Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Проблемы, возникающие при дуговой сварке 12
1.2. Анализ появления дефектов сварного шва 20
1.3. Особенности способов и систем управления формированием сварного шва 30
1.3.1. Существующие способы управления формированием сварного шва 28
1.3.2. Анализ существующих способов импульсного питания
и систем для их реализации 36
1.4. Цель и задачи исследований 38
ГЛАВА 2. СВАРОЧНАЯ ВАННА КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Характеристика сварочной ванны 41
2.2. Движения жидкого металла сварочной ванны при импульсном питании в различных пространственных положениях и в щелевую разделку 43
2.3. Модель движения жидкого металла в сварочной ванне при импульсном питании сварочной дуги 49
2.4. Определение расчетной величины жидкой прослойки при сварке в щелевую разделку 57
2.5. Влияние импульсного питания на структуру сварного шва 61
Выводы 65
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПРОЦЕССА СВАРКИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПИТАНИИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
3.1. Исследовательский комплекс для проведения экспериментов процесса сварки в С02 при импульсном питании сварочной дуги 67
3.2. Разработка технологических рекомендаций режима сварки в щелевую разделку при импульсном питании 69
3.2.1. Влияние ширины разделки на свойства сварного шва 70
3.2.2. Влияние скорости сварки на свойства сварного шва 76
3.2.3. Влияние частоты следования импульсов на свойства сварного шва 79
3.3. Разработка технологических рекомендаций режима сварки в различных пространственных положениях при импульсном питании 82
3.3.1. Влияние среднего значения сварочного тока 83
3.3.2. Влияние параметров импульсов 85
3.3.3. Влияние пространственного положения 87
Выводы 89
ГЛАВА 4. СПОСОБ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ СВАРКИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПИТАНИИ
4.1. Способ сварки при импульсном питании 91
4.2. Устройства для сварки 95
4.2.1. Устройство для дозирования энергии 95
4.2.2. Устройство для сварки 99
4.3. Искусственная формирующая линия 104
4.4. Система с комбинированной импульсной модуляцией во время паузы 109
Выводы 116
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
5.1. Статические характеристики системы питания для сварки с комбинированной импульсной модуляцией сварочного тока во время паузы 117
5.1.1. Расчет статических характеристик разомкнутой системы 117
5.1.2. Расчет внешней характеристики и характеристики режима дуги замкнутой САР 120
5.2. Переходные процессы в системе КИМ 123
5.2.1. Расчет переходных процессов разомкнутой системы 122
5.2.2. Расчет переходных процессов замкнутой системы 126
5.3. Устойчивость комбинированной импульсной системы питания для сварки 132
5.4. Расчет и выбор основных элементов силовой части системы КИМ 136
5.5. Экспериментальные исследования системы КИМ 140
5.6. Анализ технико-экономических показателей процесса сварки с импульсным питанием в щелевую разделку 143
Выводы 145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147
ЛИТЕРАТУРА 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 168
- Проблемы, возникающие при дуговой сварке
- Характеристика сварочной ванны
- Исследовательский комплекс для проведения экспериментов процесса сварки в С02 при импульсном питании сварочной дуги
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Сварка является одним из ведущих технологических процессов создания материальной основы современной цивилизации. Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий. До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений. Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы в любых условиях - на Земле, в морских глубинах и в космосе. Толщина свариваемых деталей колеблется от микрометров до метров, масса сварных конструкций - от долей грамма до сотен и тысяч тонн. Во многих случаях сварка является единственно возможным или наиболее эффективным способом создания неразъемных соединений.
В различных странах мира в сварочном производстве заняты не менее 5млн. человек, из них 70-80% на электродуговых процессах. Мировой рынок сварочной техники и услуг возрастает пропорционально росту мирового потребления стали и к началу XXI века составил по оценке специалистов, не менее 40млрд. дол., из которых около 70% составляют сварочные материалы и около 30% - сварочное оборудование. Лидирующее положение на рынке сварочного оборудования занимает оборудование для дуговой сварки [1].
Несомненно, что сварка плавлением останется основой сварочного производства. Современные способы сварки плавлением основаны на использовании поверхностных источников нагрева с интенсивностью от МО4 до 1-10 ...Ы09Вт/с м2. Казалось бы, что при столь широком диапазоне интенсивности не должны возникать проблемы поиска новых способов нагрева металла. А между тем, они существуют. Одной из таких проблем является связь между интенсивностью источника нагрева и давлением на жидкий металл. При низкой интенсивности нагрева проплавление основного металла осуществляется путем теплопередачи через жидкий металл. При более высокой интенсивности со стороны источника нагрева действуют силы
6 электромагнитного происхождения, которые частично вытесняют расплавленный металл из ванны и тем самым способствуют проплавленню основного металла (при дуговой механизированной сварке).
В настоящее время внедрение средств автоматизации сварочных работ при монтаже остается на очень низком уровне. Одним из вопросов является устаревшая технология процесса сварки. Совершенствование технологических приемов должно проходить в тесной взаимосвязи с созданием новых способов сварки и оборудования для их реализации.
Поэтому проблема разработки новых способов сварки и средств, которые предоставляли бы более широкие возможности для автоматизированного управления процессом сварки, является на сегодняшний день актуальной.
Сварка, с помощью которой возможно решить ряд технологических задач, а именно, снижение разбрызгивания, управление переносом электродного металла, управление формированием шва, улучшение технологии сварки в щелевую разделку, возможность выполнения сварки во всех пространственных положениях, улучшение качества сварных соединений, уменьшение вероятности образования дефектов - это импульсно-дуговая сварка.
Поэтому создание устройств, обеспечивающих более совершенную технологию процесса сварки, также является перспективным направлением в развитии сварочного производства. К ним относятся устройства, которые обеспечивают автоматическое управление процессом плавления и переноса электродного металла, а также управление процессом формирования сварочной ванны, и, следовательно, сварного шва (геометрические размеры, механические и химические свойства металла шва).
В соответствии с этим в диссертационной работе проведены исследования по разработке технологии и оборудования для автоматической сварки в среде углекислого газа плавящимся электродом при импульсном питании сварочной дуги.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка технологии сварки при импульсном питании в среде углекислого газа в щелевую разделку и средств ее реализации с автоматическим управлением сварочными процессами.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
В первой главе выявлены проблемы, возникающие при дуговой сварке. Рассмотрены достоинства и недостатки технологий традиционных способов сварки в различных пространственных положениях и в щелевую разделку. Рассмотрены причины появления дефектов и поведение расплавленного металла в сварочной ванне. На основе работ российских и зарубежных ученых проведена классификация способов удержания сварочной ванны, а также анализ способов и систем процесса сварки плавящимся электродом в углекислом газе при импульсном питании. Сформулированы цель работы и задачи исследований.
Во второй главе приведены характеристики сварочной ванны. Проведен анализ осциллограмм, совмещенных с кинограммами, процесса плавления, переноса электродного металла и поведения поверхности сварочной ванны при импульсном питании. Разработана модель движения жидкого металла сварочной ванны при импульсном питании в щелевую разделку. Предложена методика определения величины жидкой прослойки между дугой и кромкой разделки для получения бездефектного формирования шва. Разработана схема воздействия импульсного питания на кристаллизацию сварочной ванны и структуру сварного шва.
В третьей главе предложена и апробирована методика определения ширины разделки. Исследовано влияние параметров импульсов на формирование шва при сварке в С02 в щелевую разделку. Экспериментально подтверждена методика определения величины жидкой прослойки между дугой и кромкой разделки для получения бездефектного формирования шва. Разработаны технологические рекомендации режима сварки в щелевую
Проблемы, возникающие при дуговой сварке
Совершенствование подготовки сварочного производства и организации работ, внедрение эффективной технологии, обеспечение необходимыми материалами, оборудованием, инструментом, применение прогрессивных методов контроля следует отнести к первоочередным задачам современного сварочного производства.
Важной задачей является выбор технологического процесса сварки изделия. Оптимальность этого выбора в значительной степени зависит от состояния сварочного производства и тенденций его развития. Наиболее распространенным видом сварки является дуговая сварка плавлением (рис. 1.1). Ручная дуговая сварка применяется и в заводских условиях, и на монтаже. Объемы применения ручной дуговой сварки в строительно-монтажных отраслях составляют в среднем от 45 до 95% [6]. Общий процент снижения ручной сварки обеспечивается за счет внедрения механизированных способов сварки в СОг, под флюсом, порошковой проволокой. Выбор способа сварки определяется не только формой изделия и стремлением к получению высокой производительности процесса [7,8,9], но и технологией, которая создает возможность производства сварочных работ предпочтительно в нижнем положении с применением средств механизации и автоматизации. Но даже при использовании средств механизации и автоматизации остается часть работ, выполняемых в положениях, отличных от нижнего (рис. 1.2). Еще одной особенностью сварки крупногабаритных конструкций является необходимость использования металлов больших толщин, поэтому технологический процесс предусматривает разделку кромок (рис. 1.3). Опыт показывает, что наибольшее число технологических ошибок возникает именно на стадиях подготовки кромок, и что именно неправильная подготовка стыков к сварке является причиной дефектов сварных соединений.
Технология, связанная с уменьшением объема наплавленного металла при сварке за счет сокращения площади разделки кромок, т.е. сварка в щелевую разделку, является рациональным направлением повышения работоспособности сварных конструкций при высокой экономической их эффективности.
В настоящее время существуют различные технологические приемы при сварке в узкую щелевую разделку. Рассмотрим наиболее применяемые технологии сварки в узкую щелевую разделку.
Впервые использование сварки в щелевую разделку упоминается в работе [10]. В ней представлен опыт использования способа сварки в узкую (I-образную) разделку стыковых соединений в Японии. Данный способ, выполняемый в среде аргона и углекислого газа, имеет следующие особенности:
-для предотвращения возможных технологических нарушений процесса, вызванных неизбежным разбрызгиванием при сварке, электрод предварительно тщательно выправляют специальными роликами и вводят точно по центру разделки;
-смесь газа, состоящую из равных долей аргона и углекислого газа, подают в дугу через сопло, установленное над поверхностью разделки; -вылет электрода поддерживается в процессе сварки постоянным, для чего подвижную контактную втулку (в виде трубки) вытягивают из сопла сварочной горелки по мере изменения высоты шва; при этом сопло скользит по подвижной контактной втулке, оставаясь на некотором расстоянии над кромкой разделки;
-для поддерживания постоянным вылета электрода следует использовать проволоку сравнительного большого диаметра (большой жесткости); плотность тока в это случае невелика и саморегулирование процесса подачи проволоки малоэффективно;
Характеристика сварочной ванны
Сварочная ванна образуется из расплавленного основного и электродного металла. В установившемся процессе количество расплавленного и кристаллизующегося в единицу времени металла в среднем одинаково и ванну можно считать находящейся в квазистационарном состоянии. Размеры, формы поверхности проплавлення и наружной поверхности сварочной ванны, ее объем, и ряд других характеристик зависят в основном от основных параметров режима сварки, а также от производительности процесса расплавления электродного металла [9].
Основными характеристиками ванны являются ее геометрические размеры, объем, формы наружной поверхности и поверхности проплавлення (рис. 2.1.) [152].
Рис. 2.1. Схема сварочной ванны: Нв - глубина сварочной ванны; Нви -глубина сварочной ванны под дугой; В - ширина шва; L длина шва; D -расстояние от центра до наплавленного металла; С - расстояние от центра до основного металла; а - угол переднего фронта; р - угол заднего фронта кристаллизации
Эти характеристики зависят в основном от теплофизических свойств свариваемого металла, основных параметров режима сварки и энергетических свойств сварочной дуги.
Расчетная оценка объема, формы и размеров сварочной ванны - это сложная задача, аналитическое решение которой в настоящее время пока не найдено.
Однако современная теория распространения тепла в свариваемых изделиях, разработанная Н.Н.Рыкалиным [153], позволяет с достаточной степенью точности определять необходимые характеристики сварочной ванны. Это дает возможность использовать расчеты для качественного анализа процессов, протекающих в сварочной ванне и на ее границе. Для количественного анализа в работе [154] введены поправки, определяемые экспериментально и позволяющие более точно определять форму зоны проплавлення и размеры сварочной ванны.
В процессе сварки форма и размеры сварочной ванны зависят не только от теплофизических свойств металла и параметров режима сварки, учитываемых уравнениями распространения тепла, но также и от внешних сил, действующих на поверхности сварочной ванны. К этим силам, прежде всего, относятся: силы поверхностного и межфазного натяжения, возникающие на границе раздела фаз в связи с их искривлением; давление дуги - сумма сил, возникающая в результате дугового разряда и капельного переноса металла; вес жидкого металла сварочной ванны. Внешняя поверхность сварочной ванны, а также форма образующегося наплавленного валика во многом зависит от действия этих сил. Если при сварке в нижнем положении эти силы на обычно применяемых режимах не берутся особо во внимание, то при сварке в других пространственных положениях (потолочном, вертикальном, горизонтальном) они играют главную роль в обеспечении нормального формирования сварного шва. Поэтому исследование основных закономерностей формирования шва при сварке в различных пространственных положениях необходимо начать с определения величин этих сил и их зависимостей от основных параметров режима сварки.
Для объяснения возникновения дефектов, возможности управления сварочной ванной, формой и размерами сварного шва, управлением удержания сварочной ванны в пространственных положениях, отличных от нижнего, необходима идеализация, т.е. приведение к определенной модели.
Исследовательский комплекс для проведения экспериментов процесса сварки в С02 при импульсном питании сварочной дуги
Эксперименты проводились на лабораторном комплексе (рис. 3.1), в состав которого входит следующее оборудование: сварочный источник питания ВДУ-506УЗ; источник импульсов сварочного тока ИРС-1200АДМ; сварочный стенд-кантователь (для сварки в различных пространственных положениях рис. 3.1.а,б); автомат для сварки ГСП-2; блок управления сварочными процессами БАРС-2В; газовая аппаратура [157].
Основной элемент системы импульсного питания - модулятор (импульсное регулируемое сопротивление) выполнен в виде приставки к сварочному источнику постоянного тока, например, ВДУ-506УЗ, ВДМ-1001УЗ, ВДМ-1601УЗ. Источник питания ВДУ-506УЗ применен со следующими доработками: в силовой части отключены дроссель и уравнительный реактор для обеспечения требуемого фронта нарастания импульса сварочного тока. Модулятор предназначен для механизированной и автоматической сварки плавящимся электродом длинной дугой в среде активных и инертных газов, их смесях и открытой дугой проволокой сплошного сечения и порошковыми проволоками во всех пространственных положениях.
Принцип работы и функциональная схема ИРС-1200АДМ представлена ниже.
На рис. 3.2 представлена функциональная схема системы импульсного питания, предназначенная для питания сварочной дуги последовательностью импульсов сварочного тока (по программе). Она может быть использована для механизированной или автоматической сварки в СОг плавящимся электродом, порошковой проволокой и самозащитной голой электродной проволокой.
Функциональная схема системы импульсного питания состоит из следующих элементов: источника питания ИП (в качестве которого может использоваться стандартный источник питания, имеющий жесткую или пологопадающую характеристику); балластного реостата R ; тиристорного ключа.
В непроводящем состоянии тиристорного ключа протекает ток паузы, определяемый величиной сопротивления балластного реостата Re- На тиристорный ключ с блока управления подается управляющие сигналы, благодаря чему ключ переходит в проводящее состояние, в цепи начинает протекать ток импульса. Амплитуда импульса ограничивается дросселем, находящимся в цепи и длительностью импульса. В случае срыва коммутационных процессов сварочная проволока является своего рода предохранителем и при резком возрастании амплитудного значения сварочного
Так как импульсно-регулируемое сопротивление обеспечивает высокую надежность, не требует специальных знаний для обслуживания системы и легко запускается в производство, поэтому все дальнейшие исследования проводились с использованием данной функциональной схемы для импульсного питания сварочной дуги.
Более подробно устройство модулятора ИРС 1200АДМ, принципиальная схема и изменения будут рассмотрены в главе 4.
