Введение к работе
Актуальность работы.
В сварочном производстве для изготовления металлических конструкций применяются разнообразные виды сварных соединений. По экономическим и эксплуатационным характеристикам наиболее выгодными являются односторонние сварные соединения со свободным формированием корневого слоя шва (корня шва) на весу. Однако в силу низкой стабильности качественного формирования корня шва, зачастую, при изготовлении сварных конструкций предпочтение отдаётся более дорогостоящим и конструктивно сложным сварным соединениям с так называемым «гарантированным проваром» (двухсторонние сварные соединения, соединения с подваркой корня, с формированием корня на подкладке и т.д.).
Основным фактором, сдерживающим повышение стабильности формирования корня шва на весу, является высокая восприимчивость процесса сварки к возмущениям, в особенности к отклонениям параметров подготовки и сборки кромок под сварку по длине стыка. Вследствие этого, наблюдаются значительные отклонения размеров шва от проектных, включая непровары, провисы, прожоги.
Целью работы является повышение стабильности формирования корневого слоя шва в односторонних сварных соединениях и снижение уровня его дефектности, за счёт уменьшения восприимчивости процесса дуговой сварки к сборочным отклонениям.
Объект исследования - автоматическая аргонодуговая сварка
неплавящимся вольфрамовым электродом корня шва одностороннего сварного соединения. Предмет исследования - процесс формирования проплавлення кромок при сварке корня шва.
Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
-
Исследован механизм влияния отклонений параметров подготовки и сборки кромок на процесс сварки корня шва.
-
Разработана экспериментальная установка для сварки с управляемым тепловложением в кромки.
-
Исследованы физические особенности и определена область рабочих параметров сварки с управляемым тепловложением.
-
Разработаны технология и оборудование для сварки с управляемым тепловложением.
Методы исследований. Основные задачи решались экспериментальными и расчётными методами.
Для экспериментальной оценки количества тепла, передаваемого от сварочной дуги в кромки, применялся модифицированный метод разрезного анода-калориметра. Пространственное положение сварочной дуги на кромках фиксировалось фото- и видеосъёмкой.
При исследовании области применения способа сварки с управляемым тепловложением использованы методы математического планирования
эксперимента, регрессионного анализа и вычислительный эксперимент по предложенной математической модели.
Оценка качества формирования корня шва и проверка математической модели выполнялась визуально-измерительным контролем и исследованиями макрошлифов.
Расчёты и обработка данных велись с использованием методов прикладной математики и статистики, реализованных в пакетах прикладных программ (Mathcad 2001 Pro, MathLab, Statistica 6, Stadia).
Научная новизна работы.
Представлено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение механизма влияния отклонений параметров подготовки и сборки кромок на процесс формирования корня шва, проявляемого в эффекте преимущественной фиксации анодного пятна дуги на одной из свариваемых кромок в соответствии с принципом минимума Штеенбека.
Экспериментально подтверждена возможность целенаправленного управления перебрасыванием анодного пятна дуги с одной свариваемой кромки на другую за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля, и получены основные зависимости для управления, использование которых позволяет преодолеть эффект фиксации пятна на ближайшей кромке и выровнять тепловложение в кромки, что приводит к существенному уменьшению влияния сборочных отклонений на качество корня шва.
Разработана математическая модель расчёта тепловых процессов при сварке корня шва, учитывающая периодическое поперечное перемещение анодного пятна дуги с кромки на кромку.
Практическая значимость:
Созданы научные предпосылки широкого внедрения технологии и комплекта оборудования для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением в кромки, обеспечивающими меньшую восприимчивость к сборочным отклонениям, чем традиционная технология сварки (в 1,9 раза), что даёт возможность снижения стоимости оборудования для подготовки кромок под сварку до 2 раз и повышения общей производительности в 1,4 -1,5 раза.
Изготовлена опытная установка для сварки с управлением пространственным положением дуги путём изменения параметров её магнитного поля.
Разработаны методика расчёта размеров корня шва по параметрам сварки и соответствующий программный продукт.
Проведена опытная апробация разработанной технологии сварки и оборудования для её осуществления на базе ЗАО «Механомонтаж», и внедрение в ООО «Сварочные машины и технологии».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийском научно-технической конференции (ГОУ ВПО
«Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти) в 2006 г., на Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов (Южнороссийский государственный технический университет, г. Новочеркасск) в 2007 г., на Международной научно-технической конференции посвященной 155-летию со дня рождения Н.Г. Славянова «Славяновские чтения» (ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» г. Липецк) в 2009 г., на семинаре «Михаил Ломоносов» и «Иммануил Кант» (Институт Густава Стресеманна, г. Бонн) в 2009 г., на кафедре «Техника соединений и монтажа», (Дрезденский технический университет, Институт техники производства, Факультет «Машиностроения», г. Дрезден) в 2010 г.
Новизна и промышленная применимость полученных результатов подтверждается актами апробации и внедрения, патентом РФ.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 статьях, в том числе 3-х в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в патенте РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 102 наименований; содержит 207 страниц основного текста, 69 рисунков, 54 таблицы, 3-х приложений.
