Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ВОЛЬФРАМОВЫХ КАТОДОВ 14
1.1. Работоспособность стержневых вольфрамовых катодов и возможности ее повышения 14
1.2. Исследования теплового состояния катодов 26
1.3. Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДНОГО УЗЛА СВАРОЧНОЙ ГОРЕЛКИ С ВОЛЬФРАМОВЫМ КАТОДОМ 46
2.1. Разбиение электродного узла на области с характерным тепловым состоянием
2.2. Математическое описание теплового состояния рабочего участка катода 48
2.3. Математическое описание теплового состояния электродного стержня (область и) 55
2.4. Математическое описание теплового состояния электрододержателя (областып) 57
2.5. Выбор теплофизических и эмиссионных свойств электродных материалов 66
2.6. Методика расчета теплового состояния узла сварочной горелки 71
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АКТИВИРОВАННЫХ ВОЛЬФРАМОВЫХ СТЕРЖНЕВЫХ КАТОДОВ 75
3.1. Исследование длительной стойкости стержневых лантанированных катодов 75
3.2. Определение токовых нагрузок приводящих к образованию жидкой прослойки в части конуса 83
3.3. Исследование влияния параметров режима сварки на интенсивность роста «короны» 89
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДНОГО УЗЛА СВАРОЧНОЙ ГОРЕЛКИ МАТЕМАТИЧЕСКИМ МОДЕЛИРОВАНИЕМ 93
4.1. Верификация комплексной математической модели математической модели теплового состояния электродного узла 93
4.1.1. Верификация математической модели гидравлического сопротивления системы охлаждения 93
4.1.2. Верификация математической модели теплового состояния стержневой цилиндрической части электрода ..95
4.1.3. Исследование баланса энергии на поверхности катода98
4.1.4. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными о критических токах образования жидких прослоек 101
4.2. Исследование влияния геометрической формы на тепловой режим стержневого катода стойкость стержневых катодов 104
4.3. Разработка технологических рекомендаций по выбору сочетания силы тока диаметра и вылета катода 109
4.4. Разработка рекомендаций по проектированию систем охлаждения сварочных горелок 115
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 119
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 121
- Работоспособность стержневых вольфрамовых катодов и возможности ее повышения
- Разбиение электродного узла на области с характерным тепловым состоянием
- Исследование длительной стойкости стержневых лантанированных катодов
Введение к работе
При дуговой сварке в инертных газах в качестве неплавящегося элек, трода широко применяются стержни круглого сечения из вольфрама активированного присадками окислов редкоземельных элементов. Стержни устанавливаются в электрододержатель с некоторым вылетом, а их рабочий участок обычно выполняют в форме конуса с притуплением или без него. Такие электроды удобны в эксплуатации, позволяют восстанавливать рабочие характеристики переточкой, обеспечивают достаточно надежное зажигание и стабильное горение дуги.
Горелки для сварки неплавящимся электродом в инертных газах выполняют несколько функций: токоподвода, подвода и формирования потока защитного газа, отвода тепла от элементов подверженных нагреву проходящим током и дуговым разрядом. Реализация последней функции из указанных выше определяет не только ресурс работы ее конструктивных элементов, и горелки в целом, но и в значительной степени тепловой режим работы вольфрамового стержневого катода.
Данная работа посвящена исследованию влияния параметров аргоно-дуговой сварки: силы тока, диаметра и вылета электрода, конструкции рабочего участка электрода: угла конуса и диаметра его притупления, а также конструкции системы охлаждения электродного узла на стойкость вольфрамовых
8 лантанированных стержневых катодов и электродного узла горелки для арго-нодуговой сварки в целом при работе в стационарном режиме.
Изменение характеристик дугового разряда и формы сварного шва при сварке вольфрамовыми катодами зачастую связано с изменением геометрической формы катода [30,68]. В работе [68] при сварке швов длиной свыше 300мм из титана толщиной 6мм по слою флюса вольфрамовыми электродами марки ВЛ диаметром 5мм на токах 150-200А форма электрода изменялась настолько, что при сварке второго шва на том же токе достичь полного провара не удавалось.
Уменьшение глубины провара связано с притуплением заточенного на конус катода, так увеличение диаметра притупления с 0 до 1,5 мм приводило к снижению глубины проплавлення с 3,8 до 2,8мм (сравнение проводилось на токе 210А и при скорости сварки равной 0.59см/с, в качестве электродов использовались прутки из лантанированного вольфрама диаметром 4мм) [30].
Влияние диаметра притупления на форму провара объясняют изменением в распределении теплового потока и давления дуги, формы дуги [30,31], а притупление заточенных катодов в процессе сварки обычно связывают с катодным распылением [12,42,53]. Кроме притупления рабочего участка в процессе сварки на рабочей поверхности катода образуются наросты грибовидной формы, либо в форме дендритной короны [28,29,21,74,19,68,88]. В большинстве случаев рост короны связан с конденсацией вольфрама испарившегося с бо-
9 ковой поверхности электродного стержня в виде окислов вольфрама имеющих относительно низкую температуру кипения. Кроме того, имеются предположения об участии в процессе роста короны жидкого металла вытесненного из зоны привязки дуги [29]. Образование короны возможно уже через 1-2 минуты после зажигания дуги [88,68,19,21], ее разрастание приводит к перекидыванию на нее места привязки разряда, блужданию дуги, появлению в сварных соеди, нениях таких дефектов как непровары и отклонения шва от линии стыка [1,78].
При длительной работе (несколько часов) рядом авторов наблюдалось оплавление рабочей поверхности катода [15]. Причина - обеднение активатором. Последствия - оплавление рабочей поверхности электрода, потеря пространственной устойчивости, блуждание дуги.
Нерациональный выбор геометрических параметров катода приводит к появлению дефектов, нестабильности размеров сварного шва, вызывает необходимость частой переточки электродов. Изучение процессов, протекающих в теле и на поверхности катода, позволит улучшить качество сварных соединений, снизить расход вольфрама и трудоемкость сварочных операций.
Цель работы - повышение стойкости вольфрамового активированного стержневого катода и электрододержателя путем изменения теплового состояния электродного узла горелки для аргоно-дуговой сварки.
10 Задачи исследования:
Разработка математической модели теплового состояния электродного узла горелки для аргоно-дуговой сварки неплавящимся катодом и ее верификация.
Установление взаимосвязи между тепловым состоянием катода и характеристиками стойкости стержневого лантанированного вольфрамового катода.
Разработка технологических рекомендаций по проектированию электродных узлов сварочных горелок и выбору параметров режима аргоно-дуговой сварки вольфрамовым катодом, обеспечивающих стойкость катодов и надежную эксплуатацию горелок.
Научная новизна.
Разработана комплексная математическая модель теплового состояния электродного узла горелки для аргоно-дуговой сварки вольфрамовым катодом, адекватная экспериментальным данным в рабочем диапазоне силы тока 50-^400А. Модель учитывает теплопередачу в электрододержателе с водяным охлаждением, тепловые процессы в теле электродного стержня и на его поверхности, а также в зоне привязки дугового разряда.
Установлено, что у вольфрамовых лантанированных катодов с конической формой рабочего участка, при силе тока, превышающей критическое значение, зависящее от геометрической формы катода и условий его охлаждения, в сред- ней части конуса формируется жидкая прослойка. Притупление острия конуса в этом случае обусловлено разрывом жидкой прослойки.
Определена взаимосвязь угла заточки рабочего участка катода марки ЭВЛ диаметром 2 и Змм, а также силы тока и вылета стержня с показателями, определяющими стойкость стержневого катода - локальным разрушением на конусном и цилиндрическом участках, интенсивностью роста «короны», длительностью работы до потери пространственной устойчивости дугового разряда.
Практическая ценность.
Разработана методика теплового расчета элекрододержателей горелок для аргоно-дуговой сварки, позволяющая улучшить массогабаритные показатели проектируемых горелок и уточнить допустимые сочетания силы тока, диаметра и вылета электрода для существующих горелок.
Разработаны технологические рекомендации по выбору угла заточки рабочего участка стержневого катода, его диаметра и вылета для серийных горе лок ДРГА-400 и 1ГНА-315-180, позволяющие предотвратить перегрев электро-додержателя и разрушение катода, увеличить предельную токовую нагрузку до двух раз по сравнению с рекомендациями, приведенными в справочной литературе.
Методика теплового расчета электрододержателей горелок для аргоно-дуговой сварки и созданное на ее основе программное обеспечение, а также
12 технологические рекомендации по выбору геометрической формы стержневого катода внедрены на Уфимском агрегатном предприятии ФГУП УАП «Гидравлика».
На защиту выносятся.
Комплексная математическая модель теплового состояния электродного узла горелки для аргоно-дуговой сварки и результаты расчета теплового состояния.
Результаты экспериментального исследования стойкости стержневых ланта-нированных вольфрамовых катодов.
Механизм образования притупления у катодов с конусной заточкой рабочей части и зависимости критических токов образования жидкой прослойки от геометрической формы вольфрамовых стержневых катодов.
Технологические рекомендации по выбору диаметра и вылета стержневого катода, угла заточки рабочего участка.
Достоверность результатов работы обеспечивается статистической обработкой результатов экспериментальных исследований, удовлетворительные совпадением расчетных и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Технология и оборудование современного машиностроения» (Уфа, 1998 и 2000г.), «Проблемы современного энергомашиностроения» (Уфа, 2002), ме-
13 ждународных научно-технических конференции «Сварка. Контроль. Реновация» (Уфа, 2001 и 2002г.), Всероссийской научно-технической конференции «Теория и методика, повышение качества профессионального образования и аттестация специалистов сварочного производства» (Тольятти 2002).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Общий объем диссертации 136 страниц машинописного текста, диссертация содержит 41 рисунок, 6 таблиц, 88 цитированных источников.
Работоспособность стержневых вольфрамовых катодов и возможности ее повышения
В связи с тем, что свойства катодов и их изменение в процессе сварки оказывают значительное влияние на свойства сварного соединения, существует значительное количество работ посвященных их исследованию.
Выбор геометрической формы рабочего участка катода оказывает влияние на форму провара, надежность зажигания и стабильность горения дуги, стойкость самого катода, что сильно затрудняет выбор геометрической формы катода обеспечивающей приемлемое сочетание приведенных характеристик.
Для стержневых катодов с традиционной - конической формой рабочей поверхности, рекомендуемый диапазон углов заточки достаточно широк, в справочнике [76] рекомендуется выбирать угол заточки в пределах 20 -90,авторы монографии [76] указывают диапазон ЗСН-600. При выборе угла заточки рабочей поверхности из указанного диапазона, и диаметра притупления авторы [52] рекомендуют пользоваться следующими соображениями; стойкость катода, его способность сохранять длительное время первоначальную форму растет с увеличением угла заточки и диаметра притупления, однако при этом снижается пространственная устойчивость дугового разряда, и усложняется зажигание дуги. Поэтому, для малоамперных дуг, величину угла заточки рекомендовано уменьшать до 10-45, несмотря на то, что такая форма рабочей поверхности обеспечивает продолжительность работы катода не больше нескольких минут.
Проведенная в [66] оценка влияния геометрической формы рабочей поверхности катода на надежность зажигания дуги и стойкость катода (определялась по величине притупления) показала, что с ростом угла заточки стойкость увеличивается, а надежность зажигания дугового разряда снижается, и в случае, если технологический процесс требует многократного зажигания дугового разряда, авторы рекомендуют уменьшать угол заточки до 10-14.
При сварке толстолистового металла на токах превышающих 400-500А для повышения глубины провара используют процесс сварки неплавящимся погруженным электродом [24]. В этом случае для сварки могут использоваться катоды с заточкой рабочего участка на угол 15, с притуплением 0.2мм [87]. В статье [25] указывается, что выбор угла заточки 30-35, и притупления в форме полусферы с диаметром около 40% от диаметра электродного стержня позволяет использовать электроды диаметром 10мм при силе тока до 1200А. Повышение производительности, глубины провариваемой за один проход при сварке погруженным вольфрамовым электродом, связано в первую очередь с увеличение силы тока.
Работоспособность стержневых вольфрамовых катодов и возможности ее повышения
Проведенный в первой главе анализ позволил ограничить область, которую необходимо при исследовании теплового состояния вольфрамового активированного катода при аргоно-дуговой сварке стержневой катод (включая слой прикатодной плазмы) и электрододержатель с системой охлаждения (Рис. 2). Нагрев электродного узла производится проходящим током и дуговым разрядом. Учитывая осевую симметрию нагрева и охлаждения во всей исследуемой области распределение температуры может быть описано системой дифференциальных уравнений в частных производных:
(2.2) Поскольку на разных участках рассматриваемого объекта преобладают разные механизмы передачи тепла, нами было выделено три области - рабочая часть катода, стержневая часть катода и электрододежатель, обозначенные на Рис. 2 соответственно как I, II и III. Характер процессов в теле и на поверхно- сти электродного узла, определяющих его тепловое состояние, приведены в
Область, выделенная на Рис. 2 Вид температурного поля и внутренние источники нагрева
Теплообмен на поверхности
I - рабочая частькатода Двумерное осесимметричное температурное поле, объемный нагрев проходящим током Тепломассообмен с прикатодной плазмой
II - стержневая часть электрода Температурное поле близко к одномерному, объемный нагрев проходящим током Теплоотдача излучением и конвекцией
III - электродо-держатель Двумерное осесимметричное температурное поле, объемным нагревом можно пренебречь Конвективная теплоотдача в систему охлаждения
В связи с существенным различием определяющих тепловое состояние
узла и с учетом ограниченных персональным компьютером вычислительных возможностей потенциальных пользователей методики расчета, моделирование теплового состояния в отдельных областях рационально осуществлять раздельно.
Математическое описание теплового состояния рабочего участка катода
На поверхности рабочего участка катода можно выделить две области, отличающиеся по механизмам теплообмена (тепломассообмена) - участок по верхности вне зоны привязки дугового разряда и зону привязки. Кроме того, поскольку четкой границы между этими областями нет целесообразно введение в рассмотрение участка поверхности с промежуточными характеристиками теплообмена (Рис. 3).
На поверхности электрода вне зоны привязки дугового разряда присхо-дит теплоотдача излучением и конвекцией в газовой среде, окисление материала катода содержащимся в защитном газе кислородом, испарение и конденсация. В зоне привязки дугового разряда кроме уже перечисленных механизмов тепло передается катоду положительно заряженными ионами и обратными электронами плазмы, а уносится с поверхности катода эмиссионными электронами. Обмен электрическим зарядом происходит только в зоне привязки разряда, где суммарный ток складывается из составляющих связанных с движением ионов, эмиссионных и обратных электронов (см. формулу (1.8)).
Исследование длительной стойкости стержневых лантанированных катодов
Для исследования стойкости электродов и устойчивости горения дуги в стационарном режиме нами был проведен ряд экспериментов.
В качестве источника питания использовались выпрямители ВСВУ-315 и ВСВУ-630, обеспечивающие стабилизацию силы тока при колебаниях напряжения сети с точностью ±1%. Анодом служила медная пластина толщиной Рис. 6. Внешний вид экспериментальной 10мм с водяным охлаждением. тановки.
В качестве катода использовались прутки из лантанированного вольфрама 3BJ по ГОСТ 23949-80 диаметром 2 и Змм, с очищенной боковой поверхностью, заточенные на конус с углами при вершине 30, 45 и 60, без притупления. Стержневые катоды устанавливались в горелку для аргонодуговой сварки ДРГА-400 с вылетом 40мм, расход воды в системе охлаждения горелки составлял 1.5л/мин. Длина дуги устанавливалась равной Змм. Фотография экспериментальной установки приведена на Рис. 6. В качестве защитного газа использовался аргон первого сорта и высшего сорта по ГОСТ 10157-79, расход которого устанавливался равным 9л/мин. Эксперименты проводились с фиксированными значениями силы тока 100, 200 и 300А для электродов диаметром Змм, 100 и 200А для электродов диаметром 2мм.
Перед началом эксперимента на аналитических весах с точностью ±0,1мг измерялась масса электрода. Для измерения
зависимости уноса массы от врения электрода его устанавливали в горелку и снова зажигали дуговой разряд. В эксперименте нами определялись: зависимость уноса массы от времени горения дуги, и время работы электрода до отламывания части электрода или до потери пространственной устойчивости дуги.
Видимое невооруженным глазом притупление конуса отмечалось практически только у катодов диаметром Змм с заострением 30 и45 при силе тока 300А, причем у электродов заточенных на угол 30 отрыв части конуса происходил менее чем через минуту после зажигания дуги, а электроды, заточенные на угол 45, работали не более 10 минут. Разрушение электродов диаметром 2мм при силе тока 200А происходило в средней части электродных стержней после 80-157 минут работы, причем в диаметр стержней за время работы заметно уменьшался.
Во всех остальных случаях причиной прекращения экспериментов была потеря пространственной устойчивости электрической дуги. Так, в ряде случаев, у электродов диаметром 2 и 3 мм с углом заточки 30 при силе тока 200/ фиксировалось изменение пространственного положения дуги из-за отклонения части конуса от оси симметрии катода, как показано на Рис. 7. Во всех опытах с такими электродами, сразу после зажигания дуги, отмечено образование хорошо различимого на фотографиях кольцевого нароста, которое не всегда сопровождалось искривлением конуса и смещением электрической дуги.
Для всех исследованных диаметров электродов и углов заточки при силе тока 100А, а также для электродов диаметром 3 мм с углом заточки 45 и 60 при силе тока 200А, значительное влияние на время стабильной работы оказывал рост дендритной «короны» на конической части электродов выше зоны привязки дугового разряда. Рост «короны» при работе катода приводил к перекидыванию на нее привязки дуги (Рис. 8) и нарушению стабильности ее горения.
