И.В. Макарова
С.В. Федюкин

В настоящее время с развитием инверторных сварочных технологий, микропроцессорного управления сварочными источниками появилось несколько режимов сварки с алгоритмами так называемого «управляемого» каплепереноса. Все они, так или иначе, разбивают сварочный процесс на несколько циклов, во время прохождения которых меняются параметры сварки (исходя из заданного алгоритма). Такие сварочные режимы позволяют облегчить выполнение многих специфических задач. К «умным» режимам можно отнести следующие: для полуавтоматической сварки импульсная сварка (PULS), сварка с минимальным тепловложением для тонкого металла (ColdArc и аналоги), некоторые виды высокоскоростной сварки с модулированием или форсированием дуги (HighSpeed, ForceArc и др), режимы импульсной сварки для неплавящегося электрода Puls TIG. Однако вопрос импульсного режима для сварки штучным электродом до сих пор является открытым, имеются противоположные мнения о его полезности. В данной статье мы попытаемся рассмотреть мнения «pro et contra» и выяснить, какие преимущества (или недостатки) имеет данный режим по сравнению с традиционной сваркой электродом.

Что же представляет собой адаптивный импульсный режим ручной дуговой сварки (АИРД)? Как ясно из названия, имеет место управляемый сварочный процесс, суть которого заключается в повторении микроциклов, состоящих из тока импульса и тока паузы. Сварочный алгоритм задается соотношением четырех основных параметров: величины токов импульса/паузы и времени их действия.

В моменты действия импульса тока происходит расплавление электрода. Величину тока импульса выбирают такой, чтобы обеспечивались: во-первых, оптимальный режим плавления электрода, во-вторых, сварочно-технологические и химические свойства наплавленного металла.

Ток паузы выбирается меньший, чем минимальный ток, рекомендованный для данного типа электрода. На таком токе плавление электрода минимально, а перенос металла носит крупнокапельный характер с короткими замыканиями дугового промежутка. Во время тока паузы сварочная ванна при минимально возможном токе горения дуги должна охладиться и частично закристаллизоваться. Для обеспечения устойчивости и постоянства длинны дуги, а так же для предотвращения замыкания и залипания электрода, ток паузы дополнительно модулируется короткими высокочастотными импульсами, которые стабилизируют дуговой разряд на интервале паузы.

Таким образом плавление основного металла происходит с учетом высокой тепловой инерции сварочной ванны. Регулирование объема, вязкости сварочной ванны и формирование шва выполняется с помощью подбора среднего сварочного тока. Средний ток задается соотношением продолжительности и величин тока импульса и паузы.
На протяжении всего цикла сварки осуществляется непрерывное автоматическое управление параметрами режима сварки. На интервалах коротких замыканий, в моменты перехода капель электродного металла в сварочную ванну, сварочный источник адаптирует свои свойства (выходные характеристики), обеспечивая гарантированное перетекание металла и снижая вероятность прилипания (примерзания) электрода. После окончания короткого замыкания сварочный источник нормирует энергию в момент повторного возбуждения дуги для успокоения колебаний сварочной ванны. Такая адаптация энергетических параметров режима сварки в зависимости от характера переноса электродного металла в сварочную ванну, повышает стабильность, устойчивость процесса сварки в импульсном режиме.

Рис. 1. Временная диаграмма сварочноготока в режиме АИРД.

Разобравшись с принципом действия импульсного режима АИРД, переходим к главному вопросу – а зачем он, собственно, нужен, какие преимущества несет по сравнению с обычной сваркой штучным электродом?

Говоря о преимуществах АИРД, можно выделить два критерия: во-первых, улучшение качественных и прочностных свойств сварного соединения и, во-вторых, фактор упрощения и снижения трудозатратности некоторых видов сварки (корневых проходов, потолочных и вертикальных швов, сварки тонких металлов). Как показали исследования, применение адаптивной импульсно-дуговой сварки позволяет улучшить качественные и прочностные свойства сварного соединения. Так, при сварке труб большого диаметра (1420 мм и 1020 мм) из марганцовистых сталей типа 10Г2С и 17Г1СУ, предназначенных для нефте- и газопроводов повышается однородность структуры и в 2–3 раза уменьшается размер зерна металлов сварного шва и зоны термического влияния основы. Повышается пластичность зон сварного соединения стали типа 10Г2С, увеличивается ударная вязкость металла шва стали 17Г1СУ при положительной температуре (20°С) на 8–27 % и отрицательной (-60°С) на 15–24 %, а также на 25–30 % повышается усталостная прочность сварных соединений в металле шва и зоне термического влияния [1].

Оценка импульсного режима по второму критерию сложна, ибо носит во многом субъективный характер. Многие склоняются к мнению, что импульсный режим для электрода нужен «как собаке пятая нога». Однако отметим несколько важных моментов.
90% дефектов, выявляемых при контроле качества сварных соединений, связано с дефектами в корневых слоях сварных швов: подрезами, непроварами, неметаллическими включениями, порами. Чтобы избежать такого рода дефектов, квалификация сварщика должна быть достаточно высока, так как управление размерами сварочной ванны достигается сложным перемещением плавящегося электрода относительно свариваемого изделия. Аналогичная ситуация существует и для сварки вертикальных и потолочных стыков: для удержания капли и избежания истеков металла сварщик вынужден подстужать сварочную ванну (с помощью перемещения либо оттяжки сварочной дуги). Адаптивный импульсный режим для ручной дуговой сварки позволяет существенно облегчить
работу сварщика и избежать многих дефектов, весьма характерных для сварки корневых, потолочных и вертикальных швов. Чередование интервалов 1) импульса, обеспечивающих расплав электродного металла и тепловую инерцию ванны, и 2) пауз, во время которых металл сварочной ванны остужается и частично кристаллизуется, позволяет обойтись без сложных манипуляций электродом со стороны сварщика. Электрод ведется по одной координате поступательно, сварочная ванна имеет форму «замочной скважины». При этом упрощается технология однопроходной сварки и выполнение корневых проходов при многослойной сварке труб и металлоконструкций без подкладок, также повышается эффективность процесса сварки и улучшается формирование швов. Швы получаются с плавными очертаниями и мелкой чешуйчатостью.

Рис. 2. Внешний вид пульта управления.

Некоторые сварщики критикуют импульсный режим при сварке электродом за своего рода «автоматичность», т. к. управление сварочной ванной происходит во многом за счет заданных параметров, а не за счет манипуляций электродом – дескать, сварщик «не видит», «не чувствует» при таком режиме сварочной ванны. Действительно, восприятие процесса сварщиком в импульсном режиме отличается от традиционного, но это скорее вопрос привычки и практики.

Вторым элементом критики является подбор параметров АИРД под конкретную задачу, а именно большая вариативность такого подбора. Эту проблему может решить выработка определенных сварочных программ для конкретных целей, которые могут быть внесены в техническую документацию в виде технологических карт либо «зашиты» в блоке управления сварочного источника. Во всяком случае, это задача должна решаться производителем соответствующего оборудования.

В написании статьи мы руководствовались опытом, полученным при разработке и внедрении адаптивно-импульсного режима в сварочный источник «МАГМА-315» производства ООО «НПП «ФЕБ» (г. Санкт-Петербург). Источник МАГМА-315 зарекомендовал себя при работе на передвижных установках для строительства и ремонта магистральных нефте- и газопроводов. Из особенностей источника нужно отметить широкий диапазон питающего напряжения (175–570В), отличные мощностные характеристики (ПВ 100% на токе 315А в режиме ММА), небольшие габариты (25 кг.) Расширенный температурный диапазон (от 40°С минус до 40°С) позволяет применять установку на всей территории России от юга до Крайнего Севера.

Реализация АИРД в источнике МАГМА-315 выполнена в виде подключаемого девайса (Блока управления АИРД), который инициирует соответствующую программную надстройку источника. С помощью герметичной пленочной клавиатуры и цифрового суперяркого светодиодного индикатора (Рис. 2), пульт управления позволяет легко устанавливать и настраивать параметры сварочного режима.

Также пульт хранит в памяти 10 наборов параметров сварочного режима, это дает возможность оперативного переключения на предварительно настроенный сварочный режим. Например, переключение между режимами, предназначенными для сварки корня шва на режим, предназначенный для заполнения и далее на режим для облицовки.
Конструкция пульта полностью герметична, имеет степень защиты IP55 и предназначена для работы в полевых условиях.

Алгоритм данного импульсного режима был разработан совместно с НПО «Импульсные технологии» г. Томск под руководством профессора доктора технических наук Сараева Ю.Н. и реализован на базе сварочного инверторного источника «МАГМА-315» производства НПП «ФЕБ»

1. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Полетика И.М., и др. Улучшение структуры и свойств сварных соединений труб большого диаметра из низколегированной стали при импульсно-дуговой сварке. // Автоматическая Сварка № 12, 2004 г.

Перейти к аппаратам полуавтоматической сварки с импульсным режимом >>>

Перейти к аппаратам аргонодуговой сварки с импульсным режимом >>>