Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке 11
1.2. Материалы, применяемые для изготовления контактных наконечников сварочных горелок 19
1.3. Способы изготовления контактных наконечников 23
14. Анализ способов увеличения ресурса работы контактных
наконечников 24
1.5 Цель и задачи исследований 27
Глава 2. Процессы, протекающие в контакте наконечник -сварочная проволока 29
2.1. Характер и критерии износа контактного наконечника 29
2.2. Характеристики электрической цепи контактный наконечник-изделие 33
2.3. Тепловые процессы в контакте наконечник - сварочная проволока 41
Выводы по главе 2 49
Глава 3 Исследование износостойкости контактных наконечников 50
3.1. Методика проведения исследований контактных наконечников на механический износ 50
3.2. Механическая стойкость контактных наконечников, изготовленных из различных материалов 53
3.3. Влияние скорости подачи сварочной проволоки на механический износ контактных наконечников 56
3.4. Влияние состояния поверхности сварочной проволоки на механический износ контактных наконечников 60
3.5. Исследование стойкости контактных наконечников в процессе сварки 62
Выводы по главе 3 66
Глава 4. Влияние износа контактного наконечника на стабильность процесса сварки 68
4.1. Исследование влияния износа контактного наконечника на потери электродного металла на угар и разбрызгивание 68
4.2. Исследование влияния износа контактного наконечника на стабильность подачи сварочной проволоки 74
4.3. Исследование влияния износа контактного наконечника на процесс возбуждения дуги 77
Выводы по главе 4 81
Глава 5. Разработка мероприятий по увеличению ресурса работы контактных наконечников 82
5.1. Снижение набрызгивания электродного металла на поверхность контактного наконечника 82
5.2. Усовершенствование механизма подачи сварочной проволоки 87
5.3. Разработка способа восстановления изношенных контактных наконечников 91
5.4. Классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников 96
Выводы по главе 5 102
Основные выводы и результаты работы 104
Список литературы 107
Приложения 114
- Конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке
- Характер и критерии износа контактного наконечника
- Методика проведения исследований контактных наконечников на механический износ
Введение к работе
Широкое использование механизированной сварки плавящимся электродом в машиностроении и необходимость дальнейшего повышения ее эффективности (увеличения производительности, улучшения качества, снижения трудоемкости и стоимости работ) повышают требования ко всем узлам сварочных аппаратов, в том числе и к деталям, применяемым в сварочных горелках.
Горелка является наиболее важным узлом сварочного аппарата. В случае сварки плавящимся электродом в горелке закрепляется устройство для направления подачи электродной проволоки в зону сварки и подвода к ней электрического тока - контактный наконечник (рисунок 1).
Конструкции контактных наконечников весьма разнообразны. В горелках для механизированной сварки в защитных газах плавящимся электродом в основном применяются цилиндрические контактные наконечники со сплошным электродопроводящим каналом. В качестве материалов для изготовления наконечников применяются медь и ее сплавы, композиционные материалы на основе меди и др., обладающие хорошей электропроводностью и износостойкостью.
Рисунок 1 - Конструкция сварочной горелки: 1 - изоляционная втулка; 2 -мундштук; 3 - контактный наконечник; 4 -газоподводящее сопло
В процессе сварки при прохождении электродной проволоки контактный наконечник быстро изнашивается, в результате чего нарушается электрический контакт с проволокой, что в свою очередь вызывает нарушение стабильности подачи проволоки, нарушение стабильности процесса сварки, увеличение потерь электродного металла на угар и разбрызгивание. Потери, вызванные изнашиванием наконечника, возрастают в 1.5-2 раза по сравнению с периодом нормальной эксплуатации, а производительность процесса сварки при этом снижается на 5 - 8%.
По данным машиностроительных предприятий эксплуатационная стойкость контактного наконечника составляет в среднем одну рабочую смену. Затраты на приобретение контактных наконечников в год составляют порядка 20 - 25 тыс. рублей на один сварочный пост.
Анализ существующих данных показал, что в настоящее время отсутствуют конкретные рекомендации по выбору материалов контактных наконечников, а также не существует мероприятий по повышению ресурса их работы.
Целью работы является: разработка мероприятий по повышению ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок, применяемых при механизированной сварке в углекислом газе на основе теоретического анализа и экспериментальных исследований процессов, протекающих в контактной паре, износостойкости контактных наконечников и влияния износа контактных наконечников на процесс сварки.
Для достижения поставленной цели необходимо:
Провести теоретический анализ и экспериментально исследовать процессы, протекающие в контактной паре наконечник -сварочная проволока;
Исследовать контактные наконечники из различных материалов на износостойкость;
3. Исследовать влияние износа контактных наконечников из различных материалов на стабильность процесса сварки;
4. Разработать устройство и мероприятия по снижению износа контактных наконечников; < 5. Разработать способы восстановления работоспособности изношенных контактных наконечников.
Научная новизна работы: -Проведен анализ тепловых процессов и экспериментально установлено распределение температур вдоль оси контактного наконечника в процессе сварки. Источниками нагрева наконечника являются: теплота сварочной дуги; теплота, выделяющаяся в контакте наконечник - сварочная проволока; теплота брызг расплавленного /- металла; теплота, выделяющаяся при прохождении тока через наконечник. Основное влияние оказывают теплота сварочной дуги и теплота, выделяющаяся в контакте наконечник - сварочная проволока; -Получены эмпирические зависимости износа контактных наконечников от времени работы при различных условиях, позволяющие прогнозировать потерю массы наконечника в заданном промежутке времени. Определена эмпирическая зависимость механического износа наконечника от скорости подачи сварочной проволоки и общее уравнение зависимости износа от скорости подачи проволоки и времени работы; -Определено влияние износа контактного наконечника на потери электродного металла, стабильность подачи сварочной проволоки и процесс зажигания дуги при механизированной сварке в С02. Установлено, что коэффициент потерь электродного металла на угар и разбрызгивание (//, в результате износа наконечника увеличивается независимо от материала наконечника. Наблюдается снижение 9 стабильности подачи проволоки при износе контактного наконечника, а также ухудшение процесса зажигания дуги; -Проведена классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников сварочных горелок на основе * теоретических и экспериментальных исследований; -Разработаны рекомендации по применению контактных наконечников из композиционного материала ДУКМ М70; меди М1 и меднохромоциркониевого сплава (CuCrZr) для различных режимов сварки.
Практическая ценность работы: Теоретические и экспериментальные результаты работы доведены до конкретных формул и методик. Разработаны мероприятия по увеличению ресурса f работы контактных наконечников сварочных горелок. Разработан эффективный способ восстановления работоспособности изношенных контактных наконечников. Результаты работы внедрены на ОАО «Металлургмонтаж» г. Юрга (экономический эффект в ценах 2006 г. составил 7500 руб. на один сварочный пост).
Диссертационные исследования и разработки используются в учебном процессе ЮТИ ТПУ студентов специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» по курсам «Методология научных исследований», «Технология и оборудование сварки плавлением», «Научно-исследовательская работа студентов».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов, протекающих в контактной паре наконечник - сварочная проволока. Эмпирическая зависимость температуры нагрева наконечника от времени сварки при различных режимах;
2. Результаты исследований износостойкости контактных Щ наконечников, изготовленных из различных материалов.
Эмпирические зависимости износа контактных наконечников от времени работы;
Результаты исследования влияния износа контактного наконечника на потери электродного металла на угар и разбрызгивание, стабильность подачи электродной проволоки и процесс зажигания сварочной дуги;
Классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников сварочных горелок;
Способы увеличения ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок.
Апробация работы. Результаты данной работы заслушивались на: 1-й Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения», Томск, сентябрь, 2002; ІХ-Й Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, апрель, 2003; Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, апрель, 2003; 11-й Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, апрель, 2004; Научно-технической конференции «Наука - Образование - Производство», посвященной 60-летию Нижнетагильского технологического института УГТУ-УПИ, Нижний Тагил, октябрь, 2004; 111-й Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», Пенза, февраль, 2005; ХІ-й Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», Томск, апрель, 2005; 111-й Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, май, 2005; IV-й Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, май, 2006; Международной научно- практической конференции «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества», Новокузнецк, май, 2006.
Материалы по теме диссертации опубликованы в журналах: «Сварочное производство», статья «Сварочные токоподводы, применяемые при автоматической и механизированной сварке плавлением», №12, 2004 г; «Сварка в Сибири», статья «Материале- и ресурсосбережение контактных наконечников, применяемых в сварочных горелках для механизированной сварки в С02», №2, 2005; «Сварка в Сибири», статья «Оценка способности защитных покрытий, применяемых при сварке в углекислом газе, к нанесению методом окунания», №1, 2006; «Сварка в Сибири», статья «Снижение набрызгивания расплавленного металла на детали сварочной горелки при механизированной сварке в С02», №1, 2006.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Сварочное производство» ЮТИ ТПУ.
Практические результаты экспериментальных исследований, полученных в диссертации, экспонировались на выставках «Машиностроение-2003» - Москва, «Россварка-2003» - Москва, Китайской Международной Ярмарке по технологии и продукции патентов. Китай, г. Далянь, 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, втом числе один патент на изобретение (РФ) и один патент на полезную модель (РФ).
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах составляет не менее 60%.
Работа состоит из пяти глав.
В первой главе рассмотрены конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке и материалы, применяемые для их изготовления, проведен анализ существующих способов увеличения ресурса работы контактных наконечников сварочных горелок, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрен характер и критерии износа контактных наконечников, приведены характеристики электрической цепи контактный наконечник - изделие, описаны тепловые процессы в контакте наконечник - сварочная проволока.
Третья глава посвящена исследованию механической стойкости контактных наконечников из различных материалов, стойкости контактных наконечников в процессе сварки. Исследованию влияния скорости подачи сварочной проволоки и состояния ее поверхности на механический износ контактных наконечников.
В четвертой главе исследовано влияние износа контактных наконечников на потери электродного металла на угар и разбрызгивание, стабильность подачи сварочной проволоки и процесс зажигания дуги.
В пятой главе представлены мероприятия по увеличению ресурса работы контактных наконечников: способы снижения набрызгивания электродного металла на поверхность контактного наконечника, разработка усовершенствованного механизма подачи сварочной проволоки, разработка способа восстановления изношенных контактных наконечников. Приведена классификация факторов, влияющих на ресурс работы контактных наконечников. Разработаны рекомендации по применению контактных наконечников из композиционного материала ДУКМ М70; меди М1 и меднохромоциркониевого сплава (CuCrZr) для различных режимов сварки.
Конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке
В сварочных автоматах и полуавтоматах подвод тока от источника питания к электродной проволоке осуществляется скользящим контактом через детали то ко подводя ще го устройства. Конструкции устройств для подвода тока к сварочной проволоке весьма разнообразны, их классификация проведена в работе [1].
Основные конструктивные признаки устройств для подвода тока к
сварочной проволоке:
1. Возможность компенсации отклонения размеров электродопроводящего канала от проектных;
2. Создание контактного нажатия;
3. Тип электродопроводящего канала;
4. Количество деталей и сочетание материалов деталей токоп од водящего устройства.
Возможность компенсации отклонения размеров электродопроводящего канала от проектных. Устройство для подвода тока к сварочной проволоке служит дольше, если его конструкция обеспечивает возможность компенсации указанных отклонений. Различают некомпенсируемые (рисунок 1.1,а) и компенсируемые токоподводящие устройства. В свою очередь компенсируемые могут быть дискретно компенсируемые (рисунок 1.1,б,в,г), непрерывно компенсируемые (рисунок 1.2,а,б,в) и Р непрерывно-дискретно компенсируемые (рисунок 1.2,г). К некомпенсируемым и дискретно компенсируемым устройствам относится трубчатый токоподвод (рисунок 1.1,а,г) предназначенный для тонкой электродной проволоки диаметром 0.8 - 2 мм. Контактным элементом этого устройства является сменный наконечник 1, который крепится к корпусу устройства при помощи резьбы или накидной гайки.
К дискретно компенсируемым устройствам относится цанговый токоподвод (рисунок 1.1,6). Контактным элементом этого устройства являются контактные вкладыши, поджимаемые к сварочной проволоке. К этому же типу устройств относится токоподвод с поджимным контактным лепестком (сапожковый токоподвод) (рисунок 1.1,в). Предназначен для сварки тонкими проволоками диаметром 08-1,2 мм.
К непрерывно компенсируемым устройствам относится сборный токоподвод с разрезными контактными вкладышами (рисунок 1.2,а). Его конструкция довольно сложная, но дает возможность устанавливать и поддерживать в заданных пределах оптимальные условия токосъема. К этому же типу устройств относится универсальный токоподвод (рисунок 1.2,6), позволяющий производить сварку электродной проволокой всех диаметров. Имеет прижимное устройство и контактный элемент 1 для направления сварочной проволоки и подвода к ней тока. Еще одним представителем непрерывно компенсируемых устройств является колодочный токоподвод (рисунок 1.2,в), состоящий из двух медных колодок с прорезями. Для уменьшения износа колодок в них вставляют сменные контактные элементы 1 с различным размером канавок. Используется для сварки проволоками диаметром 3-5 мм.
Характер и критерии износа контактного наконечника
В процессе сварки при прохождении электродной проволоки электродопроводящий канал наконечника подвергается износу. Работа и износ контактных частей зависят от внешних условий и свойств используемых материалов. Основные физические процессы, протекающие в контакте наконечник - сварочная проволока, характеризуются двумя видами изнашивания Механический износ возникает вследствие трения поверхностей обоих контактов (проволоки и контактного наконечника) в условиях, когда на поверхности попадают различные абразивные частицы, и режущего действия насечки, образующейся на поверхности электродной проволоки от роликов подающего механизма. Он также вызывается контактным давлением и выражается в механическом переносе частиц материала контактного наконечника на электродную проволоку. На механический износ решающее влияние оказывают твердость материалов, контактное давление, прочность материала на сдвиг, состояние поверхности проволоки и скорость ее подачи.
Контактное давление Рк является весьма важным параметром. Как чрезмерное увеличение его, так и уменьшение резко снижают надежность работы контактного наконечника. При увеличении контактного давления до некоторого критического значения износ практически мало меняется, далее же пластическое передеформирование контактирующей поверхности заменяется резанием, в результате чего на поверхности появляются задиры -резко возрастает механический износ. При уменьшении контактного давления уменьшается механический износ, но увеличивается сопротивление переходной зоны, ухудшается прилегание проволоки к каналу наконечника - возрастает электроэрозионный износ. Так как стабильность контактного давления зависит в основном от удельной жесткости, то последняя должна быть невысокой - порядка 10% от уровня номинальной нагрузки. Верхний предел контактного давления, определяемый по допустимому критическому давлению, для большинства материалов контактных наконечников и стандартной электродной проволоки не должен превышать
Нижний предел определяется допустимым сопротивлением переходной зоны Rn и может быть рассчитан для принятого материала контактного наконечника по формуле:
где с - коэффициент, зависящий от качества обработки и состояния контактных поверхностей и находящийся в пределах 1,5 - 3,0; НВ - твердость материала контактного наконечника по Бриннелю; Rn -допустимое сопротивление переходной зоны, Ом; р - удельное сопротивление материала контактирующих поверхностей, большее по абсолютному значению удельного сопротивления материала проволоки или наконечника, Омсм.
Электроэрозионный износ вызывается мостиковой, дуговой и искровой эрозией, дуговой коррозией и горячим свариванием. Он тем выше, чем выше плотность тока и меньше стабильность контакта. Электроэрозионный износ зависит от электрофизических свойств материала контактного наконечника [2].
В начале работы при новом контактном наконечнике и небольшом переходном сопротивлении между наконечником и проволокой износ начинается с образования углубления в месте контакта. В дальнейшем электрический контакт ухудшается вследствие большой выработки отверстия наконечника, появления в нем оксидных пленок, а также загрязнения канала наконечника. Последняя стадия износа то ко л од водя щей детали характеризуется резким ухудшением токосъема из-за значительного увеличения переходного сопротивления в контакте и колебаниями фактической величины вылета и угла наклона электрода. В ряде случаев на этой стадии износа происходит прихватка электродной проволоки к наконечнику. В результате его чрезмерного износа нарушается стабильность режима и нормальный процесс сварки, а прихватка проволоки к наконечнику приводит к тому, что сварка совсем прекращается [23].
Характер и критерии износа контактного наконечника
Механический износ контактного наконечника является неотъемлемой частью общего процесса износа наконечника при эксплуатации. Он возникает вследствие трения поверхностей обоих контактов (проволоки и токоподводящих деталей) в условиях, когда на поверхности попадают различные абразивные частицы, и режущее воздействие насечки, образующейся на поверхности электродной проволоки от роликов подающего механизма.
Исследования механической стойкости контактных наконечников из различных материалов проводились при помощи экспериментальной установки [43], представленной на рисунок 3.1.
Установка состоит из двух блоков: подающее устройство и принимающее устройство.
Подающее устройство. На раме 6 установлена кассета 5 от сварочного полуавтомата ПДГ-508 со сварочной проволокой и подающий механизм 3 полуавтомата А-765. В подающем механизме закреплен мундштук 2 сварочной горелки в который установлен исследуемый контактный наконечник 1.
Подающий механизм приводится в действие асинхронным трехфазным электродвигателем напряжением 36 вольт.
Скорость подачи проволоки настраивается при помощи сменных шестерен и составляет 58 -740 м/ч. Подача электродной проволоки осуществляется двумя парами роликов. Все четыре ролика ведущие, что позволяет обеспечивать необходимое усилие проталкивания проволоки при небольшом усилии их прижима, в результате этого уменьшается деформация проволоки. Подающие ролики сменные с насеченной поверхностью и без. Управление подающим механизмом осуществляется при помощи блока управления 12 сварочного полуавтомата А-765.
Принимающее устройство. На раме 8 установлена принимающая кассета 10 от полуавтомата ПДГ-508 и электродвигатель постоянного тока 7. Вращение принимающей кассеты осуществляется при помощи ременной передачи 9. Число оборотов двигателя регулируется блоком управления 11, который представляет собой выпрямитель ВСА - 5К. Технические характеристики выпрямителя: напряжение питающей сети U = 220В, выпрямленное напряжение UB = 0 - 65В, выпрямленный ток lB = 0 -12А.
Работа установки. На подающее устройство устанавливается кассета со сварочной проволокой. В мундштук, закрепленный на подающем механизме, устанавливается исследуемый контактный наконечник. На подающем механизме специальным устройством разжимаются подающие ролики. Сварочная проволока пропускается через подающие ролики, мундштук с наконечником и ее конец закрепляется в кассете принимающего устройства.
Подающие ролики зажимаются, затем одновременно включаются подающее и принимающее устройства при помощи блоков управления. Проволока протягивается через контактный наконечник тем самым вызывая его механический износ.
Методика исследования механической износостойкости контактных наконечников изготовленных из различных материалов заключается в следующем:
-подбирают контактные наконечники из материалов, которые необходимо исследовать одинакового типоразмера, обезжиривают, взвешивают на электронных или аналитических весах с точностью до тысячной доли грамма;
-подбирают сварочную проволоку, в сочетании с которой будут поводиться исследования, соответствующего диаметра;
-подбирают подающие ролики механизма подачи проволоки, необходимые для исследования;
-устанавливают при помощи сменных шестерен необходимую скорость подачи проволоки;
-наконечник устанавливают в мундштук на экспериментальной установке, кассету со сварочной проволокой устанавливают в подающее устройство установки, протягивают проволоку через подающие ролики, мундштук с наконечником и закрепляют в принимающем устройстве;
