Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВТАВР
1.1. Характеристика соединений втавр и способы их получения 9
1.2. Дуга, управляемая магнитным полем, как источник нагрева 15
1.3. Цель и задачи работы 29
Выводы по главе I 31
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ДУГИ В ЗАЗОРЕ МЕЖДУ СВАРИВАЕМЫМИ ВТАВР ДЕТАЛЯМИ
2.1. Экспериментальные установки и методика исследований 32
2.2. Распределение индукции УМП в зазоре между трубой и пластиной 49
2.3. Факторы, влияющие на движение дуги в зазоре между трубой и пластиной 68
2.4. Управление радиальным перемещением дуги 95
Выводы по главе 2 112
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ПСВД
3.1. Нагрев трубы 115
3.2. Нагрев пластины 130
3.3. Тепловой баланс при ПСВД тавровых соединений 140
Выводы по главе 3 156
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПСВД ТРУБ С ПЛАСТИНАМИ ВТАВР
4.1. Основы технологии ПСВД труб с пластинами втавр 158
4.2. Требования к оборудованию для ПСВД труб с пластинами втавр 184
4.3. Технико-экономические показатели внедрения технологии и оборудования ПСВД труб с пластинами втавр 189
Выводы по главе 4 195
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 198
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 202
ПРИЛОЖЕНИЯ 212
- Характеристика соединений втавр и способы их получения
- Экспериментальные установки и методика исследований
- Нагрев трубы
- Основы технологии ПСВД труб с пластинами втавр
Введение к работе
Одним из основных условий реализации важнейшей задачи, выдвинутой ХХУТ съездом КПСС, - усиление интенсификации общественного производства и повышение эффективности народного хозяйства - является ускорение научно-технического прогресса. Важная роль при этом отводится техническому перевооружению производства, быстрейшему созданию и повсеместному внедрению принципиально новой техники и материалов, применению в широких масштабах высокопроизводительной энерго- и материалосберегающей технологии [ I ] щ
К числу ведущих технологических процессов, оказывающих влияние на развитие многих отраслей народного хозяйства, относится сварка. Области её применения практически не ограничены -от радиоэлектронной промышленности до тяжелого машиностроения, от космического пространства до подводной среды. Однако, несмотря на успехи в разработке новых способов сварки,в промышленности и строительстве испытываются большие трудности в автоматизации сварки соединений, содержащих трубы и другие трубчатые детали малых поперечных размеров. В полной мере это характерно для соединений труб с пластинами втавр.
Автоматы для дуговой сварки такого типа соединений, как правило, специализированные и имеют относительно сложную конструкцию /~64_7, так как требуют устройства для вращения свариваемых деталей. Поэтому их применение целесообразно в серийном и массовом производстве. Другим недостатком таких автоматов является значительное усложнение их конструкции при необходимости сварки замкнутых, отличающихся от кольцевой конфигурации швов. В связи с этим для получения подобных стыковых и тавровых соединений широко применяется контактная сварка 13, 18, 25, 41_/, несмотря на ее высокую энергоемкость по сравнению с дуговой сваркой.
Особую сложность представляет автоматизация сварки деталей малого диаметра в связи с большой кривизной и малой протяженностью шва. Очевидно, для совершенствования изготовления соединений такого типа необходимо обеспечить перемещение по требуемому периметру источника нагрева при неподвижных свариваемых деталях. При этом оптимальным решением данной задачи явился бы отказ от перемещения сварочного инструмента. Основой такого решения может служить предложенный во Всесоюзном научно-исследовательском институте электросварочного оборудования (ВНИИЭСО) в конце 50-х годов способ сварки электрической дугой с вращающимися в магнитном поле анодным и катодным активными пятнами 2Х J у который позволяет с высокой эффективностью осуществлять сварку труб встык. Сущность способа заключается в том, что между торцами труб, располагаемых соосно на небольшом расстоянии друг от друга, возбуждают дугу, которая под действием управляющего магнитного поля (УМП) приводится во вращение, разогревая торцы. После достижения ими температуры плавления производится осадка.
В дальнейшем работы по развитию данного способа сварки, который с учетом его особенностей может быть назван"прессовой сваркой вращающейся дугой" (ПСВД), проводились как у нас в стране, так и за рубежом 27 ]'. Однако исследования как советских, так и зарубежных ученых и специалистов преимущественно затрагивают вопросы ПСВД труб встык, несмотря на существующую возможность получения соединений труб с пластинами втавр /"83, 86, 96, 977. - б -
ПСВД таких соединений имеет свои характерные особенности, что объясняется условиями создания УМП, характером движения дуги, формированием температурных полей в свариваемых деталях, а также рядом других факторов. Следовательно, результаты исследований ПСВД труб встык не могут быть однозначно перенесены на ПСВД труб с пластинами втавр.
В связи с этим целью настоящей работы явилась разработка технологии и оборудования ПСВД труб с пластинами втавр на основе управления движением дуги, обеспечивающего формирование требуемых температурных полей в свариваемых деталях.
Работа выполнена в соответствии с пунктом 30 ("Разработка и внедрение в производство новых прогрессивных технологических процессов сварки, наплавки и газопламенной обработки металлов") задания по постановлению СМ СССР от февраля 1980 года.
В результате проведения работы впервые установлен характер распределения индукции УМП в зазоре между трубой и пластиной. Измерена скорость движения дуги и установлено, что определяющее влияние на нее оказывают состояние и температура поверхности свариваемых деталей, а также плотность потока плазмы дуги. Установлен механизм воздействия аксиальной составляющей индукции УМП на движущуюся дугу. Показано влияние радиального смещения дуги и устойчивости ее движения на температурные поля свариваемых деталей. Определена энергетическая эффективность процесса ПСВД труб с пластинами втавр. Разработаны способы управления перемещением дуги при ПСВД труб с пластинами втавр и способ предварительного подогрева пластины. Это позволило обеспечить стабильность качества получаемых соединений и разработать промышленный образец сварочной установки.
Основные результаты работы прошли опробование на макете промышленной установки для ПСВД трубчатых элементов с опорными пластинами каркаса сиденья транспорта общественного пользования. Экономический эффект от внедрения одной установки на Львовском автобусном заводе в результате повышения производительности труда, экономии электроэнергии, электродной проволоки и защитного газа составит 27,5 тыс.руб.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Методика измерения частоты вращения дуги под действием УМП в зазоре между трубой и пластиной;
Вывод об определяющем влиянии состояния и температуры поверхности свариваемых деталей, а также плотности потоков плазмы на скорость движения дуги в магнитном поле;
Вывод об определяющем влиянии аксиальной составляющей индукции УМП на радиальное перемещение движущейся дуги;
Вывод о независимости нагрева свариваемых деталей от частоты устойчивого вращения дуги;
Необходимость 3...6 кратного увеличения тока дуги для обеспечения устойчивости ее движения в процессе осадки и интенсификации оплавления стыкуемых поверхностей;
Основные требования к оборудованию для ПСВД труб с пластинами втавр.
Автор выражает признательность сотрудникам кафедры сварочного оборудования Киевского политехнического института за содействие в выполнении работы; лично доктору технических наук, профессору Чернышу В.П. за ценные методические указания; кандидату технических наук, доценту Сыроватка В.В. за полезные советы при проведении экспериментальных исследований; а также со- трудникам Института электросварки им.Е.О.Патона Игнатенко В.Ю. и Котереву С.А. за помощь в проведении экспериментов и обработке полученных результатов.
Характеристика соединений втавр и способы их получения
Среди основных форм сварных соединений большую группу составляют соединения втавр. Существенной трудностью сварки таких соединений является несимметричность стыкуемых кромок в отношении отвода тепла. При равенстве толщин свариваемых деталей различие в интенсивности отвода тепла достигает двухкратной величины [ 62 J . В связи с этим для получения качественных соединений используют различные технологические приемы, например, колебания электрода при дуговой сварке.
Все многообразие форм соединений втавр можно условно разбить на две группы: соединения, имеющие незамкнутые сварные швы, и соединения с замкнутыми швами. Такое деление обусловлено технологией их получения.
В настоящее время существует большое количество способов сварки, позволяющих получить высококачественные соединения втавр, характеризующиеся необходимой и достаточной прочностью, выносливостью и устойчивостью. Применение того или иного способа определяется размерами свариваемых деталей, объемом и условиями производства, исходя из требования минимальной трудоемкости изготовления соединений. Особый интерес, однако, представляет анализ различных способов сварки труб с пластинами дуговая сварка покрытым электродом благодаря своей простоте и технологической гибкости получила самое широкое промышленное применение при производстве значительной части сварных конструкций, особенно в монтажных условиях / 31_/. Введение в покрытие различных легирующих элементов позволяет получить любой заданный состав металла шва при ограниченном ассортименте электродных проволок /"59, 69_/. Основным недостатком ручной дуговой сварки покрытым электродом является нестабильность качества, определяемого квалификацией сварщика, кроме того периодическая замена электрода приводит к снижению производительности труда и большим потерям металла на угар, разбрызгивание и огарки, составляющим до 30% стержня Ь9J.
Возможность выполнить швы в любом пространственном положении при толщине свариваемых деталей от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров, отсутствие операций по удержанию и удалению флюсов, возможность визуального контроля за положением электрода относительно стыка, меньшие требования к квалификации рабочих и повышение производительности по сравнению с ручной дуговой сваркой обусловили широкое применение в производстве автоматической и полуавтоматической сварки в защитном газе /"49_/. При серийном и массовом производствах большинство кольцевых швов малого калибра, в том числе рассматриваемых соединений труб с пластинами, выполняют в настоящее время полуавтоматической сваркой в защитном газе. Однако, как и при ручной дуговой сварке, качество выполненных швов определяется, прежде всего, квалификацией сварщика. Создание автоматов /"44, 51J оправдано лишь в случае массового производства однотипных изделий. Конструкция автоматов такого типа сложная /64 _/, так как они должны обеспечить надежное крепление свариваемых деталей, возможность регулирования скорости их вращения, надежное слежение сварочной головки (мундштука) по стыку. Если зона сварки расположена в труднодоступном месте или если конфигурация шва отличается от кольцевой, применение автоматов затруднено. Не менее важной причиной, обусловливающей необходимость поиска других способов сварки малокалиберных замкнутых швов, является недостаток сварочных материалов [ 41 J\
Ряд других способов сварки, таких как под флюсом, электрошлаковая, газопламенная, электронно-лучевая, лазерная, плазменная, также основанных на образовании общей для свариваемых деталей ванны расплавленного металла, в силу присущих им особенностей не могут быть использованы в широких масштабах для получения сварных тавровых соединений с замкнутым швом.
Экспериментальные установки и методика исследований
Крайне ограниченное количество сведений о процессе ПСВД труб с пластинами втавр и возникающая в связи с этим необходимость решения целого комплекса задач по исследованию и развитию данного способа сварки обусловили целесообразность использования в экспериментах свариваемых деталей из низкоуглеродистых сталей. Эти стали широко применяются в машиностроении и обладают хорошей свариваемостью / 48_/. При этом наибольшее распространение у нас в стране при производстве различных металлоконструкций получили трубы диаметром 22...52 мм с толщиной стенки 1,5...5 мм и пластины толщиной I...6 мм. Кроме того, автоматизация сварки деталей таких размеров является наиболее сложной (см. п.1.1).
Отсутствие в настоящее время серийно выпускаемого оборудования для ПСВД требовало создания специальной экспериментальной установки с целью проведения исследований и отработки технологии сварки.
Исследования распределения УМП в зазоре между трубой и пластиной и температурных полей в них, изучение движения дуги, а также измерения термического к.п.д. процесса проводились на экспериментальной установке, созданной на базе машины для контактной стыковой сварки MC-I602 (рис.2.1,а). Основным конструктивным преимуществом этой машины, определившим ее использование в качестве базы для экспериментальной установки, являлась легко доступность к зоне сварки, а также возможность быстрой установки и снятия свариваемых деталей, что обеспечивалось рычажными зажимами. Сварочный трансформатор машины был отключен, вместо него к зажимным губкам подключался выпрямитель сварочный ВДУ-І00І с падающей внешней характеристикой. Звучной привод осадки был заменен на пневматический. С этой целью в период проведения экспериментов на машину устанавливался пневматический цилиндр осадки машины для рельефной сварки МР-2507, развивающей усилие до 16,1 кН при давлении воздуха 44,1 10 Па.
Машина МР-2507 в свою очередь служила базой другой экспериментальной установки, предназначенной для отработки технологии ПСВД трубчатых элементов с опорными пластинами каркаса сиденья автобуса ЛАЗ (рис.2.1,6). Введение в пневмосхему машины дополнительного электропневматического клапана позволило возбуждать дугу между свариваемыми деталями путем развода предварительно закороченных деталей на величину фиксированного зазора. Блок управления установкой, собранный на базе регуляторов цикла сварки РВЭ-7 и РЦ-4-2, позволял осуществлять процесс сварки в автоматическом режиме. Более подробное описание установки представлено в работе / 24_7.
Нагрев трубы
Высокая скорость движения дуги в зазоре между трубой и пластиной, значительно превышающая скорость движения дуги в зазоре между торцами труб, является одной из основных особенностей процесса ПСВД труб с пластинами втавр. При этом, как показано в п.п.2.2 и 2.3, существует возможность управления скоростью движения дуги путем изменения в широких пределах величины и характера распределения индукции УМП в зазоре между трубой и пластиной.
Оценка возможного влияния скорости движения и, соответственно, частоты вращения дуги на глубину нагрева свариваемых деталей проводилась на основе анализа распространения тепла в теле трубы. Ограниченность толщины стенки трубы приводит к аксиальному направлению теплового потока, поэтому любые изменения глубины нагрева свариваемых деталей особенно заметно будут проявляться на трубе.
При расчете распространения тепла в теле трубы допускается, что мощность дуги равномерно распределена по толщине стенки трубы. Такое допущение, принимаемое и другими исследователями 53, 58_7, верно лишь для тонкостенных труб, когда активное пятно дуги охватывает всю толщину стенки» при условии, что радиальное смещение дуги не происходит. В реальных процессах радиальное смещение дуги вызывает неравномерное оплавление торца трубы даже если толщина ее стенки соизмерима с размерами активного пятна дуги.
Следовательно, математическое описание процесса распространения тепла при ПСВД труб с пластинами на основе принятых допущений будет отражать только качественную сторону. Количественные показатели изменения температуры могут несколько отличаться от реальных, особенно для ближайших к торцу точек трубы.
Основы технологии ПСВД труб с пластинами втавр
Формирование соединений при ПСВД, как и при всех других способах сварки давлением, происходит в результате сближения свариваемых деталей на расстояние, соизмеримое с параметром кристаллической решетки. Нагрев стыкуемых поверхностей вращающейся дугой позволяет уменьшить необходимую для сварки пластическую деформацию и снизить удельное давление осадки.
При ПСВД труб с пластинами втавр смятие существующих, а также вновь образуемых неровностей, возникающих в результате оплавления деталей, происходит, преимущественно, за счет пластической деформации трубы. Деформация пластины затруднена, что обусловлено, в частности, небольшой глубиной ее нагрева (см. п.3.2). Это требует повьшенных давлений осадки (150...200 МПа) по сравнению с ПСВД труб встык (60...100 МПа).
Некоторого уменьшения необходимых давлений осадки возможно добиться увеличением глубины нагрева трубы, что достигается при мягких режимах сварки. На таких режимах осуществляется длительный нагрев свариваемых деталей мальм током дуги. Так, при ПСВД трубы размером 42x2,6 мм с пластиной 0n = 4 мм полное закрытие зазора происходит после нагрева деталей дугой с током 140 А в течение 13,5 с при давлении осадки 130 МПа. Применение пониженных давлений осадки при мягких режимах оказывается возможным также благодаря равномерному оплавлению торца трубы и пластины (рис.4.1).
Однако наличие требуемого давления осадки еще не гарантирует получение качественного соединения. В процессе нагрева свариваемых деталей в зонах перемещения активных пятен дуги происходит интенсивное окисление поверхности металла. Последующая осадка и пластическая деформация трубы не позволяют полностью удалить окислы, препятствующие формированию соединения, из стыка. Как и при ПСВД труб встык /"68У, они подвергаются частичному сдавливанию и расплющиванию. Условия для удаления окислов и формирования сварного соединения улучшаются при наличии на поверхности торцов жидкой прослойки металла, которая к тому же заполняет пустоты в стыке, образующиеся в результате неполного смятия неровностей. Малый ток дуги не обеспечивает наличие жидкой прослойки на всей поверхности торца. Так, нагрев дугой током I = 170 А в течение tH = 14,1 с приводит к образованию на торце трубы размером 42x5 мм узкой полоски расплавленного металла шириной 1,8 мм и глубиной 0,2 мм (рис.4.2). Если происходит радиальное смещение анодного пятна, то жидкая прослойка образуется лишь на кромке торца. На пластине ширина катодного следа не превышает 1,5 мм. Жидкая прослойка при этом не образуется. Формирование сварного соединения в таких условиях возможно лишь на отдельных участках стыка.
Отсутствие необходимого нагрева пластины при сварке на мягком режиме является причиной невысокого качества сварного соединения, даже если жидкая прослойка сформировалась по всей поверхности торца трубы, толщина стенки которой в этом случае должна быть соизмеримой с поперечными размерами активного пятна дуги. Основными дефектами сварных соединений при сварке на мягком режиме являются окисные включения в стыке (рис.4.3).
Применение жестких режимов вызывает интенсивное оплавление свариваемых деталей и значительные выбросы расплавленного металла. Однако ввиду кратковременности процесса торцы деталей прогреваются на малую глубину, что препятствует протеканию пластических деформаций. Возникающие при оплавлении торцов неровности (рис.4.4) приводят, в результате, к образованию не-проваров (рис.4.5) или к полному отсутствию соединения на значительной площади контакта свариваемых деталей.
Таким образом, ни один из описанных режимов сварки, основанных на неизменном токе дуги, не позволяет получить высокое качество сварных соединений. Мягкий режим обеспечивает требуемую глубину нагрева трубы, но пластина остается сравнительно холодной и удаление окислов из стыка затруднено. Жесткий режим обеспечивает прогрев пластины и очистку торцов от окислов, но приводит к повышенной неравномерности оплавления.трубы и пластины. Однако комбинация этих режимов, составляющая сущность программированного режима или режима с импульсным увеличением тока дуги перед осадкой, позволяет использовать их преимущества, сводя к минимуму недостатки. Нагрев свариваемых деталей мальм током дуги с последующим его увеличением перед осадкой в 3...6 раз обеспечивает как требуемую пластическую деформацию трубы, так и интенсификацию оплавления торцов. Кроме того, с увеличением тока дуги возрастает скорость ее движения, а, следовательно, и частота обновления слоя жидкого металла в результате выброса верхних окисленных слоев из зоны сварки.
