер, 2004).

Типы дуги

После первой классификации типов дуги в 1976 г. (Lancaster 1984) было предложено несколько дополнительных классификаций.Короткая дуга, шаровидная дуга и дуга со струйным переносом являются тремя основными классификациями типов дуги Американским сварочным обществом (AWS) (Iordachescu and Quintino 2008). Международный институт сварки (IIW) в 1984 году разделил типы дуги струйного распыления на три категории: (i) капельное или проекционное распыление, (ii) вращающееся распыление и (iii) струящееся распыление (Iordachescu and Quintino 2008; Lancaster 1986). ). Норриш (2003), а затем Пономарев и др. (2003) изменили эту категоризацию. Использование цифрового управления источниками питания привело ко многим улучшениям в управлении дугой, особенно при сварке короткими и импульсными дугами.Цифровое управление увеличивает скорость реакции инвертора источника питания, а использование сложного программного обеспечения позволяет напрямую влиять на дугу (Weman 2003; Iordachescu and Quintino 2008).

В таблице 1 обобщена попытка классификации переноса металла. Использование цифрового управления источниками питания привело ко многим улучшениям в управлении дугой, особенно при сварке короткими и импульсными дугами. Цифровое управление увеличивает скорость реакции инвертора источника питания, а использование сложного программного обеспечения позволяет напрямую влиять на дугу (Weman 2003; Iordachescu and Quintino 2008).Текущая классификация дуги IIW показана в таблице 2. Таблица также включает пример процесса сварки и доминирующую силу для каждого типа режима переноса (Iordachescu и Quintino 2008; Robert and Messler 2004).

Различные факторы побудили усилия по классификации дуги и переноса металла, в том числе необходимость лучшего понимания процесса, чтобы иметь возможность лучше его исследовать и контролировать.Лучшая классификация позволила различить дугу по капельному переносу. Таким образом, в зависимости от стабильности дуги может происходить желательный (например, перемычка, распыление) или нежелательный (например, отталкиваемый, взрывной) перенос металла.

При мостовом переносе расплавленный металл растет, пока не коснется сварочной ванны. Возникает короткое замыкание и повышается ток; таким образом, сжатие и разрыв отделяют каплю. При переносе в полете нет контакта между электродной проволокой и сварочной ванной (Li and Zhang 2007).Если размер капель, оторвавшихся от электрода до расплавленной сварочной ванны, меньше диаметра электродной проволоки, то в дуговом режиме проектируется распыление. Если расплавленный металл от электрода вращается, это называется вращающейся струей дуги. Для упрощения терминологии спроецированное распыление чаще всего называют дугой распыления (Роберт и Месслер, 2004). Характеристики, которые обычно типичны для спроецированной струйной дуги, — это устойчивый отрыв, малое разбрызгивание, постоянный размер капли и прямой перенос капель. Следовательно, этот режим дуги предпочтителен при обычном GMAW (Li and Zhang 2007).

Режимы дуги связаны с напряжением дуги и уровнем тока. Изменяя эти два параметра, можно изменять режимы дуги. При небольшом токе капля не образуется, пока не коснется сварочной ванны; этот режим дуги — так называемая короткая дуга. Режим дуги меняется на шаровую дугу, когда ток увеличивается так, что возникает небольшая электромагнитная сила (Wang et al. 2004). В шаровой дуге диаметр капли больше, чем у электрода, и капля образуется под действием силы тяжести.При дальнейшем увеличении тока тип дуги меняется на спроецированную дугу с разбрызгиванием, затем на струящуюся дугу и, наконец, на вращающуюся дугу (Li and Zhang 2007). Различные типы дуг могут быть показаны на диаграммах напряжения и тока дуги.

В качестве иллюстрации влияния тока, напряжения и состава защитного газа Иордакеску и Квинтино на заседании IIW в 2003 году классифицировали типы дуги на основе «естественных режимов переноса». Однако сегодня из-за использования более совершенных контроллеров естественные режимы передачи уже не используются так часто (Iordachescu and Quintino 2008).На рисунке 8 из исследования Пономарева показан тип дуги в зависимости от тока, напряжения и защитного газа (Пономарев и др., 2003).

IIW классификация переноса металла, отображаемая на диаграмме напряжения дуги и сварочного тока (Пономарев и др. 2003 г. ).

Переходный ток был важной темой в типе дуги при сварке GMA.Он устанавливает предел между шаровидной дугой и дугой со струйным переносом и определяет рабочие условия процесса сварки, как было предложено Пономаревым и др. (2003) на рисунке 8. Согласно Иордакеску и Квинтино (2008), может быть второй переходный ток между короткой дугой и шаровидной дугой, как показано на рисунке 9. Цель предложения состоит в том, чтобы охватить как обычную, так и проецируемую струю. .

Основные режимы передачи. Диаграмма U (I) на основе классификации Иордакеску и Кинтино (2008).

В дополнение ко второй линии переходного тока, исследование Иордакеску и Квинтино (2008) предложило новую классификацию режима переноса дуги в GMAW в зависимости от тока, напряжения и защитного газа: короткое замыкание, глобулярная капля, шаровой отталкивающий, капельный, струйный и вращающийся режимы переноса. Рисунок 9 иллюстрирует эту классификацию дуг в GMAW (Iordachescu and Quintino 2008). На рисунке показаны контролируемый, основной и переходный режимы на той же диаграмме, и каждая часть разделена зонами переходного тока.Первый переходный ток разделяет контролируемую и основную моды, а второй переходный ток разделяет области спрея и глобулярной основной группы. Кроме того, режим дуги меняется с увеличением сварочного тока и напряжения дуги. На рисунке показано, что электрический ток при переносе короткой дуги ниже, чем в других типах дуг, и что вращающийся перенос требует большого тока.

В таблице 3 показан режим переноса типа дуги из классификации стандартов DIN для сварки GMA (Iordachescu and Quintino 2008).Размер капель и режим переноса металла также названы для каждого типа дуги. Знание типа дуги и соответствующего режима переноса уменьшается, если игнорировать их соответствующее применение. Важность соответствующих приложений возрастает с разработкой нового термочувствительного металла (Matusiak and Pfeifer 2011).

Сравнение различных типов дуги: преимущества и недостатки

В этом разделе дается сравнение типов сварочной дуги.Список сварочных дуг состоит из естественных и контролируемых типов. В таблице 4 представлена ​​сравнительная таблица основных свойств типов дуги. В зависимости от типа дуги и свойств дуги в таблице указаны характеристики для промышленного применения. Можно заметить, что традиционная управляющая дуга демонстрирует более низкую стабильность дуги и, следовательно, низкую производительность с точки зрения качества сварки. Кроме того, операция невозможна во всех положениях, кроме короткой дуги. Управляемая дуга демонстрирует более высокую скорость наплавки и лучшую стабильность.Вследствие повышения устойчивости увеличивается производительность. Экономия самая высокая, но оборудование немного дороже. Уровень разбрызгивания выше при неконтролируемой шаровой дуге; однако регулируемая короткая дуга может обеспечить сварку практически без брызг. Подвод тепла сводится к минимуму с помощью регулируемой короткой дуги, но дуга с более высокой скоростью наплавки требует достаточного тепловложения. Управление направлено на ограничение неожиданного короткого замыкания дуги, работа стабильна, а затраты на экономию значительно улучшаются.Слабость шаровой дуги может быть успешно уменьшена за счет управления скрытой дугой, проплавление увеличивается, а разбрызгивание подавляется. Импульсное управление — наиболее стабильная дуга с более высоким диапазоном тока; следовательно, можно сваривать более толстый профиль и более широкий диапазон металла.

Применение различных типов дуги

Правильный выбор типа дуги может снизить риск появления дефектов сварки и повысить производительность.В этом разделе обсуждаются применения дугового типа. Обсуждение начинается с естественной дуги, затем следует управляемая дуга. Обсуждение основано на сравнительной характеристике из таблицы 4 относительно их применения, а в таблице 5 представлены типы дуги и их применения.

Короткая дуга

Короткая дуга подходит для применений, требующих низкого тепловложения, и позволяет соединять тонкие материалы и листы в любом положении.Это хороший выбор, когда необходимо свести к минимуму деформацию конструкции. Он подходит для сварных швов с канавкой в ​​качестве корневого прохода или для заполнения зазоров стыков, а также для корневого прохода сварных швов с открытыми канавками и пластинчатых сварных швов. Режим короткой дуги широко используется в трубной промышленности и очень применим для корневых швов труб. Его можно использовать с углеродистой сталью со 100% -ным защитным газом из двуокиси углерода или смесью максимум 25% CO ₂ и остальным аргоном. Режим короткой дуги также применим к низкоуглеродистой стали, низколегированной стали и нержавеющей стали толщиной от 0.5 и 2,6 мм. Однако он не может выполнять сварку алюминия (Deruntz 2003). Хотя обычная короткая дуга используется во многих приложениях, ее использование ограничено из-за высокого потенциального избыточного образования брызг, образования дыма, отсутствия плавления, меньшей перекрываемости зазора и нестабильности дуги (Hermans and Ouden 1999; Jenkins et al. 2005). Плохая работа обычной короткой дуги является результатом ограниченной способности источника питания управлять каждой последовательностью режима короткого замыкания металла (Lyttle and Praxair 1990; Althouse et al.2004; Laren 2004; Goecke 2005a, b; Джеффус и Бауэр, 2010). Вследствие этого ограничения обычная короткая дуга постепенно заменяется управляемой короткой дугой при корневом проходе листового металла.

Шаровидная дуга

Режим шаровидной дуги имеет мало применений из-за множества недостатков. Из-за размера капли (больше диаметра электрода) она может неожиданно коснуться сварочной ванны и вызвать короткое замыкание. Корень дуги очень подвижен, поэтому силы дуги имеют тенденцию перемещать каплю неравномерно, что вызывает высокий уровень разбрызгивания и нестабильность сварного шва.Кроме того, расплавленный металл не ускоряется по направлению к сварочной ванне, что приводит к неглубокому и широкому сварному шву. Крупные капли отделяются на низких частотах (<10 Гц), что снижает производительность. Следовательно, режим глобальной дуги ограничен сварными соединениями низкого качества, сваренными в плоском положении сварки или вертикальном положении вниз (Kou 2003; Xu and Wu 2007). Наиболее подходящее применение для шаровидной дуги - это сварка тонких материалов при очень малых токах. Хотя его также можно использовать с более высоким током, это неэффективно.Он подходит для GMAW стали (Althouse et al. 2004; Jeffus and Bower 2010).

Распылительная дуга

Распылительная дуга требуется для более толстого сечения, чем короткая дуга. Он очень подходит, когда требуется высокая скорость наплавки и когда требуется глубокое проплавление для сварки массивных основных материалов, которые могут выдерживать большое количество тепла. Большая сварочная ванна затрудняет сварку в вертикальном или верхнем положении, особенно в случае простой углеродистой стали и нержавеющей стали. При соединении сталей ток перехода можно изменять в большей степени, чем при сварке алюминиевых сплавов.Распылительная дуга может использоваться практически со всеми распространенными сплавами, содержащими алюминий, а также с никелевыми сплавами, медными сплавами, нержавеющими сталями, магнием и углеродистой сталью (Lyttle и Praxair 1990; Althouse et al. 2004; Robert and Messler 2004; Goecke 2005a, b ; Джеффус и Бауэр 2010). Несмотря на преимущества традиционной струйной дуги, нестабильность дуги и неупорядоченный перенос металла ограничивают ее применение. В режиме струйной дуги ток и напряжение почти постоянны, что приводит к случайному размеру и частоте капель (Hutt and Lucas 1982).Следовательно, образуется большое количество дыма, брызг и тепла. В результате недостаточного контроля качество сварки может ухудшиться. Также следует отметить, что защитный газ на основе аргона, используемый для создания дуги с распылением, дороже, чем CO ₂ . Ввиду этих недостатков струйная дуга не подходит для алюминия, конструкционной стали, стали с покрытием и высокопрочных сталей.

Управляемая дуга короткого замыкания

Эти типы дуги относятся к категории режимов с управляемой формой волны.Отделение капель во время короткого замыкания контролируется для уменьшения образования брызг и дыма и повышения производительности (Stava 1993; Goecke 2005a, b; Huisman 2000). Эти дуги продаются на коммерческом рынке под разными торговыми названиями: Перенос холодного металла (CMT): (FRONIUS International GmbH), ColdArc: (EWM Hightec Welding GmbH), Передача поверхностного натяжения (STT): (Lincoln Electric), Cold Process (CP) : (CLOOS), FastRoot (KEMPPI), Регулируемое осаждение металлов (RMD): (Miller Electric Mfg) и т. Д.Pépe et al. (2011) исследовали эффективность управляемого GMAW. Результаты показали, что для STT, Fast root и CMT эффективность составляет около 85%. Управляемая короткая дуга может использоваться практически во всех положениях сварки, почти со всеми видами металлических материалов и с разной толщиной. Контролируемая короткая дуга применяется для соединения тонких листов, соединения металлических листов из нержавеющей стали с цинковым и непокрытым покрытием, а также для соединения алюминиевых сплавов. Также возможна сварка очень тонких металлических листов из углеродистой стали, высоколегированной стали, низколегированной стали и алюминия (Deruntz 2003).В настоящее время толщина материалов, используемых в автомобильной промышленности, становится ниже 0,3 мм, и процесс GMAW с короткой дугой больше не подходит. Другими применениями управляемой короткой дуги являются роботизированная сварка GMAW и пайка сверхлегких листов в ручном и автоматическом режимах в любом положении. Можно сваривать разнородные материалы, такие как алюминий и сталь, сталь и магний, а также магниевые сплавы (Rosado et al. 2008; Srinivasan and Balasubramanian 2011; Matusiak and Pfeifer 2011).Хотя управление короткой дугой обеспечивает большую гибкость приложений, для этого требуются усовершенствованный источник питания, а иногда и специальные горелки.

Управляемая шаровая дуга

В этом режиме дуга используется в диапазоне тока шаровидной дуги, но с короткой длиной дуги. Это позволяет дуге работать под поверхностью сварочной ванны (так называемая «скрытая дуга») и использовать давление дуги экранированного CO ₂ для улавливания брызг. По данным Nishiguchi et al.(1975), метод сварки в скрытой дуге позволяет достичь более высоких скоростей сварки и скорости осаждения присадочного металла, чем шаровая дуга. Скорость сварки может достигать 2540 мм / мин, а очистка минимальна (Lienert et al. 2011). Stol et al. (2006) изучали использование GMAW с заглубленной дугой для сварных швов. Подход со скрытой дугой имеет большой потенциал для использования в автомобильной, железнодорожной и морской промышленности при сварке узлов. Примером применения является сварка краев и сторон алюминиевых деталей в качестве альтернативы GMAW.Режим управляемой шаровидной дуги можно использовать для угловых или шовных сварных швов внахлестку, тройников и стыковых соединений с квадратными канавками. Он подходит для механизированной сварки тонких материалов на высоких скоростях и может использоваться при полностью механизированной или автоматической газовой дуговой сварке металла. Он также используется при сварке цилиндров из труб. Скрытая дуга может использоваться в автомобилях при стыковой сварке кузова и полуавтоматической сварке рамы и кузова (Kielhorn et al. 2001; Aoki et al. 2003; Kah et al. 2013).

Управляемая струйная дуга

Для управления подводом тепла и уменьшения образования брызг и дыма были разработаны источники питания, способные выпускать одну каплю в течение последовательности дуги и импульсов. В дуге используется постоянный ток (например, импульсный GMAW) или переменный ток (например, AC-GMAW) с различными формами волны тока. Импульсная дуга может использоваться во всех положениях сварки и с любой толщиной основного материала как в ручных, так и в автоматических сварочных системах. Сварка вне положения также возможна из-за того, что уровень тока ниже среднего.Из-за низкого тепловложения этот режим подходит для заполнения зазоров. Он широко используется в GMAW алюминия (Kah et al. 2012). Этот метод подходит для сварки всех стандартных и высокоэффективных марок нержавеющей стали при использовании присадочных металлов на основе никеля или нержавеющей стали. Также высоколегированные стали можно сваривать импульсной дугой. Сверхаустенитная нержавеющая сталь демонстрирует лучшие механические и металлургические свойства с оптимальными параметрами при сварке GMA по сравнению с традиционной напылением (Sathiya et al.2012). Импульсная дуговая сварка находит применение в судостроительной промышленности, например, при сварке вне положения высокопрочных низколегированных базовых материалов при изготовлении корпусов судов. Преимущества импульсной дуги в судостроении заключаются в том, что ее электродный КПД выше по сравнению с дуговой сваркой с сердечником из флюса (FCAW), и она может обеспечивать меньшее количество водородных отложений при сварке швов (Lyttle and Praxair 1990; Knopp and Lorenz 2002; Althouse et al. 2004; Ларен 2004; Уэяма и др. 2005; Лебедев 2010; Торбати и др. 2011; Ка и др.2013).

Дуга повышенной мощности

Перенос металла потоком и вращением происходит в более высоких диапазонах мощности. Вращение расплавленного металла является результатом более длинного вылета электрода (от 25 до 35 мм) и более высоких значений тока и напряжения, из-за которых струя металла отклоняется от оси симметрии и начинает вращаться под действием магнитных сил. Хотя стыковая сварка является наиболее типичным применением сварки в режиме вращающейся дуги, вращающуюся дугу также можно использовать при сварке в узкий зазор. Этим методом можно сваривать толстые толстые листы.Благодаря гибкости, эффективности и производительности этого режима его можно использовать при производстве больших и тяжелых конструктивных элементов (Church and Imaizumi 1990).