Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности односторонних сварных соединений. Подходы к повышению качества формирования корневого слоя шва 9
Глава 2. Основные физические закономерности процесса сварки корневого слоя шва 35
2.1. Исследования пространственного положения дуги на свариваемых кромках 36
2.2. Схематизация дуги как источника тепла 43
2.3. Схематизация нагреваемых (свариваемых) кромок 52
Глава 3. Математическое моделирование процессов при сварке корневого слоя шва 55
3.1. Описание пространственного положения дуги на свариваемых кромках 55
3.2. Математическое описание схем дуги как источника тепла 64
3.3. Математическое описание нагреваемых (свариваемых) кромок 69
3.4. Решение математических моделей 74
3.5. Оценка адекватности разработанных математических моделей 91
3.6. Качественные ограничения состояния процесса «сварка корня шва 100
Глава 4. Исследование процессов формирования корневого слоя шва с помощью математической модели 104
4.1. Цель, задачи и методика проведения исследования. Исходные данные 107
4.2. Результаты проведённых экспериментов и их анализ 111
Глава 5. Практическое применение результатов исследования процессов формирования корневого слоя шва 128
5.1. Содержание системного подхода по согласованию параметров подготовки, сборіш кромок под сварку и режимов сварки с характеристиками получаемого корневого слоя шва 128
5.2. Содержание методики управления геометрическими характеристиками корневого слоя шва по результатам сварки эталонного образца 135
5.3. Пример реализации методики управления геометрическими характеристиками корневого слоя шва по результатам сварки эталонного образца 138
5.4. Проверка адекватности прогнозирования изменений размеров корневого слоя шва с помощью методики управления геометрическими характеристиками корневого слоя шва по результатам сварки эталонного образца 145
5.5. Методика оценки стабильности технологических процессов сварки корневого слоя шва 146
5.6. Пример реализации Методики оценки стабильности технологических процессов сварки корневого слоя шва 149
5.7 Способ сборки труб под сварку с повышенной точностью 152
5.8 Оценка эффективности внедрения предложенного системного подхода в производство 153
Основные выводы и результаты работы 159
Список литературы 161
Приложения
- Особенности односторонних сварных соединений. Подходы к повышению качества формирования корневого слоя шва
- Исследования пространственного положения дуги на свариваемых кромках
- Описание пространственного положения дуги на свариваемых кромках
Введение к работе
В сварочном производстве для изготовления металлических конструкций применяются разнообразные виды сварных соединений. Для большинства сварных конструкций по экономическим и эксплуатационным характеристикам наиболее выгодным, а иногда и единственно возможным, является применение односторонней сварки соединений со свободным формированием корневого слоя шва (на весу). Такие соединения являются наиболее простыми в исполнении, менее трудоёмкими, не создающими сложностей в виде механической обработки кромок сложной формы, необходимости проведения процесса сварки с двух сторон (а, следовательно, необходимости двухстороннего доступа к сварному соединению), а также уменьшают вероятность снижения эксплуатационных характеристик сварного соединения и металлоконструкции в целом.
Основным недостатком односторонних сварных соединений является низкая стабильность их качественного формирования, обусловленная, в основном, низкой стабильностью качественного формирования корневого слоя шва, в то время как корневой шов, его форма и размеры, имеют весьма важное значение, так как благоприятное его формирование и отсутствие дефектов во много определяют надёжность и качество всего сварного соединения [92]. Поэтому зачастую предпочтение отдаётся более дорогостоящим и конструктивно сложным сварным соединениям с так называемым «гарантированным проваром». К таким соединениям относят двухсторонние сварные соединения, соединения с подваркой корня, соединения с принудительным формированием корня на подкладке (остающейся или съёмной), соединения в замок, с усом и т.п. Недостатками этих соединений являются необходимость применения дополнительных технологических элементов (подкладок), увеличение металлоёмкости конструкции и трудоёмкости сборочно-сварочных операций, усложнение конструкции сварных соединений и технологического процесса сварки. Использование в соединении различного вида подкладок и вставок в большинстве случаев существенно ухудшает работоспособность сварного соединения, создаёт условия возникновения в них трещин, уменьшает рабочее сечение трубопроводов. Достаточно часто из-за неплотного или неравномерного прилегания свариваемых
кромок к подкладке резко изменяются условия теплоотвода от свариваемого стыка и в сварном соединении появляются дефекты [92].
Несмотря на эти недостатки, наличие высокой нестабильности качественного формирования корневого слоя шва в односторонних соединениях, делает соединения с «гарантированным проваром» более выгодными, по сравнению с односторонними, как с точки зрения надёжности сварного соединения, так и с точки зрения экономических затрат на получение соединений равного уровня качества. Экономические затраты на применение односторонних соединений в нынешних условиях соизмеримыми, а зачастую и превышают затраты на выполнение соединений с «гарантированным проваром». Эти повышенные затраты продиктованы увеличением затрат на исправление дефектов, необходимостью привлечения сварщиков (операторов) высокой квалификации, а также увеличенными объёмами приёмочного контроля качества соединений (как менее стабильных по качеству).
Следовательно, обеспечение формирования корневого слоя шва с высоким качеством и стабильностью качества, в односторонних соединениях, позволит снять ряд ограничений на их применение в сварных конструкциях, что позволит применять соединения более простой конструкции, не требующих больших дополнительных трудозатрат, а, следовательно, уменьшающих трудоёмкость и себестоимость работ, с обеспечением при этом высокого качества самого соединения.
Основным фактором, сдерживающим возможность повышения стабильности качественного формирования корневого слоя шва, является отсутствие обоснованных рекомендаций по согласованию параметров подготовки, сборки кромок под сварку и режимов сварки с характеристиками получаемого в результате корневого слоя шва. Отсутствие такой согласованности создаёт неопределённость в прогнозе получаемых характеристик корневого слоя, что и является основной причиной низкой стабильности его качественного формирования.
Цель работы: повышение качества односторонних сварных соединений, путём согласованна параметров подготовки, сборки кромок под сварку и режимов сварки с геометрическими характеристиками получаемого корневого слоя шва.
Особенности односторонних сварных соединений. Подходы к повышению качества формирования корневого слоя шва
По прогнозам ряда экономических исследований объёмы мирового рынка сварочной техники и услуг в ближайшее время составит не менее 40-50 млрд. долларов в год, из которых примерно 70% - сварочные материалы, 30% - сварочная техника и технологии [10]. Подавляющей востребованностью на рынке сварочных услуг, как и ранее, пользуется сварка плавлением.
Очень широк диапазон свариваемых материалов: малоуглеродистые и легированные стали, сплавы на основе титана, алюминия, молибдена, вольфрама, интерметаллиды и керамические материалы, биологические ткани и др., но специалисты всего мира с полным основанием утверждают, что сталь будет доминировать как конструкционный материал, по крайней мере, в первой четверти XXI века [48]. Т.о. образом основным направлением развития сварочных технологий в ближайшем будущем останется направление развития технологий сварки стальных металлоконструкций.
На европейском и мировом рынке тенденцию к устойчивому росту имеет оборудование и технологии дуговой механизированной сварки при сокращении доли оборудования для ручной дуговой сварки покрытыми электродами (Рис. 1 и 2). Преобладание на Европейском рынке механизированных способов сварки, особенно сварки в защитных газах, подтверждает и данными о выпуске сварочных материалов различного типа в странах Евро Союза (ЕС) (см. рис. 3).
Для мирового рынка структура потребления оборудования для различных видов сварки плавлением, и потребление оборудования и сварочных материалов для различных способов дуговой сварки имеет примерно аналогичный характер как показано на рис. 1 и 2 (отличия для различных показателей составляют максимум 4%).
Следует особо отметить, что в промышл енно-развитых странах особенно расширяется применение механизированной сварки в защитных газах сплошной и порошковой проволоками, сокращается доля ручной дуговой сварки.
Исследования пространственного положения дуги на свариваемых кромках
Для составления и обоснования физических моделей процесса формирования провара корневого слоя шва, необходимо выявить и описать основные физические закономерности, отличающие выделенную нами систему («сварка корня шва»), от других систем сварки, с учётом цели моделирования.
Поскольку форма проплавлення свариваемых кромок напрямую определяется картиной температурного поля в них, то основной целью физического моделирования системы является - с физической точки зрения описать основные закономерности процессов протекающих при сварке, корня шва, значимо влияющих на картину температурного поля в кромках, с учётом влияния на температурное поле параметров подготовки и сборки кромок под сварку, и энергетических параметров процесса сварки.
В рамах данной работы будет проводиться изучение и моделирование двух технологических систем сварки:
1) технологический процесс сварки корня шва неплавящимся вольфрамовым электродом без присадки;
2) технологический процесс сварки корня шва плавящимся электродом в среде защитного газа.
Границы изучаемых технологических сварочных систем, входные и выходные параметры, и декомпозиция моделей (т.е. выявление входящих в систему подсистем), наглядно представлены на рис. 21.
Наиболее важной задачей соответствующей цели моделирования является описание взаимодействия сварочной дуги, как источника нагрева, и свариваемых кромок, как нагреваемого элемента.
Данная задача разбита на три подзадачи, решение которых позволит описать условия, отличающие выделенную нами систему («сварка корня шва»), от других систем сварки.
Описание пространственного положения дуги на свариваемых кромках
В предыдущей главе выяснили, что положение дуга на свариваемых кромках будет определяться: I) положением дуги на поверхности сварочной ванны - на которое существенное влияние оказывают скорость сварки и скорость подачи проволоки, а также характеристики мощности дуги; 2) формой и размерами поверхности сварочной ванны - на которые дополнительное существенное влияние оказывают параметры подготовки и сборки кромок под сварку.
Для того чтобы точно определить координаты месторасположения точки центра пятна нагрева дуги нам необходимо точно знать форму и размеры поверхности сварочной ванны, однако именно для расчёта этих параметров нам и нужно знать координаты центра пятна нагрева. Следовательно, получаем задачу, когда необходимо найти выходные параметры по неизвестным входным параметрам при зависимости их от выходных параметров.
В этой ситуации наиболее рациональным является подобрать сочетания параметров, наиболее значимо влияющих на изучаемый процесс, которое бы принимало стабильно постоянные значения при переходе процесса в предельные, интересующие нас, состояния. Из описания физической модели процесса мы установили, что положение дуги на поверхности сварочной ванны определяется скоростью сварки, скоростью подачи проволоки, характеристиками мощности дуги и объёмом сварочной ванны. При этом мы можем зафиксировать два крайних значения координаты, характеризующей высоту источника тепла на поверхности сварочной ванны (см. рис. 26 и 27). Такая картина будет характерной для сварки плавящимся электродом в защитном газе при любых условиях сварки. Следовательно, мы имеет ряд подобных процессов, для которых двумя значениями некоторого комплекс параметров можем описать момент перехода системы в два крайних (по положению дуги на поверхности ванны) состояния.
В соответствии с теорией подобия в состав такого сочетания-комплекса должны входить параметры, значимо влияющие на изучаемый процесс. Исходя из физической модели процесса интересующее нас сочетание параметров должно включать в себя следующие основные параметры: скорость сварки, объём сварочной ванны (пропорциональный скорости подачи проволоки, размеру (диаметру) электродной проволоки, плотности материала электрода), и давление дуги.
