Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что при соизмеримости трудоемкости сварочных работ с трудоемкостью остальных видов работ по производству металлоконструкций п; оизводитсльность сварки, как технологнче-. скн с южного процесса, выступает на первое у .чгго. Это относится в псраую очередь к конструкциям с протяженными швами.
Производительность электрической дуговой сиаркн в зависимости от тип;» сварного шва определяется:
при однопроходной сварке без разделки кромок - проплавляющей способностью дуги;
при многопроходной сварке с разделкой кромок и наплавочных работах - скоростью плавлення электродной проволоки.
Увеличение производительности процесса сварки за счет повышения, мощности душ и увеличения скорости сварки ограничено вследствие появления нежелательных гидродинамических явлений в сварочной ванне, ухудшающих формирование сварочного шва п, как следствие, работоспо-' собность сварного соединения. С повышением мощности душ возникают также мощные газодинамические потоки и электродинамические силы, увеличивающие разбрызгивание и угар электродного металла, развиваются такие нежелательные химические реакции-как окисление и азоттацна металла шва.
Поэзому при разработке новых технологических процессов дуговой сварки необходимо изыскивать способы сварки с глубоким проплэвленмем и высокой производительностью расплавления электродного металла без вышеуказанных нежелательных явлений.
В последние годы в повышпин производительности дуговой сварки и наплавки наметилось повое направление с использованием внешнего аксиального магнитною поли, которое обладает простотой технического кспол-
4 нения и возможностью бесконтактно влиять на процессы в зоне горешш дуги." Это позволяет устрашіть некоторые существенные недостатки, существующих способов как, например, наличие нлазмообразукшіего сопла, сложных оборудовании и приспособлений. Однако, промышленное использование данного способа затруднено малонзучениостыонроцессои при сварке в маї питом поле.
Поэтому разработка научных основ дуговой сварки и иаплазки во внешнем магнитном поле n&niicTcsf актуальной задачей.
Целью работы является разработка теоретических и технологических основ повышения производительности дуговой сварки и наплавки с помощью внешнего магнитного поля.
Методы исследований, использованные а работе, включали комплекс существующих и специально разработанных методик н оборудования.
Основные теоретические задачи работы реиіались методом математического моделирования гидродинамики капли и сварочной ванны в магнитном поле с применением математического аппарата магнит о-, гидро- и газодинамики низкотемпературной плазмы.
Движение расплава в сварочной ванне н характер силового воздействия на се поверхность под действием электромагнитных сил исследовали методом физического моделирования с применением легкоплавкого сплава Вуда. Влияние внешнею магнитного поля на сечение столба дуги определяли путем цветного фотографирования дуги.
Экспериментальные исследования каилепереиоса В дуге в'аксиальном магнитном поле проводили с помощью скоростной киносъемки.
Сравнительную оценку структуры, микротвердости металла шва и околошовной зоны, механических свойств сварных соединений при статическом растяжении, усталостную прочность определяли по стандартным методикам.
Научная иоціпиа работы состой.' с решении проблемы повышения производительности дуговой сварки и наплавки при использовании шіеш-иего аксиальною магнитного поля.
1'сшсннс проблемы базируется ни следующих основных положениях, выдвигаемых автором:
обоснован новый показатель для оценілі производительности дуговой сварки через площадь кромок металла, свариваемых в единицу времени;
установлены закономерности о характере распределения газодинамического давления дуги а пятне нагрева в аксиальном магнитном поле в' диапазоне индукций 0-0,3 Тл. Установлен линейный закон возрастания газодинамического давления с увеличением индукции магнитного поля;
- установлено, что при сварке немагнитных сталей к сплавов в пер'е-
' мешшм (50 Гц) аксиальном магнитном поле эффективность пляплення
основною металла заичнтелыю возрастает. При сварке ;ке матеггпых сталей вследствие шунтировании магнитного поля на изделие эффектив-иосгь плавления основного металла резко сшичяетгп:;
разработана физическая модель сварочной дуги, горящей в аксиальном магнитном поле. Теоретически показано и экспериментально под-' таер-кдеио, что а аксиальном магнитном поле столб дуга сжимается к оси вследствие чего степень сосредоточенности дуги в пятне нагрева возрастает более чем о 2 раза;
разработаны физическая и математическая модели процесса проплавлення основного металла в аксиальном магнитном поле при дуговой сварке непдавящимся электродом отличающиеся тем, что в них учтены смещение оси движущейся дуги относительно оси сварочной ванны, а также степень сосредоточенности дуги в пятне нагрева, указывающие, что в магнитном поле глубина проплавлення увеличивается в 2 раза;
теоретически обоснован и экспериментально раскрыт механизм воздействия аксиальною мапштного ноля на эффективность использования тепловой мощности дуги, подводимой к электроду, и скорость плавления
электродного металла. Установлен диапазон индукций машитного поля, в. котором увеличивается скорость плавлення электродной проволоки;
- сформирован принцип управлении формой проплавлення при сварке в переменном аксиальном машитиом поле (50 Гц). Это позволяет значительно расширить границы используемых при дуговой сварке и наплавке токов и увеличить производительность сварочных и поплавочных работ.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Разработан расчстіїо-аналіптічсскин метод определения оптимального режима дуговой сварки с глубоким проплавленном в продольном магнитном поле.
Разработан расчетно-аналитический и получены экспериментальные номограммы, позволяющие произвести выбор оптимального режима дуговой наплавки в продольном магнитном поле с высокой производительностью.
Разработаны технологический процесс и оборудование для однопроходной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом в аксиальном магнитном поле элементов из титановых и жаропрочных сплавов на никелевой основе без разделки кромок, обеспечивающих повышение производительности на 25-30%. Технология прошла опытно-промышленное опробывание на ряде изделий из титанового сплава ВТ-5 на Смоленском авиационном заводе. Ожидаемый годовой экономический эффект составил 20 тысяч рублей в ценах 1982 года.
Разработана технология дуговой сварки в постоянном - продольном малинном поле угловых швов из низколегированной стали 15ХСНД, обеспечивающая повышение производительности в 1,5 раза.
Технологии внедрена на Воронежском мостовом заводе при изготовлении мостовых конструкций. Экономический эффект составил 200 тысяч рублей в год в ценах 1988 года.
7 Paзрабої ana технология дуговой наплавки и переменном аксиальном магнитом поле (50 Гц) сталей с магнитными свойствами, позволяющая повисить скорость наплавки n 3 и более раз.
- показатель оценки производительности дуговой сваркі:,
результаты экспериментальных исследований газодинамического давлении дуги, степени сосредоточенности дуги и пятне нагрева н проплавляющей способности душ и продольном магнитном поле;
физическая п математическая модели процесса проплавлення' основного металла в продольном магнитном поле;
физическая модель дуги, горищей в продольном магнитном поле;
механизм воздействии продольного магнитного ноли на эффективное і ьплапленин электродной проволоки; .
-принцип управлении формой проплавлення в аксиальном магнитном ноле.
Лпртнщии pufiomu. Материалы диссертации докладывались на следующих семинарах: V Всесоюзная конференция по электронно-лучевой сварке (Киев, 1975 г.); Всесоюзная конференция Института проблем-литья АН УССР "Физнко-хнмнчеекие и теилофизпческие процессы кристаллизации слитков" (Киев, J.977 г.); Семинар "Технология и оборудование для,сварки и защитных газах" (Пенза, 19S0 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Экономия металла в машиностроении методами сварки" (Воронеж, 1983 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Новые процессы сварки, наплавки и газотермнческнх покрытий а машиностроении" (Таганрог, 1986 г.); Всесоюзный семинар "Применение импульсных процессов в сварке"(Ростов-на-Дону, 19S7 г.); Н-учно-зехннческая конференция "Пути повышения эффективности процессов.
8 сварки и наплавки" (Липецк, 1987 Г.); Республиканская конференция "Разработка и ішсдрение прогрессивных способов сварки и наплавки в машиностроении" (Алма-Ата, 1988 г.); Научно-техническая конференция, посвященная 60-летию Ш1СИ (Воронеж, 1991 г.); Научно-техническая конференции стран СНГ "Производство и надежность сварных конструкции" (Москва, 1993 г.); Международная паучно-техннчгская ' конференция "Металлургия сварки и сварочные материалы" (Санкт-Петербург, 1993 г.); Международная научно-техническая конференция "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1994 г.); Международная научно-техническая конференция "Сварка и родственные технологии в строительстве и стройиндустрни" (Москва, 1994 г.); Российская научно-техническая конференция "Современные проблемы сварочной науки и техники" (Воронеж, 1997 г.).
Пуб.шкашш. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа, п том числе 4 авторских свидетельства.
Структура к объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, изложенных на 386 страницах машинописного текста с 47 таблицами и 130 иллюстрациями, списка литературы, включающего 196 наименований и приложения.
Автор .считает своим долгом выразить благодарность д-ру .техн. наук, профессору БОЛДЫРЕВУ A.M. за большую помощь в планировании исследований и обсуждении результатов работы.