автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение эффективности работы неплавящихся электродов при сварке алюминия и его сплавов дугой переменного тока прямоугольной формы

На правах рукописи

М-^о

Савинов Александр Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ НЕПЛАВЯЩИХСЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ СВАРКЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ ДУГОЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Специальность 05.03.06 - Технологии и машины сварочного

производства .. ..

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2000

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор ЛЫСАК В.И.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

ЛАПИН И.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, член-корресподент РАН АЛЕШИН Н.П.

кандидат технических наук КИРИЛИЧЕВ Н.В.

Ведущая организация: ПО "Баррикады" (г. Волгоград)

Защита состоится 15 декабря 2000 г. в 12 — на заседании диссертационного совета Д 063.76.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Автореферат диссертации разослан « /о» Но*вря 2000 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

С.В. Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследования дугового разряда как физического явления проводились многими российскими и зарубежными физиками: И.Г. Кесаевым, В.Ф. Гордеевым, A.B. Пустогаровым, A.M. Дородновым, Н.П. Козловым, Я.А. Поме-ловым, М.Ф. Жуковым, П.А. Шоексм, A.D. Morris, W.C. Core и др. Этими же вопросами применительно к сварочным процессам занимались Г.И. Лесков, B.C. Гвоздецкий, А.Н. Тимошенко, К.К. Хренов, Г.М. Тиходеев. Проблемам повышения качества сварных соединений посвящены многочисленные работы российских ученых: В.Н. Вол-ченко, Н.П. Алешина, А.К. Гурвича и др. Дуговому разряду постоянного и переменного тока с неплавящимся электродом и применением его для сварки в инертных газах посвящены работы О.Н. Ивановой, Д.М. Рабкина, В.М. Ямпольского, W.F. Savage, S.S. Strunck, V. Nishikava и др.

Проведенные раннее системные исследования по нагреву и стойкости вольфрамовых электродов на переменном токе выполнены в основном с применением в качестве источников питания трансформаторов, обеспечивающих горение дуги переменного тока с близкой к синусоидальной кривой его изменения. Частота последнего составляет 50 Гц при равных длительности и амплитуде импульсов тока прямой и обратной полярности.

Работами А.Я. Ищенко, А.Г. Покляцкого, М.Р. Яворской, А.Г. Чаюна и др. показано, что наиболее эффективным способом воздействия, как на работоспособность неплавящихся электродов, так и на технологические свойства дуги при сварке на переменном токе является применение источников питания переменного тока с прямоугольной кривой его изменения, позволяющих раздельно регулировать длительность и амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности.

В последнее время созданы и начали применяться для сварки алюминия ин-верторные источники питания дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения и возможностью регулирования длительности импульсов прямой и обратной полярности. В большинстве случаев эти источники питания не позволяют раздельно изменять амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности. Направленное же изменение этих параметров позволяет в широких пределах воздействовать на проплавляющую способность дуги, качество катодной очистки и, в конечном итоге, на производительность и качество сварки.

Очевидно, что изменение соотношения импульсов и амплитуды тока прямой и обратной полярности будет приводить к изменению величины теплового потока в неплавящийся электрод и, как следствие, его стойкости. Прогнозирование таких из-, менений необходимо для правильного выбора электрода и оптимального варианта его применения, что обуславливает необходимость исследования условий работы неплавящихся электродов и поиск путей приведения их к оптимальным при ссзрг.е алюминия с применением инверторных источников питания. Актуальность этих исследований обусловлена все более широким применением источников питания ин-верторного типа при дуговой сварке цветных металлов.

Цель работы. Целью работы является повышение работоспособности неплавящихся электродов с дугой переменного тока прямоугольной формы на основе ис-:ледования их теплового состояния и разработка рекомендаций по эффективному применению их при сварке алюминия и его сплавов.

На защиту выносятся: 1. Новая конструкция источника питания дуги переменного тока прямоугольной формы, обеспечивающая возможность регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности.

2. Методика оценки теплового состояния неплавящихся электродов.

3. Результаты исследований влияния амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности на тепловой баланс и работоспособность неплавящихся электродов.

4. Результаты исследований влияния конструкции рабочего участка неплавящихся электродов на их работоспособность при сварке дугой переменного тока прямоугольной формы.

5. Рекомендации по выбору неплавящихся электродов для сварки алюминия и его сплавов дугой переменного тока прямоугольной формы и повышению их работоспособности.

6. Технология сварки конструкций из алюминия разнополярными прямоугольными импульсами тока.

Достоверность результатов проведенных исследований, объекты и методы исследования. Объектом исследования являлись неплавящиеся электроды, в качестве которых применялись прутки диаметром от 2 до 5 мм из технически чистого вольфрама (ЭВЧ), вольфрама с оксидами лантана (ЭВЛ) и иттрия (ЭВИ), рабочий участок которых затачивали на полусферу и на конус, а также композиционные электроды и полые катоды. Основные задачи решались расчетными и экспериментальными методами. Достоверность выполненных в работе исследований базируется на применении современных высокоточных методов и средств измерений, а также на использовании математических и статистических методов обработки результатов экспериментов с помощью ЭВМ и соответствующего стандартного программного обеспечения. Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью всех основных положений другими исследователями и непротиворечивостью полученных результатов существующим представлениям о физических процессах в дуговом разряде постоянного и переменного тока с неплавящимся электродом.

Научная новизна работы. Установлено, что тепловой баланс неплавящегося электрода зависит от соотношения длительностей и амплитуд импульсов тока прямой и обратной полярности. Впервые показано, что при относительной длительности импульсов тока обратной полярности, не превышающей 0,125 - 0,25 от времени периода, тепловые условия работы и стойкость неплавящихся электродов соответствуют таковым при сварке на постоянном токе прямой полярности, что позволяет повысить эффективность применения их для сварки дугой переменного тока.

Установлено, что с увеличением относительной длительности горения дуги на обратной полярности, напряжение дуги в импульсах прямой полярности уменьшается, что сказывается на изменении мощности дуги и погонной энергии при сварке.

Впервые показано, что при относительной длительности импульсов тока прямой полярности, составляющей не менее 0,6 от времени периода, возможно получение эффекта "полого катода", что позволяет расширить технологические возможности дуги переменного тока с неплавящимся электродом.

Практическая ценность. Разработан источник питания для сварки алюминия и его сплавов на переменном токе прямоугольной формы, обеспечивающий возможность независимого регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности (патент РФ № 2135336).

Разработаны рекомендации и компьютерная программа по выбору неплавящихся электродов для аргонодуговой сварки алюминия и его сплавов асимметричными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы, позволяющие повысить их работоспособность и эффективность применения. Полученные рекомендации использовались при создании технологий сварки конструкций из алюминия и его сплавов на ЗАО ПКК «Славянка» и Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационного исследования составил 268 тыс. руб. Доля автора в указанных разработках составила 20%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин», 1996г., г. Волгоград; на российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка - 97», 1997г., г. Воронеж; на научно-технической конференции «Сварка и пайка з машиностроении и приборостроении», 1997г., г. Пенза; на !!! и IV межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области, 1997, 1998г.г., г. Волгоград, на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 98», 1998г., г. Москва; на научных семинарах кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ВолгГТУ, г. Волгоград.

По результатам научно-исследовательской работы в 1998г. соискателю присуждалась аспирантская стипендия Президента Российской Федерации.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 13 печатных работ, получен патент Российской Федерации. Все основные положения, выносимые на защиту, изложены в центральных российских изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 169 листах машинописного текста, содержит 100 рисунков и 25 таблиц. Список литературы содержит 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ НЕПЛАВЯЩИХСЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Тепловые условия работы электродов исследовались с привлечением методики, предложенной российскими физиками Дородновым A.M., Козловым Н.П., Поме-ловым Я.А. и американскими учеными Kou S. и Tsai М.С. Эта методика позволяет рассчитывать распределение температуры по длине вылета электрода и, на основе такого расчета, оценивать значения всех составляющих теплового баланса любого участка вылета электрода. Для ее реализации необходимо знание температур концевых участков вылета: рабочего участка и места фиксации электрода (у цанги).

Необходимо отметить, что авторы этой методики температуру в месте фиксации электрода у цанги принимали величиной постоянной, хотя очевидно, что <?на будет изменяться при изменении текезой нагрузки. В связи с этим нами в расчетах учитывалась уточненная температура у зажима электродов в зависимости от его диаметра и величины тока. Кроме того, авторы методики пренебрегают теплоотво-дом от электрода с потоком аргона. Однако при определенных условиях работы вольфрамовых электродов эта составляющая баланса оказывается достаточно значимой. Поэтому для более полного изучения теплового баланса вольфрамовых электродов в расчет введена еще одна составляющая его - отвод тепла конвекцией.

При исследовании влияния параметров дуги переменного тока на условия работы неплавящихся электродов применяли разработанный инверторный источник питания с улучшенными технологическими характеристиками для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока, позволяющий раздельно регулировать длительность (т„р, т0бР) и амплитуду (lrp, 10бР) импульсов тока прямой и обратной полярности. Источник питания обеспечивает устойчивое возбуждение и горение дуги в диапазонах изменений частоты / от 40 до 250 Гц, длительности и величины тока в импульсах прямой и обратной полярности соответственно от 1,25 до 18,75 мс и от 5 до 350 А.

В ходе опытов осуществляли проплавление пластин из сплавов алюминия, перемещаемых под дугой с постоянной скоростью. В качестве неплавящихся электродов применяли прутки диаметром от 2 до 5 мм из технически чистого вольфрама (ЭВЧ), вольфрама с оксидами лантана (ЭВЛ) и иттрия (ЭВИ). Рабочий участок электрода затачивали на полусферу. Величина вылета составляла 40 мм. В ходе опытов определяли критическую величину тока дуги !КР (при которой начинается разрушение электрода), а также температуру рабочего торца Т0 и в месте фиксации электрода Т, и распределение ее по длине вылета при различных режимах горения дуги. Т3 измеряли посредством термопар. Т0 - оптическим пирометром. При этом под разрушением электрода понимали быстро прогрессирующее изменение формы его рабочею участка. Для электродов ЭВЧ это выражалось в росте капли расплава до величины, при которой капля начинала вибрировать. Для электродов с активирующими присадками разрушение выражалось в визуально определяемых локальных оплавлениях, а также нестабильности формы и положения мелких капель на его рабочем участке. При определенных условиях, оговоренных ниже, разрушение происходило примерно на середине вылета (без изменения исходной формы рабочего участка).

Для расчета распределения температуры по длине вылета электрода разработана компьютерная программа, в основе которой заложен метод итераций. С ее помощью можно оценивать значения всех составляющих теплового баланса любого участка вылета электрода. Исходными данными для расчета распределения теплового баланса непласящегося электрода являются: температура рабочего торцз электрода Т0, температура у зажима Т3, расход аргона QAk, величина сварочного тока 1СВ, вылет электрода LB, его диаметр d3.

Как показывают результаты экспериментов, с увеличением диаметра электрода температура на его рабочем участке возрастает (при одинаковой плотности тока на электроде). При этом разница температур на рабочем участке электродов диаметром 2 и 5 мм может превышать 1000 К. Увеличение т0бР с 1,25 до 14 мс (при постоянной /) не изменяет качественно характер распределения температуры, однако область максимальных ее значений смещается вверх на 200 - 550 К. На распределение температуры оказывает влияние также материал активирующих присадок неплавящихся электродов. При малых значениях т0ср кривая распределения температуры иттрированного электрода диаметром 3 мм лежит ниже таковой для лантани-рованного электрода диаметром 2 мм. С ростом т0бР картина меняется на обратную, что говорит о снижении роли легирования электродов при больших значениях отношения т°г'р . Необходимо отметить, что кривая распределения температуры

1 "Р + т обр

иттрированных электродов всегда располагается ниже, чем лантанированных (при равных диаметрах). Наиболее высокая температура на рабочем участке и примыкающей к нему зоне наблюдается у электродов из технически чистого вольфрама.

С увеличением диаметра неплавящихся электродов отношение площади боковой поверхности их единичного (по длине) участка к массе уменьшается, что, как показывают исследования теплового баланса, приводит к снижению доли излучения Q„ и конвекции QK в энергетическом балансе электрода, несмотря на то, что абсолютные величины этих составляющих увеличиваются вследствие роста температуры рабочего участка электродов Повышение количества тепла, отводимого посредством теплопроводности Qr в корпус горелки, является следствием возрастания разности температур на рабочем участке электрода. С ростом его диаметра увеличивается и количество тепла, поступившего в него от дуги Од, причем с повышением

__Iï!ïL.__эта зависимость становится более существенной, что позволяет сделать

Т"Р 4 1 oâp

вывод о целесообразности применения для сварки вольфрамовых электродов минимально допустимых диаметров.

С увеличением плотности тока на электроде распределение температуры по длине вылета оказывается отличным от прямолинейного, характерного для низких плотностей тока, приобретая форму кривой выпуклостью вверх. При дальнейшем росте плотности тока достигается такое тепловое состояние электрода, когда максимум температуры смещается от торца рабочего участка к середине вылета (рис.1). Следовательно, при высоких плотностях тока (ориентировочно больше 65 А/мм2) в тепловом балансе электрода определяющую роль начинает играть тепловыделение на омическом сопротивлении его вылета Ор. Так, например, данные по энергетическому балансу прилегающего к торцу рабочего участка длиной 1 мм для электрода ЭВЛ диаметром 2 мм показывают, что увеличение тока дуги в 8 раз (с 30 до 240 А) привело к росту тепловыделения на омическом сопротивлении Ор участка в 69,4 раза (с 0,241 до 16,73 Вт), в то время как тепловой поток излучением <2„ возрос лишь в 2 раза (с 4,9 до 9,8), а тепловой поток, отводимый теплопроводностью От, практически не изменился. Строго говоря, при 1д = 240 А тепловой поток теплопроводностью направлен в противоположную сторону (к дуге) в связи с тем, что температура на сравнительно протяженном участке вылета электрода выше, чем на его торце.

Т,К I----

—Л

2400

1600

8000 10 20 30 X, мм

Рис. 1. Распределение температуры по длине вылета электрода ЭВЛ 0 2 мм: 1-220 А, /=50 Гц; ^=1,25 мс (1), . 4 мс (2), 6 мс (3), 7,5 мс (4)

При плотности тока на электроде выше 65 - 70 А/мм2 его разрушение происходит примерно посредине вылета.

Как уже отмечалось, с увеличением длительности импульсов тока обратной полярности возрастает температура у торца электрода и, при т0ер = 6 мс, частоте / = 50 Гц, на рабочем участке появляется зона равных температур. Такой режим работы электрода считается благоприятным для существования рассредоточенного катодного пятна (в импульсах прямой полярности) и обеспечивает наиболее высокую его стойкость и работоспособность при сварке на переменном токе. Дальнейшее увеличение Тобр приводит к оплавлению рабочего участка. Обеспечить на практике близкий к равномерному разогрев рабочего участка электрода при сварке асимметричными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы можно, выбирая его диаметр таким образом, чтобы плотность тока на вылете электрода была близка к максимально допустимой (50 - 70 А/мм2 в зависимости от диаметра), а отношение

'обр устанавливать, стремясь обеспечить протяженную зону равных темпера-

Г"/> + Тоар

тур на рабочем участке электрода.

На рис. 2 представлены значения критической величины тока дуги 1кр (при которой начинается разрушение электрода) в зависимости от длительности импульсов тока обратной полярности (при частоте / = 50 Гц) для электродов различных диаметров и материалов.

Как видно из рис. 2, если длительность импульсов тока обратной полярности меньше, чем прямой, наибольшую стойкость имеют электроды из вольфрама с оксидами иттрия, наименьшую - из технически чистого вольфрама. Если же т0бР ^ тпр, материал электродов на их работоспособность влияния практически не оказывает.

При уменьшении т0бР величина критического тока растет и при т0бр < 2,5 мс практически равна этой характеристике при сварке дугой постоянного тока прямой полярности. Объяснить этот факт можно тем, что за время сравнительно длительного импульса тока прямой полярности электрод успевает «отдать» избыточную энергию, накопленную за время импульса обратной полярности.

О-

200-

100

0 6 10 14 вдр,мс

Рис. 2. Критическая величина тока в зависимости от длительности импульсов обратной полярности: /=50 Гц; 1 - ЭВЛ 0 2 мм; 2 - ЭВЧ 0 3 мм; 3 - ЭВЛ 0 3 мм; 4 - ЭВИ 03 мм; 5 - ЭВЛ 04 мм При сварке алюминия и его сплавов на переменном токе катодная очистка окисной пленки на свариваемой поверхности происходит во время горения дуги на обратной полярности. В связи с этим практический интерес представляет возможность уменьшения длительности импульсов тока прямой полярности без ущерба для стойкости электрода. Для выяснения пределов возможного уменьшения тпр определяли 1Ф для неплавящихся электродов в зависимости от длительности импульсов тока прямой полярности (длительность т0бр составляла 2,5 мс). Результаты экспериментов представлены на рис. 3. Как видно, для электрода ЭВЛ диаметром 2 мм при уменьшении тпрс 17,5 до 7,5 мс величина 1кр сохраняется высокой (при этом разрушение электрода происходит примерно на середине вылета). При дальнейшем уменьшении тпр стойкость электрода резко снижается, причем изменяется и характер его разрушения: происходит оплавление его рабочего участка. Можно предположить, что зависимость 1кр = /(тпр) качественно будет такой же и для электродов из вольфрама с активирующими присадками диаметром более 2 мм, однако для про-

верки этого предположения необходим более мощный источник питания (например, для электрода диаметром 3 мм ориентировочно с номинальным током 500 А).

'«р, А

375

250

125

0 5 10 15 тпр, мс

Рис. 3. Критическая величина тока в зависимости от тпр (т0бР=2,5 мс): 1 - 38Л 02 мм; 2 - ЗВЧ 03 мм; 3 - ЭВЛ, ЭВИ 03 мм

В ходе исследований проведены эксперименты по определению влияния соотношения длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности на критическую величину тока для электродов различного материала и диаметра.

На основе полученных зависимостей !кр = Дтпр, т0бР) построены номограммы, в которых учитывалось, что при уменьшении величины 1кр на 10-15 А (как показывают результаты экспериментов) разрушение рабочего участка электродов не происходит.

С помощью номограмм для электродов различного диаметра и материала можно определить:

1) при заданной длительности импульсов тока прямой и обратной полярности -максимально допустимую величину сварочного тока (рис. 4, путь 1);

2) при заданной величине сварочного тока и требуемой (с точки зрения обеспечения качества катодной очистки) длительности импульсов тока обратной полярности - минимально допустимую длительность импульсов тока прямой полярности (рис. 4, путь 2).

3) при заданной величине сварочного тока и требуемой (например, для обеспечения нужного проплавления) длительности импульсов тока прямой полярности -максимально допустимую длительность импульсов тока обратной полярности (рис. 4, путь 3);

Аналогичные номограммы построены и для других электродов. С их помощью при заданных значениях тпр, т0вр можно выбрать необходимую конструкцию и материал неплавящегося электрода. Для этого нужно провести перпендикуляры из оси абсцисс (тпр) и ординат (!ЛОп). Если точка их пересечения будет лежать ниже соответствующей кривой "г0бр, значит данный электрод отвечает требуемым условиям.

О 2 4 6 8 10 12 14 Тпр, мс Рис. 4. Номограмма для определения т„р, тобР, W электрод ЭВЛ 02 мм

НАГРЕВ НЕПЛАВЯЩИХСЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ СОВМЕСТНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ДЛИТЕЛЬНОСТИ И АМПЛИТУДЫ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

С увеличением силы тока тепловое состояние электрода ухудшается, но, с другой стороны, уменьшение доли горения дуги на обратной полярности снижает тепловую нагрузку на неплавящийся электрод и стойкость его повышается. Однако не ясно, какое влияние на работоспособность электрода оказывает совместное регулирование амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности.

Действующее значение мощности дуги описывается выражением:

В ходе экспериментов установлено: с ростом длительности обратного импульса тобр напряжение импульса прямой полярности Unp монотонно уменьшается, приближаясь к значению 3-4,5В, когда т0бР составляет преобладающую часть периода. Этот факт учитывался при расчете мощности дуги. Можно предположить, что уменьшение Ue „Р в какой-то мере обусловлено увеличением температуры рабочего участка вольфрамового электрода с ростом т0бр (при / = const).' В результате увеличивается плотность тока термоэмиссии и уменьшается падение напряжения на катодной области (в импульсах прямой полярности).

Для оценки влияния совместного регулирования длительности и амплитуды импульсов тока прямой и обратной полярности на условия работы неплавящихся электродов проведены эксперименты, в ходе которых для электрода ЭВЛ 0 3 мм увеличивали амплитуду импульсов тока обратной полярности, уменьшая при этом

долю горения дуги на обратной полярности таким образом, чтобы действующее значение мощности дуги оставалась величиной постоянной, и сохранялась неизменной амплитуда импульсов тока прямой полярности. Величина Рд составляла 1880 Вт, 2170 Вт и 3325 Вт.

При таком изменении параметров горения дуги температура на рабочем участке электрода снижается, и электрод работает в более благоприятном режиме. Это связано с тем, что, несмотря на постоянство Р3, мощность дуги прямой полярности возрастает, а обратной - соответственно снижается. Уменьшение

То6р_приводит к снижению тепла, поступившего в электрод от дуги и отводимо-

г»/> + Т обр

го от него посредством теплопроводности в корпус горелки, излучением и конвекцией с боковой поверхности. Количество тепла, выделившегося на омическом сопротивлении вылета электрода, незначительно возрастает вследствие повышения действующего значения тока. Это приводит к тому, что на участке, расположенном примерно посредине вылета электрода, значения Ор, Ок, <2И незначительно увеличиваются.

Если изменять соотношение длительностей и амплитуд импульсов тока прямой и обратной полярности таким образом, чтобы и действующее значение мощности дуги, и мощности дуги прямой и обратной полярности оставались неизменными (при этом амплитуда импульсов тока прямой полярности уменьшается, а длительность увеличивается, а в импульсах тока обратной полярности, соответственно, наоборот), температура на рабочем участке (а, следовательно, и работоспособность неплавящихся электродов) остается постоянной. При этом незначительно повышается количество тепла, поступившего в электрод от дуги и отводимого от него посредством теплопроводности в корпус горелки, в то время как тепло, отводимое излучением и конвекцией с боковой поверхности, практически не изменяется. С другой стороны, уменьшается количество тепла, выделившегося на омическом сопротивлении вылета электрода вследствие снижения действующего значения тока. Это приводит к тому, что в центральной части вылета электрода значения Ор, О,, Ои уменьшаются.

Таким образом, зная необходимую погонную энергию при сварке (а, следовательно, и мощность дуги), можно, варьируя параметрами тпр, т^р, 1пр, обеспечить высокую работоспособность неплавящихся электродов при сварке на переменном токе с прямоугольной кривой его изменения.

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРОДОВ НЕТРАДИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СВАРКЕ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Неплавящийся электрод с дугой переменного тока с прямоугольной кривой его изменения может работать без оплавления рабочего участка в широком диапазоне сварочных токов (при определенных соотношениях длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности). Это дает возможность применять для сварки на переменном токе неплавящиеся электроды с более сложной конструкцией рабочего участка (в сравнение с традиционной), обычно применяющиеся для сварки дугой постоянного тока.

В ходе исследований проведены эксперименты по определению влияния длительности импульсов тока обратной полярности (при частоте / = 50 Гц) на критическую величину тока для электродов ЭВЛ диаметром 3 мм с различными углами заточки а. С увеличением а возрастает и 1«р, однако с ростом т0бр это влияние становится все менее существенным, и при т0б? = 10 мс (т.е. соответствующей переменному току промышленной частоты с синусоидальной кривой его изменения) величи-

на угла заточки электрода практически не оказывает влияния на критическое значение тока. Так, например, при т0бР = 2,5 мс увеличение угла заточки электрода с 30 до 60° приводит к возрастанию 1кр с 230 до 360 А, в то время как при т0бР = 10 мс 1кр изменяется незначительно (со 120 до 145 А).

С увеличением доли горения дуги на обратной полярности влияние угла заточки электрода на критическую величину тока снижается. Зависимости 1Ф = / (тпр) при малых значениях т0бр (до 5 мс) для электрода с а = 60° качественно отличаются от таковых для углов заточки, равных 30 и 45°, имея характер кривых выпуклостью вниз, как и в случае электродов ЭВЛ диаметром 3 мм, заточенных на полусферу. Это связано с тем, что с уменьшением угла заточки электрода снижается площадь сечения его рабочего участка, в результате чего последний работает в более напряженном тепловом режиме.

С увеличением длительности импульсов тока обратной полярности выше 2,5 мс (при одном и том же значении тпр) критическая величина тока заметно снижается.

Полученные зависимости критической величины тока от соотношения длительностей импульсов прямой и обратной полярности позволяют при заданных параметрах горения дуги выбрать конструкцию неплавящегося электрода, заточенного на конус, с точки зрения его рационального применения. Например, зная значения 1д, ^пР, т0бр, можно выбрать необходимый угол заточки электрода, при котором последний работает в благоприятном тепловом режиме без оплавления рабочего участка, сохраняя высокую стойкость. Следует отметить, что использование электродов с конической заточкой значительно повышает сжатие дуги у рабочего участка и увеличивает с результате концентрацию теплового потока в свариваемый материал, при этом возрастает давление дуги на сварочную ванну, что дает увеличение проплав-ления (по сравнению с электродами с рабочим участком в виде полусферы).

Однако данная конструкция электродов не позволяет обеспечить существование дуги с рассредоточенным катодным пятном. Такую возможность дает применение композиционных электродов, а также электродов с полостью на рабочем торце (полых катодов).

Распределение температуры на рабочем участке композиционного электрода диаметром б мм (сердечник - ЭВЛ диаметром 2 мм) при 1Д = 110 А имеет близкий к прямолинейному характер и на переменном токе при минимальной длительности импульсов тока обратной полярности (т0бР = 1,25 мс при частоте / = 50 Гц) практически такое же, как и при сварке на постоянном токе прямой полярности. Зависимость температуры на рабочем торце композиционного электрода от длительности импульсов тока обратной полярности (/ = 50 Гц) носит практически прямолинейный характер, и при токе 1д = 110 А оплавление рабочего участка электрода происходит, когда т0бР = 12,5 мс, причем плотность тока на его вольфрамовом сердечнике примерно в 2 раза выше, чем при тех же длительностях импульсов тока прямой и'обратной полярности у электрода ЭВЛ диаметром 2 мм. Необходимо отметить, что при любых режимах работы композиционного электрода разрушения на середине его вылета не происходит (в отличие от электродов традиционной конструкции диаметром 2 мм).

Применение таких электродов позволяет повысить плотность тока на них, что увеличивает концентрацию энергии в пятне нагрева и, в конечном счете, производительность сварки, а также позволяет уменьшить расход электродного материала.

Сравнительно недавно для аргонодуговой сварки на больших токах начали применять неплавящиеся электроды с полостью на рабочем торце (их часто называют полыми катодами, поскольку их применяют при сварке на прямой полярности). Применение таких электродов позволяет сравнительно просто обеспечить режим горения дуги с рассредоточенным катодным пятном в широком диапазоне токов. При этом последнее размещается на стенке внутри полости, поскольку температура внутренней поверхности больше, чем наружной. В результате столб дуги занимает

симметричное относительно оси электрода положение; дуга «исторгается» из полости рабочего участка. Этот эффект в литературе часто называют эффектом полого катода. Особенностью такой дуги является отсутствие сжатия столба у катода, характерного для дуги с сосредоточенным катодным пятном. Именно эта особенность определяет основные технологические преимущества дуги с полым катодом: близкое к равномерному и меньшее по величине давление ее на сварочную ванну, что позволяет значительно увеличить ток и скорость сварки.

Распределение температуры на рабочем участке полого катода на переменном токе при минимальной длительности импульсов тока обратной полярности (т0бр = 1,25 мс при частоте / = 50 Гц) практически такое же, как и при сварке на постоянном токе прямой полярности. На рабочем участке наблюдается зона практически равных температур, что является наиболее благоприятным условием для существования дуги с рассредоточенным катодным пятном.

Зависимость температуры на рабочем торце полого катода от длительности импульсов тока обратной полярности имеет форму кривой выпуклостью вниз. При величине тока 1д = 275 А оплавление рабочего участка электрода произошло при т0бр = 9 мс, а при меньших величинах длительности импульсов тока обратной полярности он работал а режиме полого катода (с рассредоточенным катодным пятном в импульсах тока прямой полярности).

С увеличением длительности импульсов тока обратной полярности неизменно уменьшается величина тока при которой начинает проявляться эффект полого катода. Это связано с возрастанием температуры внутренней стенки полости электрода, что приводит к повышению его эмиссионной способности, в результате чего дуга начинает гореть с рассредоточенным катодным пятном в импульсах прямой полярности при меньших значениях величины тока.

Тот факт, что при определенных соотношениях длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности тепловой режим работы композиционного электрода и полого катода практически идентичен таковому при сварке на постоянном токе прямой полярности, показывает на возможность их применения на переменном токе с прямоугольной кривой его изменения с сохранением их положительных свойств.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенные исследования послужили основой для разработки рекомендаций и созданию компьютерной программы по выбору материала и конструкции неплавя-щихся электродов для сварки дугой переменного тока прямоугольной формы. С целью изучения влияния параметров режима горения дуги на ее проплавляющую способность проведены исследования по определению зависимости глубины проплав-ления от величины тока и соотношения длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности для электродов различной конструкции.

Практическая реализации результатов исследования осуществлена при разработке технологии ремонтной сварки транспортировочных емкостей из алюминия для ЗАО ПКК "Славянка". Выполняли ручную аргонодуговую сварку нахлесточных соединений из чистого алюминия толщиной 2 и 6 мм в нижнем положении. Основной трудностью при сварке таких соединений на переменном токе синусоидальной формы специализированными источниками питания (типа УДГ) является наличие окис-ной пленки между свариваемыми поверхностями и, вследствие этого отсутствие необходимого проплавления нижней пластины, что приводит к быстрому разрушению сварного соединения.

С помощью результатов исследований разработана эффективная технология сварки: найдена оптимальная конструкция неплавящегося электрода, обеспечиваю-

щая необходимое механическое воздействие на сварочную ванну и ее хорошее перемешивание, в результате чего практически исключается вероятность наличия окисной пленки между свариваемыми поверхностями; определены длительность и амплитуда импульсов тока прямой и обратной полярности, позволяющие обеспечить требуемые глубину проплавления и качество катодной очистки. Параметры режима сварки представлены в таблице.

Таблица

Параметры режима сварки __

Электрод Длительность импульсов тока обратной полярности Тобр, мс Длительность импульсов тока прямой полярности Т„р, мс Амплитуда импульсов тока обратной полярности 105р, А Амплитуда импульсов тока прямой полярности !пр, А Диаметр присадочной проволоки, мм Расход аргона, л/мин

ЭВЛ 0 3 мм заточенный на конус 30" 4 16 110 160 4 8

При разработке технологии сварки транспортировочных емкостей из алюминия рэзнополярными прямоугольными импульсами токз обеспечены качественная катодная очистка свариваемых поверхностей, необходимая глубина проплавления, хорошая форма шва и его формирование, отсутствие в нем вольфрамовых и неметаллических включений, высокая работоспособность неплавящегося электрода. Последовательность разработки технологического процесса сварки конструкций из алюминия представлена на рис. 5.

Организационно-технические преимущества разработанной технологии заключаются в снижении расходов на вольфрамовые электроды, повышении производительности и улучшении качества сварки. Экономический эффект достигается за счет повышения надежности транспортировочных емкостей из алюминия и увеличения срока их эксплуатации и составил 140 тыс. руб.

Результаты исследований также использовались при разработке и изготовлении аппаратуры для дуговой сварки неплавящимся электродом электротехнических элементов из алюминия в монтажных условиях для Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги. Организационно-технические преимущества данной разработки заключаются в улучшении качества сварки и повышении технологичности процесса. Экономический эффект достигается за счет сокращения расходов на приобретение специализированного сварочного оборудования и материалов и составил 128 тыс. руб. Доля автора в указанных работах составила 20%.

Рис. 5. Выбор неплавящихся электродов и параметров режимов при разработке технологического процесса сварки

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанный на уровне изобретения источник питания для дуговой сварки разнополярными импульсами тока обеспечивает устойчивое горение дуги в широком диапазоне изменений частоты (от 40 до 240 Гц), длительности (от 1,25 до 18,75 мс) и величины тока (от 5 до 350 А) в импульсах прямой и обратной полярности. Величина тока и длительность в импульсах прямой и обратной полярности регулируются в указанных пределах независимо, что дает возможность при заданной необходимой погонной энергии при сварке, еары-руя параметрами горения дуги, в широких пределах воздействовать на тепловое состояние неплавящихся электродов.

2. На основе усовершенствованной методики расчетно-экспериментальной оценки условий работы неплавящихся электродов разработана компьютерная программа, позволяющая рассчитывать методом итераций распределение температуры по длине вылета электрода и, на основе такого расчета, оценивать значения всех составляющих теплового баланса его любого участка, что позволяет определить основные пути воздействия на тепловое состояние неплавящихся электродов с целью повышения их работоспособности и эффективности применения.

3. Установлено, что существенное влияние на нагрев неплавящегося электрода оказывает его диаметр, с увеличением которого температура на рабочем участке электрода увеличивается (при одинаковых плотности тока и соотношении длительностей импульсов прямой и обратной полярности), что связано со снижением доли количества тепла, отводимого от электрода излучением и конвекцией в его энергетическом балансе. Этот факт свидетельствует о целесообразности применения для сварки вольфрамовых электродов минимально допустимых диаметров.

4. Установлено, что материал неплавящегося электрода в значительной мере влияет на нагрев его рабочего участка. Температура электродов из вольфрама с активирующими присадками из оксидов лантана и иттрия (ЭВЛ и ЭВИ) при минималь-

ной (1,25 мс) длительности импульсов тока обратной полярности заметно ниже, чем у электродов из технически чистого вольфрама, хотя характер ее распределения по длине рабочего участка практически одинаков. При увеличении длительности импульсов тока обратной полярности значения температуры электродов на рабочем участке сближаются, что свидетельствует об уменьшении влияния активирующих присадок в материале электрода на его нагрев и работоспособность.

5. Исследования тсплооого баланса неплазящихся электродов показали, чго с ростом плотности тока на электроде в его энергетическом балансе начинает принимать заметное участие тепло, выделяющееся на омическом сопротивлении вылета, и распределение температуры начинает отличаться от прямолинейного, характерного для низких плотностей тока, приобретая форму кривой выпуклостью вверх. Изменяя при этом в нужном направлении длительность импульсов тока обратной полярности, можно добиться такого теплового состояния электрода, когда на его рабочем участке появляется зона равных температур, и тем самым обеспечиваются условия для существования дуги с рассредоточенным катодным пятном (в импульсах тока прямой полярности).

6. Применение источников питания дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения, позволяющих раздельно регулировать длительность и амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности, дает возможность при заданной необходимой погонной энергии при сварке, варьируя параметрами горения дуги, в широких пределах воздействовать на тепловое состояние неплавящихся электродов.

7. При определенных соотношениях длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности, зависящих от величины тока и конструкции рабочего участка электродов, их тепловое состояние и стойкость приближаются к таковым в условиях сварки дугой постоянного тока прямой полярности. Это позволяет повысить эффективность применения неплавящихся электродов для сварки дугой переменного тока.

8. Неплавящийся электрод с дугой переменного тока может работать без оплавления рабочего участка в широком диапазоне сварочных токов (при определенных соотношениях длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности). Это дает возможность применять для сварки на переменном токе неплавящиеся электроды с более сложной конструкцией рабочего участка (в сравнении с традиционной), обычно применяющиеся для сварки дугой постоянного тока: заточенные на конус, композиционные, полые катоды и т.д., - с сохранением их положительных качеств.

9. Разработанные рекомендации и компьютерная программа позволяют выбрать материал и конструкцию неплавящихся электродов для сварки дугой переменного тока прямоугольной формы с точки зрения их рационального применения и послужили основой разработанной технологии сварки транспортировочных емкостей из алюминия разнополярными прямоугольными импульсами тока для ЗАО ПКК "Славянка". Экономический эффект составил 140 тыс. руб. Разработанная аппаратура для сварки алюминия внедрена для Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги. Экономический эффект составил 128 тыс. руб. Доля автора в указанных разработках составила 20%.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:

1) Оптимизация параметров однофазных сварочных выпрямителей со вспомогательной цепью питания/ В.А. Косович, И.Е. Лапин, А.Н. Потапов, A.B. Савинов// Сварочное производство. 1996. № 7. с.29-30.

2) Лапин И.Е., Косович В.А., Савинов A.B. Об устойчивости дуги при сварке не-плавящимся электродом тонколистового алюминия и его сплавов.// Сварочное производство. 1996. № 10. с. 17-19.

3) Косович В.А., Лапин И.Е., Савинов A.B. Выбор формы рабочей зоны непла-вящегося электрода для сварки в аргоне дугой постоянного тока// Сварочное производство. 1997.№ 2. с.33-35.

4) Косович В.А., Лапин И.Е., Савиноо A.B. Выбор материала и конструкции не-плавящегося электрода при аргонодуговой сварке переменным током.// Сварочное производство. 1997. № 8. с.43-45.

5) Лапин И.Е., Косович В.А., Савинов A.B. Повышение проплавляющей способности дуги при сварке алюминия разнополярными импульсами тока прямоугольной формы.// Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тезисы докладов международной научно-технической конференции/ Волг.ГТУ. Волгоград, 1996. с.29-30.

6) Косович A.B., Лапин И.Е., Савинов A.B. Выбор конструкции неплавящегося электрода для аргонодуговой сварки// Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: Тезисы докладов международной научно-технической конференции/ ВолгГ-ТУ. Волгоград, 1996. с.30-32.

7) Савинов A.B., Лапин И.Е., Косович В.А. Выбор неплавящихся электродов для сварки дугой переменного тока// Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97": Материалы Российской научно-технической конференции/ Воронеж, 1997, с.84-85.

8) Лапин И.Е., Косович В.А., Савинов A.B. Неплавящиеся электроды и горелки для сварки малоамперной дугой// Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-97": Материалы Российской научно-технической конференции/ Воронеж, 1997, с.83-84.

9) Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Савинов A.B. Инверторный источник питания для дуговой сварки на переменном токе// Новые материалы и технологии НМТ - 98: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции/ Москва, 1998, с. 78-79.

10) Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Савинов A.B. Инверторная приставка к сварочным выпрямителям// Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении: тезисы доклздез научно-технической конференции/ Пенза, 1997, с. 22-24.

11) Савинов A.B., Потапов А.Н., Филиппов О.И. Расчетно-экспериментальная оценка условий работы неплавящихся электродов при дуговой сварке// Тезисы докладов IV межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области/ Волгоград, 1998, с. 130-131.

12) Савинов A.B., Потапов А.Н., Филиппов О.И. О качестве катодной очистки при дуговой сварке алюминия неплавящимся электродом// Тезисы докладов IV межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области/ Волгоград, 1998, с. 139-140.

13) Патент №2135336. Устройство для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока. Лапин И.Е., Косович В А, Потапов А.Н., Савинов A.B.

14) Савинов A.B., Лапин И.Е., Косович В.А. Влияние амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности на тепловые условия работы неплавящихся электродов//Новые материалы и технологии на рубеже веков: сборник материалов международной научно-технической конференции/Пенза, 2000, с. 95-97.

Личный вклад автора в получении научных результатов заключается: в анализе результатов исследований влияния конструкции неплавящихся электродов на проплавляющую способность и устойчивость дуги переменного тока 12, 51; конструировании источника питания для сварки алюминия и его сплавов разнополярными импульсами тока прямоугольной формы /1, 9, 10, 13/; разработке методики расчет-но-экспсриментальной оценки условий работы неплавящихся электродов /11/; в получении, обработке и анализе результатов исследований влияния амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности на тепловые условия работы неплавящихся электродов /14/; разработке рекомендаций по их выбору для сварки на постоянном и переменном токе /3, 4, 6, 7, 8/.

Подписано в печать <?. 41. 2000 г. Тираж 100 экз. Печать офсетная Усл. печ л. 1,0. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Заказ №б&1.

Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131, г. Волгоград, ул Советская, 35

Введение

Глава I. Термические условия работы вольфрамовых электродов при аргонодуговой сварке (литературный обзор)

1.1. Электрофизические особенности работы неплавящихся электродов

1.2. Нагрев неплавящихся электродов

1.2.1. Нагрев неплавящихся электродов при сварке дугой постоянного тока

1.2.2. Нагрев неплавящихся электродов при сварке дугой переменного тока

1.3. Влияние конструкции и материала неплавящихся электродов на их стойкость

1.4 Цель и задачи исследований

Глава II. Материалы, оборудование и методики выполнения экспериментов:

2.1. Материалы

2.2. Источник питания дуги

2.3. Экспериментальная и расчетно-экспериментальная методики оценки теплового состояния электродов

Глава III. Влияние параметров сварочной дуги на условия работы неплавящихся электродов;

3.1. Влияние длительности импульсов тока прямой и обратной полярности на работоспособность неплавящихся электродов

3.2. Нагрев неплавящихся электродов при совместном регулировании длительности и амплитуды импульсов тока прямой и обратной полярности

Глава IV. Исследование условий работы электродов нетрадиционных конструкций

4.1 Работоспособность полых катодов, композиционных электродов и заточенных на конус

4.2 Рекомендации по выбору материала и конструкции неплавящихся электродов для сварки дугой переменного тока прямоугольной формы

4.3 Разработка технологии сварки конструкций из алюминия разнополярными прямоугольными импульсами

Исследования дугового разряда как физического явления проводились многими российскими и зарубежными физиками: И.Г. Кесаевым, В.Ф. Гордеевым, A.B. Пустогаровым, A.M. Дородновым, Н.П. Козловым, Я.А. Помеловым, М.Ф. Жуковым, П.А. Шоеком, A.D. Morris, W.C. Core и др. Этими же вопросами применительно к сварочным процессам занимались Г.И. Лесков, B.C. Гвоздецкий, А.Н. Тимошенко, К.К. Хренов, Г.М. Тиходеев. Проблемам повышения качества сварных соединений посвящены многочисленные работы российских ученых: В.Н. Волченко, Н.П. Алешина, А.К. Гурвича и др. Дуговому разряду постоянного и переменного тока с неплавящимся электродом и применением его для сварки в инертных газах посвящены работы О.Н. Ивановой, Д.М. Рабкина, В.М. Ямпольского, W.F. Savage, S.S. Strunck, V. Nishikava и др.

Работами И.Г. Кесаева, В.Ф. Гордеева, A.B. Пустогарова и др. показано, что в силу теплофизических особенностей дугового разряда тепловая нагрузка на электрод на прямой и обратной полярности различна.

При сварке неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности, когда вольфрам является катодом, падение потенциала в катодной области незначительно, мощность, поступающая на электрод, мала, в связи с чем стойкость последнего высока.

При сварке на постоянном токе обратной полярности, когда вольфрам является анодом,. Падение потенциала в анодной области оказывается выше, в связи с чем значительно увеличивается тепловая нагрузка на неплавящийся электрод, а стойкость его оказывается в 5-10 раз ниже, чем при сварке на прямой полярности.

Сварку алюминия и его сплавов выполняют на переменном токе, что позволяет обеспечить как катодную очистку свариваемой поверхности (в импульсах прямой полярности), так и частично снизить нагрузку на неплавящийся электрод (в импульсах прямой полярности).

Многочисленные исследования по нагреву и стойкости вольфрамовых электродов на переменном токе выполнены с применением в качестве источников питания трансформаторов, обеспечивающих горение дуги переменного тока с близкой к синусоидальной кривой его изменения. Частота последнего составляет 50 Гц при равной длительности и амплитуде импульсов тока прямой и обратной полярности.

Однако наиболее радикальным способом повышения работоспособности неплавящихся электродов при сварке на переменном токе является применение источников питания дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения, позволяющие раздельно регулировать длительность и амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности.

В последнее время созданы и начали применяться для сварки алюминия инверторные источники питания дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения и возможностью регулирования длительности импульсов прямой и обратной полярности. Однако эти источники питания в большинстве случаев не позволяют раздельно изменять амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности, в связи с чем одной из задач исследования является разработка источника питания, обеспечивающего такую возможность.

Направленное изменение этих параметров позволяет в широких пределах воздействовать на проплавляющую способность дуги, качество катодной очистки и, в конечном итоге, на производительность и качество сварки.

Очевидно, что изменение соотношения импульсов и амплитуды тока прямой и обратной полярности будет приводить к изменению величины теплового потока в неплавящийся электрод и его стойкости. Прогнозирование таких изменений необходимо для правильного выбора электрода и оптимального варианта его применения, что обуславливает необходимость исследования условий работы неплавящихся электродов и поиск путей приведения их к оптимальным при сварке алюминия с применением инверторных источников питания.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является повышение работоспособности неплавящихся электродов с дугой переменного тока прямоугольной формы на основе исследования их теплового состояния и разработка рекомендаций по эффективному применению их при сварке алюминия и его сплавов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработан источник питания дуги переменного тока прямоугольной формы, обеспечивающий возможность регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности;

- разработана методика и программа расчетно-экспериментальной оценки теплового состояния неплавящихся электродов; исследовано влияние амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности на тепловой баланс и работоспособность неплавящихся электродов;

- исследовано влияние конструкции рабочего участка неплавящихся электродов на их работоспособность при сварке дугой переменного тока прямоугольной формы;

- разработаны рекомендации и программа по выбору неплавящихся электродов для сварки алюминия и его сплавов дугой переменного тока прямоугольной формы;

- разработана технология сварш конструкций из алюминия разнопо-лярными импульсами тока прямоугольной формы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов работы, списка использованной литературы и приложения.

Общие выводы

1. Разработанный на уровне изобретения источник питания для дуговой сварки разнополярными импульсами тока обеспечивает устойчивое горение дуги в широком диапазоне изменений частоты (от 40 до 240 Гц), длительности (от 1,25 до 18,75 мс) и величины тока (от 5 до 350 А) в импульсах прямой и обратной полярности. Величина тока и длительность в импульсах прямой и обратной полярности регулируются в указанных пределах независимо, что дает возможность при заданной необходимой погонной энергии при сварке, варьируя параметрами горения дуги, в широких пределах воздействовать на тепловое состояние непла-вящихся электродов.

2. На основе усовершенствованной методики расчетно-экспериментальной оценки условий работы неплавящихся электродов разработана компьютерная программа, позволяющая рассчитывать методом итераций распределение температуры по длине вылета электрода и, на основе такого расчета, оценивать значения всех составляющих теплового баланса его любого участка, что позволяет определить основные пути воздействия на тепловое состояние неплавящихся электродов с целью повышения их работоспособности и эффективности применения.

3. Установлено, что существенное влияние на нагрев неплавяще-гося электрода оказывает его диаметр, с увеличением которого температура на рабочем участке электрода увеличивается (при одинаковых плотности тока и соотношении длительностей импульсов прямой и обратной полярности), что связано со снижением доли количества тепла, отводимого от электрода излучением и конвекцией в его энергетическом балансе. Этот факт свидетельствует о целесообразности применения для сварки вольфрамовых электродов минимально допустимых диаметров.

4. Установлено, что материал неплавящегося электрода в значительной мере влияет на нагрев его рабочего участка. Температура электродов из вольфрама с активирующими присадками из оксидов лантана и иттрия (ЭВЛ и ЭВИ) при минимальной (1,25 мс) длительности импульсов тока обратной полярности заметно ниже, чем у электродов из технически чистого вольфрама, хотя характер ее распределения по длине рабочего участка практически одинаков. При увеличении длительности импульсов тока обратной полярности значения температуры электродов на рабочем участке сближаются, что свидетельствует об уменьшении влияния активирующих присадок в материале электрода на его нагрев и работоспособность.

5. Исследования теплового баланса неплавящихся электродов показали, что с ростом плотности тока на электроде в его энергетическом балансе начинает принимать заметное участие тепло, выделяющееся на омическом сопротивлении вылета, и распределение температуры начинает отличаться от прямолинейного, характерного для низких плотностей тока, приобретая форму кривой выпуклостью вверх. Изменяя при этом в нужном направлении длительность импульсов тока обратной полярности, можно добиться такого теплового состояния электрода, когда на его рабочем участке появляется зона равных температур, и тем самым обеспечиваются условия для существования дуги с рассредоточенным катодным пятном (в импульсах тока прямой полярности).

6. Применение источников питания дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения, позволяющих раздельно регулировать длительность и амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности, дает возможность при заданной необходимой погонной энергии при сварке, варьируя параметрами горения дуги, в широких пределах воздействовать на тепловое состояние неплавящихся электродов.

7. При определенных соотношениях длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности, зависящих от величины тока и конструкции рабочего участка электродов, их тепловое состояние и стойкость приближаются к таковым в условиях сварки дугой постоянного тока прямой полярности. Это позволяет повысить эффективность применения неплавящихся электродов для сварки дугой переменного тока.

8. Неплавящийся электрод с дугой переменного тока может работать без оплавления рабочего участка в широком диапазоне сварочных токов (при определенных соотношениях длительностей импульсов тока прямой и обратной полярности). Это дает возможность применять для сварки на переменном токе неплавящиеся электроды с более сложной конструкцией рабочего участка (в сравнении с традиционной), обычно применяющиеся для сварки дугой постоянного тока: заточенные на конус, композиционные, полые катоды и т.д., - с сохранением их положительных качеств.

9. Разработанные рекомендации и компьютерная программа позволяют выбрать материал и конструкцию неплавящихся электродов для сварки дугой переменного тока прямоугольной формы с точки зрения их рационального применения и послужили основой разработанной технологии сварки транспортировочных емкостей из алюминия разнопо-лярными прямоугольными импульсами тока для ЗАО ПКК "Славянка". Экономический эффект составил 140 тыс. руб. Разработанная аппаратура для сварки алюминия внедрена для Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги. Экономический эффект составил 128 тыс. руб. Доля автора в указанных разработках составила 20%.

163

1. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.: Машиностроение, 1970.-335 с.

2. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М.: «Энергия», 1966.- 566 с.

3. Амосов В.М., Карелин Б.А., Кубышкин В.В. Электродные материалы на основе тугоплавких металлов. М.: «Металлургия», 1976. - 223с.

4. Теоретические основы сварки/ Под ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1970.-592 с.

5. Гордеев В.Ф., Пустогаров A.B. Термоэмиссионные дуговые катоды.- М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.

6. Рабкин Д.М., Иванова О.Н. Исследование дуги при сварке вольфрамовым электродом//Автоматическая сварка. 1968. - № 5. -С. 16-20.

7. Дороднов A.M., Козлов Н.П., Помелов Я. А. Об эффекте «электронного» охлаждения на термоэмиссионном дуговом катоде//Теплофизика высоких температур. 1973. - № 4. - С.724-727.

8. Morris A.D., Core W.C. Analysis of the direct-current arc//Welding journal. 1956. - № 3. - P.153s-160s.

9. Savage W.F., Strunck S.S., Nishikava V. The effect of electrode geometry in gas tungsten arc welding//Welding journal. 1965. -№11.-P.489-496.

10. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: «Наука», 1968.-244 с.

11. Бейлис И.И., Любимов Г.А., Раховский В.И. Электрическое поле на поверхности электрода в катодном пятне дугового разряда. ДАН СССР (Сер. физ.), 1969, т. 188, №3, С.552-555.

12. Cobine J.D. Electrode. Патент США №2640135, 1950.

13. Фарнасов Г.А., Фридман А.Г., Каринский В.Н. Плазменная плавка.-М.: Металлургия, 1968. 170 с.

14. Рабкин Д.М., Иванова О.Н., Ипатова С.И. и др. Влияние присадки окислов некоторых редких и редкоземельных металлов на свойства вольфрамовых электродов //Автоматическая сварка. 1964. - №4. -С.5-9

15. Логинов В.П., Щербак Г.И., Фатиев И.С. Иттрированные вольфрамовые электроды для сварки в защитном газе //Сварочное производство. 1973. - №2. - С.28-29

16. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: Изд. иностр. литер. 1961. - 370с.

17. С.Е. Jeckson The science of Arc Welding //Welding Journal. 1960. -№4. p. 147-158

18. Haddad G.N., Farmer J.D. Temperature measurements in gas tungsten arcs//Welding Journal. 1985. - №12. - p. 339s-342s.

19. Ерошенко Л.Е., Мечев B.C. Влияние диаметра неплавящегося электрода на параметры электрической дуги, горящей в аргоне// Автоматическая сварка. 1976. - №7. - С.67-68.

20. Мечев B.C., Ерошенко Л.Е., Жайпаков А.Ж. и др. Характеристики столба дуги в аргоне при разных углах заточки неплавящегося электрода//Автоматическая сварка. 1983. - №8. - С.32-37.

21. Моррис А. Исследование дуги постоянного тока// В сб. "Получение и исследование высокотемпературной плазмы. М.: изд. иностр. литературы, 1962. - С. 152-153.

22. Косович В.А., Маторин А.И., Седых B.C. Повышение эффективности нагрева металла при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом// Сварочное производство. 1981. - №3. - С.29-30.

23. Столбов В.И., Потехин В.П., Ликонен A.C. Методика определения теплового потока, поступающего в изделие от разогретого дугой газа//Автоматическая сварка. 1981. - №3. - С.66-67.

24. Тимошенко А.Н., Гвоздецкий B.C., Лозовский В.П. Концентрация энергии на аноде дуги неплавящегося электрода// Автоматическая сварка. 1978. - №5. - С.68-70

25. Бродский А .Я. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. -М.: Машгиз, 1956.-390 с.

26. Lancaster J.F. Energy distribution in argon-shielded welding arcs// British welding journal. 1954. - №9. - p.412-426

27. Нейман В. Приэлектродные процессы в газовом разряде высокого давления: В сб. "Экспериментальные исследования плазмотронов". Новосибирск: Наука, 1977. - С.253-292

28. Зимин A.M., Козлов Н.П., Хвесюк В.И. О взаимосвязи катодных процессов электрических дуг// ЖТФ. 1973. - №6. - С. 1248-1254.

29. Мосиашвили О.Я., Суладзе Р.Н., Ерошев Ю.В. Тепловая нагрузка на вольфрамовый катод сжатой дуги//Автоматическая сварка. 1966. -№11. - С.20-23

30. Clarence E.J. The Science of Arc Welding// Welding Journal. 1960. -№4. - p. 147-158

31. Дороднов A.M., Козлов Н.П., Помелов Я.А. Об аномально высокой эмиссионной способности термокатода в дуговом разряде в среде инертных газов // Теплофизика высоких температур. 1971. - №3. -С.487-493

32. Neurath P.W., Gibbs J.W. Arc Cathode Emission Mechanisms at High Currents and Pressures // Journal of Applied Physics. 1963. - №2. -p.277-283

33. Хардер P.Л., Кэнн Дж.Л. Влияние теплообмена на характеристики катода. Техн. перевод № 1200., 1968г. - Источник: AIAA. - Paper №66-187.- 1966.-8р.

34. Быховский Д.Г. Плазменная резка. Л.: Машиностроение, 1972.-166с.

35. Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ, пособие. Минск: Вышэйш. шк., 1976. - 270 с.

36. Косович В.А., Лапин И.Е. Неплавящиеся электроды для дуговой сварки в инертных газах: Учеб. пособие / ВолгГТУ. Волгоград. -1997. - 120с.

37. Саммервилл Дж. М. Электрическая дуга. Л.: Госэнергоиздат, 1962. -120 с.

38. Лесков Г.И., Хренов К.К. Катодные процессы сварочной дуги с плавящимися электродами//Автоматическая сварка. 1966. - №10. - С.5-9

39. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. М.: Машиностроение, 1989.-264 с.

40. Шоек П.А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона/ В сб. Современные проблемы теплообмена, Л.: Энергия, 1966. С.110-139.

41. Кулагин И.Д., Николаев A.B. Тепловая баланс сварочной дуги постоянного тока в газах в период формирования капли// Изв. АН СССР, отд. техн. наук. 1958. - №11. - С.89-91

42. Косович В.А., Полупан В.А., Седых B.C. и др. Сравнительная оценка работоспособности неплавящихся электродов различных конструкций // Сварочное производство. 1987. - №8, с. 19-20

43. Косович В.А., Полупан В.А., Панин A.B., Яровинский Ю.Л. Особенности работы вольфрамовых электродов полых катодов в аргоне при атмосферном давлении // Сварочное производство. -1986. - №9. - с.14-15

44. Kou S., Tsai М.С. Thermal Analysis of GTA Welding Electrodes // Welding Journal. 1985. - №9. - p.266s-269s.

45. Косович В.А., Маторин А.И., Седых B.C. Особенности тепловых процессов в вольфрамовых электродах // Сварочное производство. 1981. - №11. -с.6-7

46. Авт. свид. 829376 Косович В.А., Маторин А.И., Протасенко A.C., Седых B.C. Неплавящийся электрод для дуговой сварки.

47. Авт. свид. 1057216 Киселев Л.А., Нетисов В.Г., Ан С.И., Лепехин Ю.П., Коринец И.Ф. Неплавящийся электрод.

48. Патент 3019330 Frank С. Guida Electrode for inert GAS shielded electric welding and cutting.

49. Авт. свид. 593854 Ходаков В.Д., Славинский B.C., Климов A.C., Ямпольский В.М., Трофимов И.Ф., Фридлендер Л.М. Многоканальный полый катод к горелкам для дуговой сварки в вакууме.

50. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение. - 1974. - 768с.

51. Технология и оборудование сварки плавлением / Под ред. Г.Д. Никифорова. М.: Машиностроение. - 1986. - 320с.

52. Mikami H., Suzuki M., Ishii R. Rapports sur le comportement des electrodes de tungstene en soudage TIG // Soudage et techn. Connexes. 1966. - №7-8. - p. 333-336

53. Goodman I.S., Ehringer H.J., Hackman R.L. New Gas Tungsten-Arc Welding Electrodes // Welding Journal. 1963. - №7. - p.567-569

54. Справочник по сварке T. 2 / Под ред. E.B. Соколова. M.: Машгиз, 1961.-664 с.

55. Иванова О.Н., Рабкин Д.М., Будник В.П. Допустимые значения тока при аргоно-дуговой сварке вольфрамовыми электродами // Автоматическая сварка. 1972. - №11. - С.38-40

56. Елагин В.М., Кислюк Ф.И. О влиянии химического состава вольфрамового электрода на характер его разрушения и блуждание дуги // Сварочное производство. 1972. - №6. - С.6-9

57. Specification for Tungsten Arc Welding Electrodes. AWS A5. p. 12-80

58. Recommended Practices for Gas Tungsten Arc Welding// Welding Journal. 1981. - №6. - p.43-44

59. Оборудование для дуговой сварки/ Справочное пособие/ Под ред. В.В. Смирнова. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 656 с.

60. Петров Г.Л. Сварочные материалы. Л.: Машиностроение, 1972. -280 с.

61. Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. Киев: Наукова думка, 1981. - 608 с.

62. Nobuyuki Jamauchi, Tahao Taka, Manabu Oh-i. Development and application of high Current TIG process (Scholta welding process)// The Sumitomo Searct. 1981. - №25. - p.87-100.

63. Полупан В.А. Разработка и исследование неплавящихся электродов для сварки в аргоне на токах до 1000 А: Дисс. канд. техн. наук. -Волгоград, 1988.

64. А.с. 1426718 СССР, МКИ В23К 9/00. Устройство для сварки переменным током/ Булатов О.Г., Иванов B.C., Поляков В.Д. и др.1. СССР).

65. Hinchen J. Avoiding problems when welding aluminium// Welding and Metal Fabrication. 1988. - №3. - p. 132-138

66. Square wave TIG 300-400// Switweld report. 1990. - №1. - p. 25-29

67. Hiroshi M., Yoshinori H. Rectangular wave AC TIG welding of aluminium alloy// Technol. Repts Osaka University. 1988. - № March, 9. - p.77-85

68. Schweibgerat fur Handwerk und industrie// Alum. Kurier. 1989. - N21. -S. 38-41

69. Qilong W., Jiuhai Z., Yanping L. Dinamic characteristics of TIG welding arc with AC square wave// Harbin, 1985. 7 p. (IIW Doc., №212-609-85)

70. Закс М.И., Каганский Б.А., Печенин A.A. Трансформаторы для электродуговой сварки. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 136 с.

71. Применение генераторов постоянного тока для сварки алюминиевых сплавов разнополярными импульсами/ Л.Н. Быков, Н.М. Воропай, В.А. Мищенков, Л.Л. Павлов//Автоматическая сварка. 1972. - №5. - С.72-73

72. Источники питания для дуговой сварки с использованием инверторов/ И.В. Пентегов, С.Н. Мещеряк, В.А. Кучеренко и др.// Автоматическая сварка. 1982. - №7. - С.29-35

73. Источник питания для сварки алюминиевых сплавов прямоугольными импульсами/ Л.Н. Быков, Н.П. Воропай, В.А. Мищенков, Л.Л. Павлов// Автоматическая сварка. 1972. - №7. -С.72-73

74. Косович В.А., Маторин А.И., Седых B.C., Полупан В.А. Композиционные неплавящиеся электроды для аргонодуговой сварки// Сварочное производство. 1983. - №5. - С. 17-18.

75. Руссо В.Л. Дуговая сварка в инертных газах. Л.: Судостроение, 1984. - 120 с.

76. Патент N22135336. Устройство для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока. Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Савинов A.B.

77. Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высшая школа, 1980. - 468 с.

78. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник. М.: Атомиздат, 1968. - 484 с.

79. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов/ Н.Б. Варгафтик, Л.П. Филиппов, A.A. Тарзиманов, Е.Е. Тоцкий. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

80. Косович В.А., Лапин И.Е., Савинов A.B. Выбор формы рабочей зоны неплавящегося электрода для сварки в аргоне дугой постоянного тока // Сварочное производство. 1997. - N22. - С. 33-35.170

81. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А., Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., испр. - М.: Наука, 1986. -544 с.

82. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. -М.: Наука, 1972.-592 с.

83. Оботуров В.И., Толкачев Ю.И. Некоторые особенности образования и разрушения окисных плен при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов // Сварочное производство. 1973. - №11. - С. 22-24.

84. Рабинович И.Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. Источники питания дуги. М.: Машгиз, 1958. - 380 с.

85. Руссо В.Л., Суздалев И.В., Явно Э.И. Влияние напряжения дуги и геометрии заточки неплавящегося электрода на силовое воздействие дуги// Сварочное производство. 1977. - №7. - С. 6-8.

86. Авторское свидетельство №944836 (СССР).

87. Ерохин А.А., Букаров В.А., Ищенко Ю.С. Влияние геометрии вольфрамового катода на некоторые характеристики сварочной дуги и проплавление металла// Сварочное производство. 1971. - №12. -С. 17-19.

88. ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Руководство по аргонодуговой сварке соединений элементов алюминиевых строительных конструкций. М,. 1984. - 130 с.