Введение к работе
Актуальность работы. В криогенном машиностроении для изготовления элементов воздухоразделительных установок (ВРУ) - сварных сосудов и ёмкостей, технологических трубопроводов диаметром от 100 мм до 1000 мм применяются алюминиевые сплавы, из которых наибольшее распространение получил сплав АМг5. Для получения соединений элементов аппаратов и трубопроводов применяется плазменная сварка на постоянном токе обратной полярности без разделки кромок с использованием присадочной проволоки. Данный способ обеспечивает необходимую производительность процесса, удаление оксидной пленки и уменьшает степень влияния субъективного факторов на качество сварных швов. При этом для сварки элементов конструкции с толщинами до 20 мм применяется плазмообразующий и защитный газ аргон.
В последние годы в криогенном машиностроении наметилась тенденция к повышению рабочего давления в системах ВРУ до 20МПа, что в свою очередь привело к необходимости увеличения толщины свариваемых материалов до 30 мм. Сварные соединения должны обеспечивать требования по качеству сварного шва как по геометрии в поперечном и продольном сечениях, так и по сплошности шва. Помимо этого необходимо обеспечение прочностных характеристик швов и высокой технологичности процесса подготовки (сборки) под сварку.
Проанализированные кроме плазменной сварки способы сварки показывают, что получать сварные соединения, отвечающие требованиям конструкторской документации позволяют импульсные процессы.
В этой связи для решения проблемы обеспечения качества сварного соединения и повышения проплавляющей способности плазменной сварки целесообразно использовать раздельную импульсную подачу плазмообразующих газов.
Цель работы
Совершенствование процесса плазменной сварки на постоянном токе обратной полярности конструкций криогенного машиностроения путем использования моногаза или двух газов аргона и гелия с их периодически изменяемой подачей (расходом).
Методы исследования
Основные задачи работы решались аналитически с последующей экспериментальной проверкой. Функциональные связи процессов, протекающих при плазменной сварке при импульсной подаче плазмообразующих газов, определялись посредством составления и решения дифференциальных уравнений описывающих процессы. Экспериментальные исследования проводились на скорректированном по результатам аналитических исследований плазмотроне КАБ-3Ми, для которого были определены предельно допустимые нагрузки по силе тока и расходу плазмообразующих газов. Измерение вольт-амперной характеристики при импульсной подаче плазмообразующих газов производилось на специальном стенде с использованием аналого-самопишущего и регистрирующего прибора РМТ 49ДМ. Измерение температур по толщине сварного шва осуществлялось с использованием преобразователей термоэлектрических (термопар) типа ТХА (Сплав хромель и алюмель по ГОСТ Р 8.585-2001). Оптимизация режимов плазменной сварки производилось с использованием математических методов планирования экспериментов. Исследование геометрических параметров швов проводилось на макрошлифах, а анализ микроструктуры осуществлялся на микрошлифах. Для металлографических исследований применялись микроскопы МБС-9 OLYMPUS GX 51. Оценка механических свойств сварного шва производилась по стандартной методике, рекомендованной ГОСТ 6996.
Научная новизна работы
1. В результате анализа газодинамических процессов в плазмотроне носящий двустадийный характер, установлена зависимость скорости закрутки плазмообразующих газов от их подачи (расхода). На предварительной стадии скорость закрутки зависит от геометрии винтовых канавок, находящихся в корпусе плазмотрона. Окончательная скорость закрутки определяется физическими процессами в сопле плазмотрона. Было выявлено, что при раздельной подаче плазмообразующих газов в сопле плазмотрона происходит их смешение в результате взаимной диффузии. В канале сопла плазмотрона за счет термобародифузии осуществляется их разделение, причем гелий располагается в центре канала, а аргон на переферийной части.
2. Определена форма вольт-амперной характеристики процесса плазменной сварки в зависимости от силы тока и импульсной подачи плазмообразующих газов. Для этих целей использовались численное решение дифференциального уравнения Эленбааса-Хеллера и проведены соответствующие эксперименты.
3. Установлены механизмы формирования сварного шва, зависящие от подачи плазмообразующихся газов и определяющие геометрию сварного шва. При импульсной подаче газов механизм переноса металла является капельно-струйным, что позволяет получить геометрическую форму шва в поперечном и продольном сечениях, соответствующих установленным требованиям.
Практическая ценность работы заключается:
-
В разработке новой модели плазмотрона КАБ-3Ми, позволяющей осуществить раздельную одновременную подачу плазмообразующих газов, изменяя при этом состав и количество плазмообразующей смеси.
-
В получении качественного сварного шва по геометрическим параметрам и сплошности за счет импульсной подачи плазмообразующих газов.
-
В возможности обеспечения сварки алюминиевых сплавов толщинами до 30 мм за один проход с заданной геометрией шва.
-
В разработке практических рекомендаций по режимам плазменной сварки и технологии сварки конструкций криогенных аппаратов и трубопроводов и создание на этой основе опытно-промышленной установки.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения» (Сварка - XXI век) (Липецк, 2009 г), на научно-техническом совете ОАО «Криогенмаш» (Балашиха, 2007 г.), на первой международная конференции «Соединение алюминиевых конструкций» (Москва, 2007 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ и 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 180 страницы машинописного текста, включая 74 рисунка и 33 таблицы. Список использованной литературы включает 124 наименований.
