Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Предмет исследования и сущность научной задачи 11
1.1 Анализ области применения, достоинств и недостатков газовой сварки 11
1.2 Факторы, обуславливающие недостатки способа газовой сварки и методы их устранения 24
1.3 Задачи исследования 28
Глава 2 Разработка методики расчета и математической модели тепловых процессов при газовой сварке с применением комбинированного источника тепла . 30
2.1 Выбор схемы нагрева основного металла при газовой сварке с предварительным подогревом присадочной проволоки 30
2.2 Расчет нагрева и плавления присадочного металла при газовой сварке с применением комбинированного источника тепла .38
2.3 Расчет тепловой эффективности процесса газовой сварки с
применением комбинированного источника тепла 45
2.3 Расчет коэффициента теплообмена (а) и удельного сопротив
ления (р) в зависимости от температуры 51
Выводы 58
Глава 3 Методика проведения исследований 59
3.1 Экспериментальная установка газовой сварки с предварительным подогревом присадочной проволоки 59
3.2 Методика исследований влияния параметров газовой сварки с применением комбинированного источника тепла на форму, размеры шва, производительность и тепловую эффективность процесса 61
3.3 Методика исследования структуры, химического состава и механических свойств сварных соединений, выполненных газовой сваркой с применением комбинированного источника тепла 65
Глава 4 Экспериментальное исследование влияния параметров газовой сварки с применением комбинированного источника тепла на формирование шва и свойства сварного соединения 73
4.1 Исследование влияния конструктивных параметров модернизированной горелки на формирование сварного шва 73
4.2 Экспериментальное исследование нагрева и плавления основного металла при газовой сварке с применением комбинированного источника тепла 83
4.3 Экспериментальное исследование нагрева и плавления присадочной проволоки 92
4.4 Экспериментальная проверка производительности и тепловой эффективности процесса газовой сварки с применением комбинированного источника тепла 99
4.5 Исследование структуры, химического состава и механических свойств сварных соединений выполненных газовой сваркой с
применением комбинированного источника тепла 117
Выводы 125
Глава 5 Установка механизированной газовой сварки с применением комбинированного источника тепла. Разработка технологии выполнения сварочно-наплавочных работ 127
5.1 Типы сварных соединений и подготовка деталей под сварку 127
5.2 Рекомендуемые способы механизированной газовой сварки с применением комбинированного источника тепла 130
5.3 Выбор режима сварки 134
5.4 Техника сварки 139
5.5 Технико - экономические преимущества механизированной газовой сварки с применением комбинированного источника тепла 141
Выводы 143
Основные выводы 144
Список использованных источников 147
ПРИЛОЖЕНИЯ 154
Приложение 1. Акты внедрения результатов научных исследований
соискателя А.Д. Нирова по теме «Разработка и исследование способа
механизированной газовой сварки с предварительным подогревом
присадочной проволоки» 155
- Анализ области применения, достоинств и недостатков газовой сварки
- Выбор схемы нагрева основного металла при газовой сварке с предварительным подогревом присадочной проволоки
- Экспериментальная установка газовой сварки с предварительным подогревом присадочной проволоки
Введение к работе
Актуальность темы. Способ газовой сварки возникнув одним из первых являлся в СССР основным промышленным способом сварки металлов с начала до середины 20 века. В дальнейшем с развитием сварочной техники и появлением новых способов сварки этот способ был вытеснен из многих областей. Уменьшение области применения способа газовой сварки обусловлено недостатками присущими этому способу.
Несмотря на низкие: КПД, производительность и качество сварного соединения способ газовой сварки и в настоящее время находит свое применение в ремонтном и монтажном производствах. В ряде случаев способ газовой сварки является одним из основных. Так при монтаже трубопроводов низкого давления диаметром до 150 мм некоторые нормативные документы рекомендуют применение газовой сварки, а на авторемонтных предприятиях газовая сварка вместе с ручной электродуговой сваркой является основным способом, так там объем газосварочных работ достигает 15-20%.
Таким образом, учитывая, что способ газовой сварки является востребованным и необходимым при выполнении отдельных операции в монтажном и ремонтном производствах и то, что основной целью научно-технического прогресса является совершенствование существующих технологических процессов, становится очевидным актуальность разработки нового технологического процесса газовой сварки, который позволил бы свести к минимуму недостатки процесса газовой сварки.
Целью диссертационной работы является повышение качества, эффективности и производительности процесса газовой сварки за счет применения комбинированного источника тепла (конвективного тепла - газового пламени и тепла Джоуля-Ленца выделяющегося при прохождении электрического тока через присадочную проволоку) и механизации процесса подачи присадочной проволоки.
Для достижения цели исследования автором были поставлены следующие задачи:
1. Определить влияние газового пламени и тепла Джоуля-Ленца на нагрев основного и присадочного металлов: теоретически описать влияние газового пламени и тепла Джоуля-Ленца на нагрев основного и присадочного металлов; выбрать схему нагрева основного металла при механизированной газовой сварке с применением комбинированного источника тепла (с предварительным подогревом присадочной проволоки теплом Джоуля-Ленца).
Разработать методику и математическую модель расчета процесса газовой сварки с применением комбинированного источника тепла.
Модернизировать газовую горелку для механизированного способа сварки с применением комбинированного источника тепла. Определить возможность осуществления принципа раздельного регулирования теплосодержания основного и присадочного металлов при механизированной газовой сварке с применением комбинированного источника тепла.
Определить влияние параметров процесса газовой сварки с применением комбинированного источника тепла на механические свойства, химический состав, структуру, качество сварного соединения и производительность процесса.
Дать практические рекомендации для разработки технологии и средств механизированной газовой сварки с применением комбинированного источника тепла. Внедрить результаты исследования.
Объектом диссертационного исследования является исследование возможности регулирования термических условий формирования сварного соединения за счет раздельного регулирования тепловых потоков от газового пламени и тепла Джоуля-Ленца.
7 Предметом диссертационного исследования является механизация технологического процесса и применение комбинированного источника тепла при газовой сварке.
Методологические и теоретические основы исследования составили научные труды отечественных авторов: Н.Н.Рыкалина, М.Х.Шоршорова, И.Д.Кулагина, Н.Н.Клебанова, В.В. Фролова, Е.Н. Варухи, А.Н. Михайлова, Г.Л.Петрова, Д.Л. Поправка, Д.Л.Глизманенко, И.И. Ивочкина и др. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
Современные технологии в машиностроении - 2003. - Пенза, 2003.
Технологическое обеспечение качества машин и приборов. - Пенза, 2004
Современные тенденции развития автомобилестроения в России -Тольятти, 2004
Сварка и контроль - 2004. -Пермь, 2004.
Механики XXI- веку - Братск, 2005
Результаты исследования были также использованы в учебном процессе Кубанского государственного технологического университета.
По теме диссертации имеется 6 публикаций. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Ниров А.Д., Бабенко Н.Ф., Поправка Д.Л. Влияние предварительного подогрева присадочной проволоки на плавление . металла при полуавтоматической газовой сварке: Сб. докл. Всерос. с межд. участием научн.- техн. конф. поев. 150- летию со дня рожд. Н.Г. Славянова. Сварка и контроль - 2004. Пермь, 2004. - С. 248 - 253.
Ниров А.Д., Поправка Д.Л. Критерии оценки производительности и тепловой эффективности процесса газовой сварки с токоведущей присадочной проволокой: Сб. материалов. Всероссийская научно-практическая конф. Технологическое обеспечение качества машин и приборов. Пенза, 2004.-С. 182-185.
8 3. Ниров А.Д., Поправка Д.Л. Особенности металлургического процесса при полуавтоматической ацетилено-киелородной сварке с предварительным подогревом присадочной проволоки: Сб. ст. Четвертая Всерос. научн.-практ. конф. Современные технологии в машиностроении - 2003. - Пенза, 2003.-С. 112-113. 4. Ниров А.Д., Поправка Д.Л. Способ полуавтоматической газовой сварки: Сб. материалов Всерос. научно-техн. конф. с межд. участием. Современные тенденции развития автомобилестроения в России. Тольятти, 2004.-С. 24-26.
Поправка Д.Л., Ниров А.Д. Анализ горючих материалов, применяемых при газопламенной обработке металлов: Сб. материалов. Всероссийская научно-практическая конф. Технологическое обеспечение качества машин и приборов. Пенза, 2004. -С. 18-19.
Поправка Д.Л. Ниров А.Д., Лебедев А.В. Применение комбинированных источников тепла при газовой сварке: Сб. докладов IV межрег. научн.-техн. конф. с межд. участием. Механики ХХІ-веку. Братск,2005.-С.150-153
Научная новизна работы заключается в том, что:
Теоретически и экспериментально обоснованна возможность регулирования теплового состояния основного и присадочного металлов, сварочной ванны применением комбинированного источника тепла (конвективное - газовое пламя и джоулевое тепло выделяющееся в присадочной проволоке при прохождении электрического тока) при газовой сварке.
Экспериментально доказано, что раздельное регулирование тепловложения в основной и присадочный металлы позволяет сократить время пребывания основного металла, зоны термического влияния в области высоких температур, что позволяет получить мелкозернистую структуру сварного шва, повысить ударную вязкость, а также уменьшить зону термического влияния.
Разработана методика расчета и математическая модель тепловых процессов при механизированной газовой сварке с применением комбинированного
9 источника тепла. Данная модель позволяет определить все основные параметры процесса газовой сварки с применением комбинированного источника тепла (расход ацетилена Va, силу тока I, скорость сварки vCB и скорость подачи присадочной проволоки илр). С помощью модели можно решить прямую и обратную задачи.
Построена номограмма для определения скорости подачи присадочной проволоки для наиболее вероятных режимов газовой сварки с применением комбинированного источника тепла.
Разработан новый метод численного расчета постоянных коэффициентов: начального коэффициента теплоотдачи(а0,) начального удельного сопротивления (ро), коэффициента изменения теплоотдачи при изменении температуры на 1С (РД коэффициента изменения удельного сопротивления при изменении температуры при 1С ((Зр) для присадочной проволоки из малоуглеродистой стали. Что позволяет получить достоверные данные изменения коэффициента теплоотдачи (а) и удельного сопротивления (р) присадочной проволоки из малоуглеродистой стали в зависимости от температуры при механизированной газовой сварке с применением комбинированного источника тепла.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов впервые разработан и внедрен технологический процесс и оборудование для механизированной газовой сварки с применением комбинированного источника тепла.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений.
В первой главе проведен критический анализ достоинств и недостатков способа газовой сварки, рассмотрены факторы влияющие на область применения газовой сварки и способы повышения производительности, эффективности и качества газовой сварки. На основании анализа для достижения цели исследования были поставлены задачи исследования.
10 Вторая глава посвящена разработке методики расчета и математической модели тепловых процессов при механизированной газовой сварке с применением комбинированного источника тепла.
В третьей главе приведена методика и оборудование для проведения исследований.
В четвертой приведены результаты обработки экспериментальных исследований качественного и количественного влияния параметров режима сварки на физико-химические и технологические характеристики процесса, а также проведена экспериментальная проверка результатов рассмотренных в главе 2.
Пятая глава посвящена разработке технологического процесса механизированной газовой сварки с применением комбинированного источника тепла.
В выводах изложены основные научные результаты проведенных исследований по теме диссертационной работы.
В приложениях приведены акты внедрения результатов исследований в промышленность и акт о применении в учебном процессе.
Настоящая работа выполнена на кафедре «Машиностроения и автомобильного транспорта» в соответствии с госбюджетной темой 4.3.01 - 5, 47 «Совершенствование технологических процессов производства и ремонта машин».
Анализ области применения, достоинств и недостатков газовой сварки
В настоящее время газовая сварка широко используется при ремонте и изготовлении тонкостенных изделий из стали толщиной от 0,2 до 6 мм, сплавов цветных металлов, наплавочных работах, исправлении дефектов цветного, чугунного и стального литья [4,6 ,9,14-17,19,23,28,29,32,71 и др.].
Применение газовой сварки при ремонте машин, особенно в полевых условиях - сложная и ответственная операция, требующая учета всех факторов, которые влияют на качество ремонта, и тщательного выполнения технологических режимов и последовательности выполнения операций.
Сложность выполнения сварочных работ обусловлена:
разнообразием применяемых в конструкциях материалов;
широким диапазоном сочетаемых толщин деталей;
обеспечением в местах сварки прочности узла, равной прочности основного металла;
выполнением ремонтных работ по возможности без демонтажа дополнительных узлов.
Газовую сварку применяют при:
изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали (сварке сосудов и резервуаров небольшой емкости, заварке трещин, вварке заплат и пр.);
ремонте литых изделий из чугуна, бронзы, силумина;
монтаже трубопроводов (диаметром до 150 мм) и фасонных частей к ним;
соединении изделий из алюминия и его сплавов, меди, латуни и свинца;
соединении узлов конструкций изготавливаемых из тонкостенных труб;
наплавке латуни на детали из стали и чугуна;
ремонте деталей из ковкого и высокопрочного чугуна с применением присадочных прутков из латуни и бронзы.
Достоинствами газовой сварки являются:
сравнительная простота, мобильность;
возможность регулирования в широких пределах скорости нагрева и охлаждения свариваемого металла изменением тепловой мощности и положения пламени относительно места сварки;
возможность сварки в труднодоступных местах.
В связи с тем, что при газовой сварке используется пламя, которое является рассредоточенным источником тепла, то это приводит к ряду нежелательных явлений, таких как:
крупное зерно металла шва;
возникновение Видманштеттовой структуры;
большая зона термического влияния.
К другим недостаткам газовой сварки относятся: дороговизна ацетилена, низкое тепловое КПД и низкая производительность процесса, что вызвано также тем, что газовое пламя является рассредоточенным источником тепла.
Однако, несмотря на указанные недостатки, способ газовой сварки в настоящее время продолжает сохранять свое большое значение в ремонтном производстве, особенно при обслуживании и текущем ремонте машин в полевых условиях. Это подтверждается проведенным автором анализом работ, выполняемых ручной газовой сваркой при техническом обслуживании и ремонте машин различного назначения (таблица 1.1 [15-17,23,56,66,76,78,82]), а также данными по распределению трудоемкости ремонтно-обслуживающих работ сельскохозяйственной техники, приведенными в таблице 1.2 [78]. Из таблицы видно, что объем работ с применением газовой сварки значителен и вместе с ручной электродуговой сваркой является одним из основных способов по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей и сельскохозяйственной техники. Так на сегодняшний день объем газосварочных (ацетилено-кислородная сварка) работ при ремонте составляет 20% (рис. 1,1).
Выбор схемы нагрева основного металла при газовой сварке с предварительным подогревом присадочной проволоки
Сущность рассматриваемого способа газовой сварки заключается в применении комбинированного источника тепла для нагрева металла. При этом используются два источника тепла - газовое пламя и электрическая энергия (тепло, выделяющееся в присадочной проволоке при прохождении по ней тока по закону Джоуля-Ленца). При применении комбинированного источника тепла был использован принцип раздельного регулирования тепловложения в основной и присадочный металлы. Применение данного принципа заключается в том, что он позволяет нагрев и плавление основного металла осуществить за счет тепла газового пламени, а присадочного металла в результате совместного воздействия тепла пламени и электрической энергии. Идея применения принципа раздельного регулирования тепловложения в основной и присадочный металлы для сварки не нова, так она используется при электродуговой сварке с предварительным подогревом присадочной проволоки теплом Джоуля-Ленца [12,79-81 и др.]. Однако для способа газовой сварки она ранее не применялась, что позволяет нам впервые применить ее при разработке способа механизированной газовой сварки и наплавки. Это позволит снизить расход горючего газа и кислорода при газовой сварке, а также повысить ряд качественных показателей процесса сварки и наплавки.
1 - шлак; 2 - присадочная проволока; 3 - направляющий мундштук; 4 -смещение (расстояние между точками касания присадочной проволокой и оси пламени с поверхностью основного металла); 5 - мундштук горелки; 6 - ядро пламени; 7 - кратер (головная часть сварочной ванны); 8 - расстояние от сопла горелки до кратера; 9 - глубина провара; 10 - угол наклона присадочной проволоки к оси пламени (ф1); 11 - угол наклона оси пламени к поверхности свариваемого металла (ф); 12 - жидкий металл; 13 - наплавленный металл; 14 -основной металл; 15 - вылет присадочной проволоки; 16 - «сухой» вылет присадочной проволоки.
При известных значениях параметров комбинированного источника тепла (силы тока, расхода ацетилена и кислорода) достижение максимальной скорости процесса сварки возможно, если нагрев и плавление основного металла осуществлять в основном за счет тепла пламени, а присадочной проволоки за счет джоулевого тепла. Такое перераспределение тепла источников возможно, если присадочную проволоку вводить в ванну на некотором расстоянии от точки касания оси восстановительной зоны газового пламени с основным металлом. Тогда тепло в основной металл вводится через пятно нагрева. Очевидно, зону нагрева можно разграничить на две области, отличающиеся друг от друга интенсивностью теплового потока, что обусловлено характером ввода тепла:
1. Первая - область непосредственного формирования шва. При этом в жидкий металл ванны тепло вводится, как с нагретой до определенной температуры токоведущей присадочной проволокой, так и в результате воздействия пламени за счет лучистого и конвективного теплообмена между потоком горячих газов и соприкасающейся с ним поверхностью ванны. Тепло также выделяется за счет сопротивления самой ванны при прохождении по ней электрического тока.
2. Вторая область, находящаяся впереди первой, нагреваемая за счет теплопроводности от нагретого основного металла первой области и лучистого и конвективного теплообмена с пламенем.
Количество тепла, вводимого в ванну с нагретой присадочной проволокой, зависит от ее температуры предварительного нагрева (Тпр).
При Тпр Тв происходит передача тепла от ванны к присадочному металлу. Это ведет к уменьшению температуры сварочной ванны, «замораживанию» ее и уменьшению теплоотдачи [30]. Следовательно, газовую сварку с применением комбинированного источника тепла необходимо вести таким образом, чтобы соблюдалось неравенство Тпр ТВр Так же интенсивность теплового потока, вводимого в основной металл в первой области будет невелика. Кроме того, скорость сварки настолько значительна, что теплота от первой области почти не успевает распространяться на вторую.
Таким образом, во второй области происходит нагрев и плавление основного металла и сварочной ванны, а в первой области - ввод в ванну нагретого до температуры Тлр Тв присадочного металла и формирование шва.
Поэтому при расчетах нагрева основного металла принимаем такую схему, при которой нагрев и плавление основного металла происходит во второй области равномерно движущимся пламенем простой горелки.
Экспериментальная установка газовой сварки с предварительным подогревом присадочной проволоки
Для проведения исследований была создана экспериментальная установка работающая в автоматическом режиме в широких пределах изменения параметров сварки (рис. 3.1, таблица 3.1). Применение автоматизированного режима вместо механизированного вызвано тем, что позволяет устранить влияние человеческого фактора на исследуемые параметры и получить более достоверную модель процессов протекающих при сварке с применением комбинированного источника тепла, и на основании результатов исследований разработать механизированную газовую сварку с применением комбинированного источника тепла. 1-баллон с ацетиленом; 2- ацетиленовый редуктор; 3 - кислородный баллон; 4 кислородный редуктор; 5 - ротаметр РС-3 (для кислорода); 6 - ротаметр РС-3 (для ацетилена); 7,8 - манометры; 9 - амперметр; 10 — кассета с присадочной проволокой; 11 - выключатель пакетный; 12 - переключатель; 13 - ручка регулятора скорости; 14 - подающий механизм электрометаллизатор ЭМ-6; 15 - кронштейн; 16, 17 - кислородный и ацетиленовый шланги; 18 - горелка «Звезда»; 19 - гибкий шланг; 20 - токоведущий мундштук; 21 - ходовая тележка; 22 - электрический двигатель; 23 - редуктор; 24 - потенциометр; 25 -провода управления; 26 -рельсовый путь; 27 - сварочный кабель; 28 -селеновый выпрямитель ВСГ - ЗА; 29 - сварочный трансформатор; 30 -понижающий трансформатор. И - 140; 31 - автомат; 32 — станина. Электрическая схема установки приведена на рис. 3.2
Ц4313. В качестве электрического источника питания применен модернизированный низковольтный трансформатор от выпрямителя ВСГ - ЗА. Сила тока регулируется лабораторным автотрансформатором (ЛАТР-9А), подключенным к первичной обмотке трансформатора, а напряжение на выходе -переключением перемычек на панели Пн. Такая схема регулирования позволяет изменять силу тока и напряжения холостого хода источника тока в доста-точно широких пределах (таблица 3.1) при минимальной потере мощности источника питания.
Экспериментальные исследования проводились в широких пределах изменения условий режима сварки, охватывающих различные марки проволок, средние и повышенные плотности тока, изменение расхода ацетилена, скорости сварки и подачи проволоки, толщины основного металла и положения горелки. Основная группа опытов проводилась с использованием сварочной проволоки Св - 08Г2С диаметром 1,2 мм и горелки «Звезда» с наконечником №3. При этом мощность горелки подбирали с учетом рекомендаций для газовой сварки в зависимости от толщин свариваемых образцов. Сварка и наплавка производилась с использованием образцов из листовой малоуглеродистой стали марок: Ст. 3, сталь 20, сталь 45 толщиной от 0,8 до 6 мм.
Исследование нагрева и плавления основного металла тонких листов (толщиной не более 3-х мм) газовой сваркой с применением комбинированного источника тепла проводили на образцах размером 500x300x2 мм, выбранных так, чтобы исключить краевой эффект. Выбор толщины образца, равной 2 мм, объясняется тем, что, точность выявления изменения характера термического цикла сварки уменьшается при толщине образца меньше 2 мм - из-за возрастания теплоотдачи в окружающую среду и при толщине больше 2 мм — вследствие более интенсивного отвода тепла в массу металла образца.
При проведении опытов изменение температуры основного металла, зоны термического влияния и сварного шва определяли с помощью термопар, для этого применялись малоинерционные термопары типа хромель-копелъ. Термопары из хромель-копелевых проволок диаметром 0,3-0,5 мм приваривали разрядом конденсаторов в среднем сечении образцов и располагали по одну сторону от оси перемещения горелки (рис. 3.3). Выводы термопары присоединялись к термографу ЭГТП-09.
