Введение к работе
Актуальность темы.
Объем металла, используемого при изготовлении толстолистовых сварных конструкций, составляет 30% от всего объема металла при производстве сварных конструкций. Анализ производства сварных конструкций показал, что технологический процесс сварки в защитных газах при толщине металла 6 мм и более осуществляется с разделкой кромок под сварку, а это приводит к дополнительным затратам по трудоемкости и материалоемкости. При увеличении толщины свариваемого металла возрастает площадь сечения шва, что приводит к появлению сварочных напряжений и деформаций в сварном шве и околошовной зоне.
По мнению многих исследователей: Ардентова В.В., Руссо В.Л., Фатиева И.С, Михайлова В.И, Смирнова В.А., Барышникова А.П., Федосеенко Г.П., Денисова Б.С, Штрикмана М.М., Назарчука А.Т., Бурашенко И.А., Стеренбогена Ю.А., Новожилова Н.М., Дудко Д.А., Бельчука Г.А., Титова Н.Я., Островского О.Е., и др. решать данную проблему целесообразно с учетом применения ресурсосберегающей технологии сварки в щелевую разделку. Однако, у существующей технологии сварки наряду с достоинствами есть недостатки, которые снижают возможность ее широкого применения в промышленности, а именно нестабильное горение дуги, и как следствие вероятность образования дефектов в сварных швах.
Несмотря на большое количество выполненных работ, применение сварки в щелевую разделку плавящимся электродом в защитных газах еще не соответствует возможностям и преимуществам, которые может обеспечить данный способ сварки. Это объясняется тем, что ряд вопросов, связанных с разработкой технологии сварки в щелевую разделку, все еще остается изученным недостаточно.
Основной проблемой, возникающей при сварке в щелевую разделку, является обеспечение надежности сплавления металла шва со стенками разделки. При сварке плавящимся электродом в защитных газах в процессе переноса электродного металла возникают возмущения, влияющие на стабильность горения дуги. Нарушение стабильности горения дуги в щелевой разделке за счет влияния ферромагнитных масс и эффекта магнитного дутья приводит к образованию дефектов в сварном шве: непровар в углах разделки (корневой слой); горячие трещины в центре шва и несплавление с кромкой разделки (заполняющие слои); «развал» кромок (облицовочный слой), а также шлаковые и газовые включения в сварном шве.
При сварке в щелевую разделку остается открытым вопрос управления формированием сварного шва за счет управления гидродинамическими процессами в сварочной ванне. Исследования процессов, протекающих в сварочной ванне, представлены в работах: Рыкалина Н.Н., Ерохина А.А., Прохорова Н.Н., Акулова А.П., Чернышева Г.Г., Рыбачука A.M., Руссо В.Л., Ерыгина В.П.,
Размышляева А.Д., Лескова Г.И., Березовского Б.М., Столбова В.И., Полоскова СИ., Букарова В.А., Гулакова СВ., Псараса Г.Г., Лапина И.Г. и др.
Одним из перспективных направлений в повышении эффективности дуговой сварки является введение в процесс электрических импульсов сварочного тока, с помощью которых возможно осуществлять управление переносом электродного металла и формированием шва. Исследователями в области управления процессами плавления и переноса электродного металла в среде защитных газов, а именно Дюргеровым Н.Г., Ленивкиным В.А., Сатаровым Х.Н., Патоном Б.Е., Зарубой И.И., Потапьевским А.Г., Шейко П.П., Болдыревым A.M., Князьковым А.Ф. и др. предложены различные способы импульсного воздействия на процесс сварки. Известно, что при сварке с периодически изменяющейся формой тока дуги можно получать управляемый перенос электродного металла в среде активных, инертных газов и их смесях, и появляется возможность управлять геометрическими параметрами шва и структурой кристаллизующегося металла.
Однако, в настоящее время нет единого алгоритма, описывающего процесс сварки в щелевую разделку и связывающего параметры импульсов сварочного тока с параметрами, характеризующими движение жидкого металла при наложении импульса, с помощью которого имелась бы возможность предотвращать появления дефектов в сварном шве. Настоящая работа посвящена выявлению особенностей формирования шва в щелевую разделку сварных соединений и разработке системы управления формированием слоев шва путём изменения энергетических параметров режима сварки.
Цель работы. Создание модели и алгоритма управления процессами послойного формирования шва и оборудования, реализующего их, для обеспечения качества соединения при сварке в щелевую разделку.
В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по формированию шва в щелевой разделке для свариваемых материалов группы МОЇ, направленные на предотвращение дефектов в сварных соединениях при сварке в защитных газах, за счет программирования процесса импульсно-дуговой сварки с дифференцирующим воздействием на корневой, заполняющий и облицовочный слои сварного шва.
Методы исследований. При исследовании процессов плавления и переноса электродного металла, поведения поверхности сварочной ванны применен метод «теневой» скоростной киносъемки с синхронным осциллографированием параметров режимов сварки, а также метод «прямой» видео- и фотосъемки сварочной дуги.
Наличие дефектов в сварных швах определено методом ультразвукового контроля с помощью дефектоскопа УД2-12. Измерение твердости проведено твердомером ТК-2М; механические испытания - на разрывной машине ИР-6055-500-0 и маятниковом копре МК-ЗОА. Микроструктура шлифов исследована с помощью
микроскопов МИМ-7, МЕТАМ Р1, химический состав определен на установке спектрографа ИСП-30.
Научная новизна.
1. Разработана модель процессов, протекающих в сварочной ванне при
формировании сварного шва в щелевую разделку при импульсно-дуговой сварке
плавящимся электродом, которая включает в себя: кинетические параметры движения
жидкого металла в сварочной ванне, термические условия сплавления с боковой
кромкой и в донной части, показатели термо-силового воздействия импульса
сварочного тока, позволяющая прогнозировать формирование геометрических
параметров шва и структуры металла сварного соединения:
сплавление валика корневого слоя в донной части зависит от соотношения количества энергии, необходимой для проплавлення заданной площади за период импульсно-дуговой сварки, к количеству энергии, передаваемой передней кромке и определяемой суммированием теплового потока на интервале действия импульса тока через изменяемую величину прослойки жидкого металла под дугой, вследствие изменения баланса сил в зоне активного пятна на поверхности ванны;
величина жидкой прослойки (д) на кромке разделки во время действия импульса сварочного тока определяет надежность сплавления валика с вертикальной стенкой. Максимальная величина прослойки, обеспечивающая надежное сплавление при сварке заполняющих слоев, зависит от погонной энергии и теплофизических свойств металла (5=0,8-^ 1,7мм).
-
Показано, что момент отрыва капли электродного металла зафиксирован за счет скачка напряжения на дуговом промежутке, и, задавая временной интервал от этого момента до момента выключения силовых тиристоров, возможно следующее: дозировать энергию, идущую на расплавление капли электродного металла; стабилизировать размер переносимых капель электродного металла; обеспечивать равную полноту протекания металлургических реакций на стадии образования капли; получать химически однородный состав металла шва.
-
Обобщены и развиты методы управления параметрами импульсов сварочного тока и подачи электродной проволоки, совмещенных синфазно или синхронно.
Практическая ценность работы.
-
Разработан метод расчета параметров импульсов тока для сварочной дуги в защитных газах при послойной сварке в щелевую разделку с учетом получения бездефектного сварного соединения.
-
Разработаны и запатентованы способы:
- с комбинированным управлением системы импульсно-дуговой сварки и
системы импульсного изменения скорости подачи электродной проволоки;
- импульсно-дуговой сварки в углекислом газе с разделением стадии плавления
и переноса электродного металла.
3. Разработаны и запатентованы устройства:
- для стабилизации размера переносимых капель электродного металла;
для улучшения надежности работы и электробезопасности модулятора сварочного тока;
для снижения диссипативных свойств и расширения технологических возможностей системы импульсно-дуговой сварки.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса
импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку разработаны и внедрены в
производство ресурсосберегающие технологии изготовления металлических
конструкций.
5. Внедрены в производство способы и устройства импульсно-дуговой сварки.
Апробация работы. Результаты данной работы заслушивались на: ежегодных XI-XVI научных конференциях ЮТИ ТПУ, Юрга, 1998-2003г.; I-IX Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии», Томск, 2002-20Юг.; 2-ом научном семинаре Юргинского филиала Томского политехнического университета, Юрга, 2002г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2004-2006г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2008-2011г.; Международных научно-практических конференциях «Современные проблемы в машиностроении и экономике», Юрга, 2010-2012г.; VI-VII Всеукраинской научно-практической конференции «Сварка и родственные технологии», Киев, 2011г., 2013г.; Всероссийской научно-технической конференции, Тольятти, 2011г.; Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2012г.; Международной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Будущее: Технологии и Проекты», Казань, 2011г.; Международной молодежной конференции «Инновации в машиностроении», Юрга, 2012-2013г.; The 7th International Fommon Strategic Technology «IFOST2012», Томск, 2012г.; на научном семинаре кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» Донского государственного университета, Ростов-на-Дону, 2011г.; на объединенном научном семинаре кафедр Волгоградского государственного технического университета, Волгоград, 2011г.; на научном семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» Московского государственного университета им. Н.Э. Баумана, Москва, 2013г.
Материалы по теме диссертационной работы опубликованы в журналах «Сварочное производство», «Технология металлов», «Сварка и Диагностика», «Ремонт, восстановление и модернизация», «Сварка в Сибири», «Welding International», «Вопросы материаловедения», «Автоматизация и современные технологии», «Альманах современной науки и образования», «Вестник науки Сибири», «Горный информационно-аналитический бюллетень», «Международный научно-исследовательский журнал. Research Journal of International Studies».
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в более 100 научных трудах, в том числе, 2 монографии, 42 статьи в центральной печати (из них 31 статья в журналах, рекомендованных ВАК), 6 патентов РФ на изобретение.
Личный вклад автора в опубликованных единоличных и в соавторстве работах состоит: в постановке цели и задач исследований, в разработке методик экспериментов, в анализе и обобщение экспериментальных результатов, в разработке схемы движения жидкого металла сварочной ванны, в разработке технологии импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку плавящимся электродом «длинной дугой», а также в разработке способов, повышающих эффективность процессов дуговой сварки, и устройств для их реализации. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.
Достоверность и обоснованность исследований подтверждается практическими разработками и успешным внедрением результатов, предлагаемых методов и средств в производство и в учебный процесс института (ЮТИ ТПУ). Достоверность сформулированных в диссертации выводов и практических рекомендаций обеспечена применением физически обоснованного комплекса современных методов экспериментальных и теоретических исследований.
Достоверность теоретических исследований подтверждена их сходимостью с экспериментальными данными, полученными методом скоростной киносъемки и синхронного осциллографирования процессов, а также общепринятыми методами получения количественных и качественных показателей процесса сварки.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Процесс импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку плавящимся
электродом «длинной дугой».
- Модель процессов, протекающих в сварочной ванне при формировании
сварного шва в щелевую разделку при импульсно-дуговой сварке плавящимся
электродом, позволяющая прогнозировать формирование геометрических параметров
шва и структуры металла сварного соединения, в состав которой входят:
кинетические параметры движения жидкого металла в сварочной ванне; термические
условия сплавления с боковыми кромками стыкуемых элементов и в ее донной части;
показатели термосилового воздействия импульса сварочного тока.
- Дифференцированный подход к формированию сварного шва в щелевую
разделку при сварке слоев: корневого, заполняющего и облицовочного.
Способы и устройства для реализации импульсно-дугового процесса сварки в щелевую разделку.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по применению импульсно-дуговых способов сварки в щелевую разделку.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 423 наименования, содержит 308 страниц машинописного текста, включая 165 рисунков и 18 таблиц.
