автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Стабилизация формирования швов при высокоскоростной дуговой сварке неплавящимся электродом

005005715

Полесский Олег Александрович

СТАБИЛИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ШВОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

Волгоград-2011

005005715

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ЛАПИН Игорь Евгеньевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СИДОРОВ Владимир Петрович.

кандидат технических наук КИРИЛИЧЕВ Николай Васильевич.

Ведущая организация ОАО «Производственное объединение

«Баррикады», г. Волгоград

Защита состоится 23 декабря 2011 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.28.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «23» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время в машиностроении широкое применение находят высоколегированные стали, цветные металлы и их сплавы, основным способом соединения которых является сварка неплавящимся электродом. Современные темпы производства обуславливают высокие требования к производительности процесса и качеству формирования шва при сварке.

Исследованиям в области дугового разряда в инертных газах, а также его взаимодействию со свариваемым материалом посвящены работы А. А. Ерохи-на, А. Д. Размышляева, А. В. Петрова, В. П. Сидорова, Л.М. Лобанова, И. В. Пентегова, И. М. Ковалева, В. Н. Селяненкова, В. А. Косовича, А. В. Савинова, Т. W. Eagar, W. F. Savage, V. P. Kuianpaa, A. Kumar, T. DebRoy, J. F. Key, И. B. Суздалева, В. Л. Руссо и многих других.

Основными путями повышения производительности дуговой сварки являются увеличение силы тока и применение активирующих флюсов и добавок галоидосодержащих газов (работы В. П. Прилуцкого, В. Н. Замкова, С. Г. Паршина и др.), обеспечивающих контрагирование дугового разряда, и, как следствие, высокую концентрацию вводимой энергии. Однако реализовать на практике первый способ, в большинстве случаев, не удается ввиду нарушения формирования швов и низкой стойкости рабочего участка неплавящегося электрода традиционной конструкции. Применение активирующих флюсов также негативно сказывается на стойкости катодов и неэффективно при токах свыше 275А вследствие того, что пары флюса уносятся из дуги и перестают влиять на ее строение.

В работах И. М. Ковалева, А. Д. Размышляева, Г. Г. Чернышева показано, что воздействие внешнего электромагнитного поля на дугу при сварке неплавящимся электродом позволяет улучшить формирование и качество металла сварного шва, а также повысить производительность процесса. Однако сложность дополнительного оборудования и минимизация эффекта при сварке на высоких значениях силы тока, а также соединении ферромагнитных материалов сдерживает широкое применение данного способа.

В литературе не полностью раскрыты механизмы влияния конструкции неплавящихся электродов на формирование швов, отсутствуют систематизированные данные о взаимосвязях формы рабочего и условий протекания катодных процессов с распределением давления дуги на сварочную ванну, характер которого в значительной мере определяет гидродинамические процессы в сварочной ванне.

В связи с вышеизложенным, для разработки путей и средств повышения производительности и стабильности процесса сварки неплавящимся электродом необходим комплексный подход, учитывающий влияние конструкции неплавящегося электрода на создаваемое протекающим по нему током электро-

Автор выражает глубокую благодарность заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору В. И. Лысаку за участие в формировании направления и методологической подготовке исследований, а также за оказанную помощь при их анализе

магнитное поле и, как следствие, термосиловое воздействие разряда на расплавленный металл сварочной ванны, определяющее проплавляющую способность дуги и качество формирования сварного шва.

Целью работы является повышение производительности сварки неплавя-щимся электродом на основе увеличения пространственной устойчивости дуги и стабильности формирования швов.

Для достижения поставленной цели в рабоуе решены следующие задачи:

1. Обобщены существующие представления о механизмах нарушения формирования швов при сварке неплавящимся электродом в инертных газах.

2. Разработаны методика и математическая модель определения топографии напряженности магнитного поля сварочного тока в зоне сварки.

3. Определено влияние электромагнитного поля, создаваемого рабочим участком электрода, на пространственную стабилизацию и положение анодного пятна дугового разряда.

4. Выявлена зависимость силового воздействия сварочной дуги от величины и характера распределения напряженности собственного магнитного поля тока.

5. На основе экспериментов и математического моделирования оценено влияние конструкции неплавящегося электрода и параметров режима сварки на электромагнитную составляющую давления дуги.

6. Разработаны пути и средства стабилизации формирования сварных швов при сварке неплавящимся электродом дугой постоянного тока на высоких значениях тока и скорости сварки.

Методы исследования В работе применялись методы физическо-математического моделирования, оптической пирометрии, исследования электромагнитных характеристик, цифровой видео- и фотосъемки, осциллографи-рование, металлографические исследования и механические испытания сварных соединений.

Научная новизна работы заключается в выявлении взаимосвязей формы рабочего участка неплавящегося электрода с особенностями формируемого им магнитного поля, характером протекания катодных процессов и пространственной стабильностью дуги при сварке на повышенных скоростях.

Разработана трехмерная физико-математическая модель процесса горения дуги с неплавящимся электродом, учитывающая геометрию основных элементов системы катод - анод, изменение их теплофизических свойств в зависимости от температуры, взаимодействие магнитного поля, создаваемым электродом, с собственным магнитным полем разряда, а также взаимосвязь этих параметров с пространственной устойчивостью последнего.

Показано, что при взаимодействии несимметричного магнитного поля тока в прикатодной зоне, определяемого формой рабочего участка электрода, с собственным полем разряда, формируются радиально направленные силы Лоренца, изменяющие распределение удельного теплового потока дуги с кругового на эллиптический.

Установлено, что формирование в прикатодной зоне сектора с пониженной напряженностью магнитного поля приводит к отклонению оси дугового разря-

4

да в направлении этой области, что позволяет компенсировать естественное отставание дуги при сварке на скоростях до 70 м/ч и обеспечивает переход к режиму горения дуги с диффузным катодным пятном при низких плотностях тока, не превышающих 25А/мм2.

Практическая ценность Разработаны на уровне изобретений и полезных моделей новые конструкции неплавящихся электродов, обеспечивающие горение дуги с диффузным катодным пятном на токах свыше 40 А, высокую пространственную устойчивость разряда и, как следствие, качественное формирование швов в широком диапазоне токов и скоростей сварки. Выработаны научно обоснованные рекомендации по сварке неплавящимся электродом в аргоне на высоких значениях погонной энергии, которые легли в основу разработки новых высокопроизводительных процессов сварки и наплавки толстостенных конструкций, а также высокоскоростной сварки тонколистовых металлов.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008 МАТИ (Москва - 2008), Славяновские чтения "Сварка — XXI век" (Липецк -2009), "Новые материалы и технологии в машиностроении" (Брянск - 2010), "Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве" (Орск - 2011), Заочная*всероссийская научно - техническая.конференция "Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства" (Тольятти - 2011), а также на XIII и XIV региональных конференциях исследователей Волгоградской области, ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (2008-2011гг.) и. научных семинарах кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" ВолгГТУ, г. Волгоград.

Публикации По результатам диссертации опубликовано 16 печатных работ, среди которых 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 130 страницы, 82 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 131 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности предмета исследований, формулируются цели и задачи диссертационной работы, определяется практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен подробный литературный анализ, рассмотрены основные проблемы формирования швов, возникающие при сварке неплавящимся катодом, а также возможные пути их решения. Показано, что при изучении процессов сварки в инертных газах неплавящимся электродом вопрос о влиянии силового воздействия дуги и ее пространственной устойчивости на качество формирования сварного соединения имеет существенное значение. Выявлено, что конструкция рабочего участка неплавящегося катода определяет

характер распределения магнитного поля и плотности сварочного тока, которые, в свою очередь, оказывают существенное влияние на указанные свойства дугового разряда.

Показано, что имеющихся данных по сварке неплавящимся электродом на высоких скоростях и значениях погонной энергии недостаточно для эффективного управления формированием шва.

Во второй главе приведены применяемые методики оценки проплавляющей способности дуги в аргоне, оптической пирометрии, исследования электромагнитных характеристик, цифровой видео- и фотосъемки, осциллографи-рования, металлографических исследований и механических испытаний сварных соединений.

В третьей главе представлены результаты исследования процессов образования дефектов при сварке неплавящимся электродом на повышенных скоростях. Показано, что их первопричиной является отставание анодного пятна, а также неравномерное движение последнего. В момент максимального отставания катодный плазменный поток вблизи поверхности металла принимает ориентацию, близкую к горизонтальной (рис.1), в результате чего формируются потоки металла, текущие преимущественно по бокам стенок кратера (рис. 2), которые, объединяясь при кристаллизации, приводят к нарушению формирования шва в виде бугров металла.

В образовании дефектов прослеживается периодичность, наблюдаемая как образование бугров и «перетяжек» через определенное расстояние, величина которого определятся скоростью сварки, объемом расплавленного металла, а также величиной силового воздействия дугового разряда. О последнем свидетельствует существенное влияние конструкции не-плавящегося электрода на процесс формирования сварного шва. Так, известно, что применение полого катода в определенных режимах стабилизирует формирование шва.

На дискретность перемещения анодного пятна, а, следовательно, и расплавленного металла сварочной ванны значительное влияние оказывает величина тока дуги. Повышение 1Д от 300 до 500 А приводит к росту максимального значения отставания анодного пятна от оси катода до 18 ... 20 мм, что вызывает увеличение размеров получаемых дефектов в виде бугров.

Выявление эффективных путей решения сложной и многофакторной задачи стабилизации формирования швов возможно на основе теоретического описания термосилового воздействия дуги на сварочную ванну и создания на этой базе полноценной математической модели, учитывающей роль в этом процессе большинства значащих факторов.

Рис. 1 - Отклонение дуги при высокой скорости сварки

В ходе исследований разработана математическая модель, позволяющая получить распределение магнитных полей, давления, температуры и плотности тока при различных параметрах режима сварки и формы рабочего участка электрода.

Рис. 2 - Образование дефектов при сварке электродом с конической заточкой: 1д = 500А

Расчет модели основан на методе конечных элементов с использованием программного продукта Согшо] тиШрЫасз 3.5. При этом принимали во внимание зависимости физических свойств материалов от температуры.

Геометрические параметры модели включают в себя три объемных тела: медная пластина (анод), вольфрамовый электрод и область, заполненная защитным газом (аргоном). Так как модель строится в трехмерной прямоугольной системе координат, форма рабочего участка может быть несимметричной.

Процессы переноса тепла описываются дифференциальным уравнением энергии в общем виде для изобарного процесса переноса теплоты (1), т.к. дуговой разряд горит при атмосферном давлении. Перенос теплоты осуществляется по закону Фурье. Значение разности изобарной (Ср) и изохорной (С„) теплоем-костей мало и можно принять, что они равны, тогда уравнение теплопроводности примет вид:

+ (1)

где р - плотность вещества, Ср - изобарная теплоемкость, V- ротор векторного поля, к — коэффициент теплопроводности, - коэффициент поглощения.

В связи с тем, что в дуговом процессе выделение тепла обусловлено прохождением электрического тока, в качестве источника теплоты <2 в уравнении (1) выступает джоулево тепло Ц — / • Е — оЕ2, определяемое по закону Джоуля-Ленца, где а - электропроводность, Е - напряженность электрического поля. Для области, заполненной газом, с учетом конвективного теплообмена (1) принимает вид:

рСр^ + \7(-к\7Т) = а + ЧзТ - рСр • и • УТ + т^Уи + (Уи)т - (2/3)(Уи)1 ]: Уи, где и - поле скоростей течения газа, г/ - коэффициент динамической вязкости.

Для определения распределения давления и векторного поля скоростей использовалось уравнение течения сжимаемого газа (Навье - Стокса):

Руг + р(и ■ 7)и = V • [р\ + г)(уи + (Уи)т) - (2Ч/3 - кйч)(уи)1] + Р , (2) где к- коэффициент продольной вязкости.

В качестве массовой силы F в (2) используется сила Лоренца. Таким образом, дополнение системы уравнениями Максвелла для поля в сплошной среде позволит описывать явления магнитогидродинамики плазмы дуги.

Определение электромагнитных сил и джоулевого эффекта во всех элементах модели требует вычисления плотности тока и магнитной индукции. Для достижения этой цели, вычисляются связанные уравнением непрерывности функции электрического потенциала V и магнитного векторного потенциала А:

—V(ctv X (V X А) + crVV - И = 0 (3)

V X X А) - от X (V X А) + ffVV = Je, (4)

где Цо - магнитная постоянная, цг - магнитная проницаемость среды, f - плотность внешнего тока, v - скорость течения плазмы.

Плотность тока в средах определяется согласно закону Ома J = оЕ.

Векторы магнитной индукции В, потенциалов и напряженности магнитного поля связаны через выражения:

В = V X А (5)

Я=^В-1, (6)

Но

где Н- напряженность магнитного поля, J - вектор намагниченности.

Граничные условия для граней и поверхностей модели указываются в трех объемных телах, по каждому из основных дифференциальных уравнений.

Для решения систем уравнений использовались Direct(PARDISO) и Di-rect(UMFPACK).

Системы уравнений теплопроводности и течения газа решались в нестационарном режиме, а токов и потенциалов - в стационарном. Использование нестационарных систем обусловлено необходимостью инициирования дугового процесса, что может быть достигнуто различными методами.

В начальный момент времени температура всего объема аргона равна 6000 К. При этом электропроводность газа является достаточной для протекания начального тока и разогрева междугового промежутка. Такие условия способствуют равномерному нагреву, беспрепятственному развитию катодных процессов и получению достоверной картины формирования разряда. В дальнейшем потоком защитного газа с температурой 20 °С перегретый аргон вытесняется через открытые границы.

Главным преимуществом использования модели является возможность получения информации о нескольких параметрах в определенный момент времени, что позволяет выявить их взаимовлияние.

С помощью модели установлены взаимосвязи между собственным магнитным полем дуги и магнитным полем, создаваемым током, текущим по электродам. Так как собственное поле дуги не является внешним по отношению к ее столбу и поэтому не может вызвать отклонение, магнитное поле тока, текущего по электродам, по отношению к дуге будет внешним.

Исследования изменения напряженности магнитного поля по радиусу дуги показывают, что величина максимального давления дуги и его распределение определяются крутизной нарастания Н9 (рис. 3). Характерно, что схожему распределению магнитного поля вокруг различных конструкций неплавящихся электродов (рис. 3, 1, 2) соответствуют близкие значения распределения давления дуги (рис. 3, 5, б). Таким образом, регулирование сжатием дуги (пинч-эффектом), влияющим на ее силовое воздействие, возможно посредством изменения формы рабочего участка электрода, то есть характера распределения магнитного поля тока.

Р, Па

32

16

#„• 104А/м

г, мм

Рис. 3 - Радиальное распределение напряженности магнитного поля Н„ вблизи катода (1...3) и давления Р на сварочную ванну (4 ... 6):

Сила тока - 200 А, диаметр электрода -3 мм, длина дуги - 3 мм, защитный газ -аргон;

1,3- электрод, заточенный на конус а=60°; 2,4 - полый катод; 3,5 - заточка на обратный конус

Близкое к однородному внешнее магнитное поле вблизи катода, также достигается за счет конструкции его рабочего участка. Таким образом, с помощью создания магнитного поля определенной конфигурации можно придать источнику тепла некруговую форму, а также изменить направление силового воздействия дуги в процессе сварки.

Достижение режима горения дуги с диффузным катодным пятном возможно при интенсивном и равномерном нагреве рабочего участка электрода. На основе проведенных с помощью описанной модели разработана новая конструкция неплавящегося электрода (патент РФ № 88308, рис. 4), обеспечивающая режим горения дуги с диффузным катодным пятном и формирование близкого к однородному поперечного магнитного поля.

В ходе исследований выявлено, что область минимума напряженности магнитного поля (рис. 5) находится на торцевых поверхностях электрода и в прорези рабочего участка. Катодные пятна, преимущественно, занимают эти области, а столб дуги смещается в прорезь и занимает положение по оси электрода. В результате протекания сварочного то-

1

Г

е.

в

Рис. 4 - Конструкция неплавящегося электрода с прорезью на рабочем участке: 5 - ширина прорези, Н - высота прорези

ка в прорези образуется двунаправленное магнитное поле, близкое к однородному поперечному (рис 5, 2), которое является внешним по отношению к полю дуги. В результате на дуговой разряд начинают действовать радиально направленные силы Лоренца, изменяя распределение теплового потока в сварочную ванну с кругового на эллиптический.

В процессе выхода электрода на рабочий ток дуговой разряд возникает на одной из частей рабочего участка. Свойства разряда при этом схожи с дугой с сосредоточенным катодным пятном. По мере разогрева электрода катодное пятно смещается в область прорези и осуществляется переход к дуге с диффузным катодным пятном.

Рис. 5 - Линии и направление вектора напряженности магнитного поля дуги с электродом с прорезью на рабочем участке:

1 - сечение торца электрода;

2 - направление вектора напряженности;

3 - линии напряженности

Процесс такого перехода осуществляется скачкообразно и сопровождается снижением напряжения на 1,5 ... 2,5 В (рис. 7). В процессе сварки дуговой разряд стабильно горит в широком диапазоне токов (рис. 6), без флуктуаций катодного пятна по рабочему участку электрода.

Переход дуги к диффузному катодному пятну (смещение ее в прорезь) соответствует определенному значению силы тока, различному для конкретных геометрических параметров конструкции электрода (рис. 4).

Факт существования диффузного катодного пятна, определяющим для которого является низкая плотность тока термоэмиссии электронов, подтверждается меньшим катодным падением напряжения горения дуги. По форме вольтамперные характеристики дуги с электродом с прорезью на рабочем участке пологовозрастающие, причем крутизна возрастания повышается с увеличением длины дуги.

1 2

Рис. 6 —Дуга с неплавящимся электродом с прорезью на рабочем участке:

а) - вид спереди; б) - вид сбоку

ид,в

Таким образом, с помощью прорези у рабочего участка не-плавящегося электрода создается однородное, но симметричное и двунаправленное поле, а тепловой поток сварочной дуги коак-сиален относительно оси электрода. Отклонение дуги достигается в том случае, если напряженность магнитного поля будет иметь асимметрию (рис. 8). Такое распределение магнитного поля обеспечивает разработанная конструкция неплавящегося электрода с пазом на рабочем участке (рис. 9).

Наличие паза на рабочем участке формирует область с низкой напряженностью поля, создаваемого протекающим током, что приводит к смещению дугового разряда в эту область. Образование поперечного, близкого к однородному, магнитного поля, являющегося внешним по отношению к дуге, приводит к появлению радиально направленной силы Лоренца, действующей на дуговой разряд и отклоняющей его (рис. 10).

Величина асимметрии поля, преимущественно, определяется глубиной паза, увеличение которой выше определенного значения приводит к снижению максимального значения силовой характеристики поля.

Рис. 7 — Вольтамперные характеристики дуги с неплавящимся электродом в аргон: 1 -заточка на конус, а=45°; 2 — с прорезью на рабочем участке, толщина 5 = 1мм; 1д =2 мм

Щ Рис. 8 - Линии и направление вектора напря-~ тах женности магнитного поля дуги с электродом с ^ пазом на рабочем участке: ~ 1 - сечения торца электрода;

2 - направление вектора напряженности; ZZ 3 - линии напряженности

— min

1 2 3

Отклонение дуги в направлении вектора скорости сварки значительно расширяет технологические возможности дуги, поскольку компенсация естественного ее отставания при высоких скоростях позволяет добиться качественного формирования швов и повышения производительности сварки.

Рис. 9 - Конструкция неплавящегося электрода с пазом на рабочем участке: Б-ширина паза, Н- высота паза, I-глубина паза

Как и в случае применения электрода с прорезью, дуга возбуждается на одном из нижних углов на рабочем участке, образованных пазом, но т.к. сечение рабочего участка сплошное, сила, отклоняющая дугу, действует сразу. Угол отклонения дуги практически не зависит от силы тока, что, по-

видимому, объясняется балансом между ростом отклоняющей силы и силы, стабилизирующей дуговой разряд при больших значениях тока. При достаточном разогреве рабочего участка на определенном значении тока катодное пятно занимает внутренние области паза, что приводит к эффекту диффузного катодного пятна.

Такой режим достигается при глубине прорези/паза не менее диаметра электрода и исключает локализацию активного пятна дуги на рабочем торце электрода.

Это позволяет существенно увеличить скорость сварки и повысить производительности процесса. Кроме этого режим горения дуги с диффузным катодным пятном способствует существенному улучшению формирования швов. Наличие в области паза магнитного поля с низкой напряженностью приводит к формированию катодного пятна дуги на плоскостях электрода, образованных пазом.

Электрод с пазом на рабочем участке обеспечивает повышение производительности процесса за счет обеспечения качественного формирования шва при сварке на скоростях до 70м/ч. При этом снижается также вероятность образования прожогов при сварке.

В таблицах 1, 2 указаны ориентировочные диапазоны рабочих токов и геометрических параметров рабочего участка предлагаемых катодов, обеспечи-

4

Рис. 10 - Форма и характер горения дуги: электрод с пазом на рабочем участке

Таблица 1

Диаметр рабочего участка электрода, мм Толщина прорези, мм Глубина прорези, мм Диапазон рабочих токов, А

3 0,7... 0,9 3,0 ... 5,0 190 ... 410

4 1,0 ... 1,2 4,0 ... 8,0 210 ... 620

5 1,3 ... 1,5 5,0 ... 10,2 250 ... 750

вающие горение дуги с диффузным катодным пятном и качественное формирование сварных швов в широком диапазоне токов на высоких скоростях сварки.

Таблица 2

Конструктивные параметры и допустимые токи для электрода с пазом

Диаметр рабочего участка электрода, мм Толщина паза, мм Длина паза, мм Диапазон рабочих токов, А

3 0,7 ... 0,9 3,5 ... 5,2 90 ... 350

4 1,0 ... 1,2 4,2 ... 8,2 150 ... 580

5 1,3 ... 1,5 4,8 ... 10,4 260... 700

В четвертой главе рассмотрены технологические возможности дуги с применением разработанных конструкций электродов.

Показано, что при сварке электродом с прорезью, ориентированной вдоль направления сварки, имеет место узкая и удлиненная сварочная ванна (рис. 11, а). Иная картина наблюдается при положении прорези поперек направлению сварки: ширина шва увеличивается на 40... 45% (рис. 11, б), а глубина про-плавления уменьшается в 2,5...3 раза.

Безусловно, этот эффект наиболее выражен при сварке металла с близким к полному проплавлением, при глубине проплавления менее 1/3 толщины основного металла, а также скорости свыше 30 м/ч разница в размерах шва, полученных от различно ориентированных электродов, уменьшается.

Максимальная глу- -бина проплавления при расположении плоскости прорези по направлению сварки, достигается при ее ширине Б = 1 ... 1,2 мм (рис. 12, 3). Меньшее значение, по-видимому, не обеспечивает требуемой плотности тока на рабочем участке и достаточной стабилизации дуги в прорези, в результате чего катодное пятно перемещается по торцевым поверхностям. При значении Б > 1,2 мм силовое воздействие дугового разряда на металл сварочной ванны уменьшается, что приводит к снижению глубины проплавления и увеличению ширины шва.

Увеличение значения Б у электрода с расположением прорези поперек направления сварки приводит к увеличению ширины шва (рис. 12, 7) и обеспечивает низкую глубину проплавления. Таким образом, более широкая прорезь позволяет добиться снижения и более равномерного распределение давления дуги на поверхность сварочной ванны и, как следствие, минимизации проплавления при максимальной ширине шва.

а) б)

Рис. 11 - Форма дуги и вид сварочной ванны при различном положении прорези относительно направления сварки: а) прорезь вдоль, б) прорезь поперек; электрод ЭВЛ-20, 04мм, ширина прорези 5= 1мм, 1д = 500А, 1д = 3 мм, Усе=20м/ч

Влияние высоты прорези на технологические свойства дуги заключаются в обеспечении достаточной площади для катодных пятен. При ее малом значении и большой величине силы тока размеры катодного пятно могут превысить площадь, образованную внутренними гранями. В этом случае могут наблюдаться хаотичные флуктуации катодного пятна по всей поверхности рабочего участка и нестабильное горение дуги. Увеличение высоты прорези не приводит к изменениям технологических характеристик последней.

Рис. 12- Влияние ширины прорези (8) на геометрические размеры шва:

1 - ширина шва "е" (прорезь поперек),

2 — ширина шва "е" (прорезь вдоль)

3 - глубина проплавления "к" (прорезь вдоль),

4 - глубина проплавления "к" (прорезь поперек); электрод ЭВЛ-20, 04мм, 1д = 450А, 1д = 2 мм

5, мм

Для оценки работоспособности разработанных конструкций неплавящихся электродов проведены эксперименты (рис. 13), результаты которых показали, что по длительной стойкости они значительно превосходят электроды с конической заточкой рабочего участка.

Меньшая стойкость электрода с пазом на рабочем участке, на низких значениях силы тока (рис. 13, 4) объясняется режимом работы с сосредоточенным

Рис. 13 — Длительная стойкость неплавящихся электродов различной конструкции; электрод ЭВЛ-20, 0=4мм, 1д = 3 мм;

1 - конус 30°,

2 - конус 45°,

3-е прорезью 8=1,2 мм, 4 — с прорезью 8=1,0 мм; 5-е пазом

200 300 400 I, А

катодным пятном. При больших значениях тока, когда катодное пятно не локализуется, а занимает грани, образованные пазом, время работы повышается.

Анализ результатов проведенных исследований позволил выработать научно обоснованные практические рекомендации по выбору параметров сварки неплавящимся электродом в аргоне на высоких значениях силы тока и скорости, которые легли в основу разработки новых высокопроизводительных про-

цессов сварки и наплавки толстостенных конструкций, а также высокоскоростной сварки тонколистовых торцовых соединений. Внедрение научных разработок позволит повысить производительность и качество сварки корневых швов за счет снижения давления дуги на сварочную ванну и оптимального его распределения.

Общие выводы

1. Установлены основные закономерности нарушения формирования швов и образования дефектов при сварке неплавящимся электродом на высоких значениях тока и скорости сварки, причиной которых является отставание анодного пятна, а также неравномерное движение последнего, причем в образовании дефектов прослеживается периодичность, наблюдаемая как образование «перетяжек» через определенное расстояние, величина которого определятся скоростью сварки, объемом расплавленного металла, а также величиной силового воздействия дугового разряда.

2. Показано, что на дискретность перемещения анодного пятна, а, следовательно, и расплавленного металла сварочной ванны значительное влияние оказывает величина тока дуги. Так, повышение 1д от 300 до 500 А приводит к росту максимального значения отставания анодного пятна от оси катода до 18 ... 20 мм, что вызывает увеличение размеров получаемых дефектов. При токах дуги 100 ... 250 А не наблюдается значительной дискретности перемещения разряда и масс расплавленного металла сварочной ванны, что, наряду с низким давлением на ее поверхности, обуславливает бездефектное формирование сварного шва.

3. Разработана трехмерная физико-математическая модель процесса горения дуги с неплавящимся электродом, позволяющая строить распределения давления, скоростей течения газа, температуры, напряженности магнитного поля, плотности тока, потенциала (падения напряжения), удельного теплового потока на поверхности сварочной ванны, в электроде и дуговом промежутке и учитывающая взаимосвязь этих параметров с геометрией рабочего участка электрода и пространственной устойчивостью дугового разряда.

4. Установлено, что максимальное значение давления дуги зависит от напряженности магнитного поля вблизи катодного пятна, а характер распределения связан с крутизной нарастания кривой и величины радиуса дуги. Регулирование сжатием дуги (пинч-эффектом), влияющим на ее силовое воздействие, возможно посредством изменения формы рабочего участка электрода, обуславливающей характер распределения магнитного поля тока.

5. Выявлено, что уменьшение напряжения дуги при смещении дуги в прорезь рабочего участка неплавящегося электрода обусловлено изменением характера термоэмиссионных процессов и образованию диффузного катодного пятна. В рабочем режиме, падение напряжения на дуге в случае применения электрода с прорезью на рабочем участке меньше на 2,5 ... 3 В в сравнении с электродом, заточенным на конус.

6. Показано, что при взаимодействии несимметричного магнитного поля тока в прикатодной зоне, определяемого формой рабочего участка неплавяще-гося электрода, с собственным полем разряда, формируются радиально направленные силы Лоренца, которые изменяют распределение теплового потока с кругового на эллиптический.

7. С помощью изменения собственного магнитного поля тока посредством конструкции рабочего участка неплавящегося электрода, обеспечивается эффект, аналогичный применению внешнего магнитного воздействия. С ростом силы сварочного тока угол отклонения дугового разряда практически не изменяется ввиду баланса силовых характеристик отклоняющего и стабилизирующего полей.

8. Установлено, что формирование в прикатодной зоне сектора с пониженной напряженностью магнитного поля приводит к отклонению оси дугового разряда в направлении этой области, что позволяет компенсировать естественное отставание дуги при сварке на скоростях до 70 м/ч и обеспечивает переход к режиму горения дуги с диффузным катодным пятном при низких плотностях тока, не превышающих 25 А/мм2.

9. Показано, что эллиптическое распределение термосилового воздействия дуги с электродом с прорезью на рабочем участке существенно расширяет технологические характеристики процесса. Различная ориентация прорези относительно направления сварки существенным образом влияет на форму и размеры шва. В случае положения прорези поперек направления сварки ширина шва на 40... 45% больше, а глубина проплавления в 2,5... 3 раза меньше, чем вдоль.

10. Выявлено влияние геометрических параметров рабочего участка неплавящегося электрода разработанной конструкции с технологическими параметрами дуги. Максимальная глубина проплавления при расположении прорези по направлению сварки достигается при ширине прорези Б = 1 ... 1,2 мм. Меньшее значение в не обеспечивает требуемой плотности тока на рабочем участке и достаточной стабилизации дуги в прорези. При значении Б>1,2 мм силовое воздействие дугового разряда на металл сварочной ванны уменьшается, что приводит к снижению глубины проплавления и увеличению ширины шва.

11. Разработаны на уровне изобретений и полезных моделей новые конструкции неплавящихся электродов, обеспечивающие горение дуги с диффузным катодным пятном на токах свыше 40 А, высокую пространственную устойчивость разряда и, как следствие, качественное формирование швов в широком диапазоне сварочных токов и скоростей.

12. На основе анализа результатов исследований выработаны научно обоснованные рекомендации по выбору параметров режима сварки неплавящимся электродом в аргоне на высоких значениях силы тока и скорости, которые легли в основу разработки новых высокопроизводительных процессов сварки и наплавки толстостенных конструкций, а также высокоскоростной сварки тонколистовых торцовых соединений.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:

Журнальные статьи из списка ВАК:

1. Влияние состава защитного газа и конструкции неплавящегося катода на проплавляющую способность дуги и формирование сварных швов / A.B. Савинов, В.И. Атаманюк, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.Л. Пермяков, O.A. Полесский // Сварочное производство. - 2009. - №12. - С.39 - 42.

2. Влияние конструкции неплавящегося электрода на формирование шва при аргонодуговой сварке / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.В. Арефьев // Известия ВолгГТУ. - 2010. - Выпуск 4. - С.14 - 19.

3. Определение профиля свободной поверхности сварочной ванны при дуговой сварке / A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сварка и Диагностика. - 2010. - № 1. - С.24 - 27.

4. Математическая модель давления дуги на сварочную ванну при сварке неплавящимся электродом / A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сварка и Диагностика. - 2010. - №2. - С.26 - 30.

5. Основные закономерности изменения энергетических и технологических характеристик дугового разряда в смесях инертных газов / A.B. Савинов, O.A. Полесский, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.В. Арефьев, // Сварка и Диагностика. -2010.- №6. -С.14- 16.

6. Моделирование тепловых процессов локальной электродуговой термообработки сварных соединений неплавящимся электродом / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.Н. Стяжин, A.B. Савинов, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2011. - № 3. - С. 44-48

Остальные публикации:

7. Пат. №88308 Российская Федерация, МКИ б В23К 35/02. Нешгавящий-ся электрод для дуговой сварки / Полесский O.A., Савинов A.B., Лапин И.Е., Арефьев И.В,, Лысак В.И. ; заявитель и патентообладатель Волгоградский гос. техн. ун-т. - заявл. 27.05.09. - опубл. 10.11.09, Бюл. №31.

8. Проплавляющая способность дуги при сварке неплавящимся катодом в инертных газах / В.И. Атаманюк, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, O.A. Полесский // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008: сб. статей. Москва, 2008. С. 29 - 31.

9. Кинетика формирования сварных швов при сварке неплавящимся катодом / И.Е. Лапин, O.A. Полесский, A.B. Савинов, В.И. Атаманюк // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" -НМТ-2008: сб. статей. Москва, 2008. С. 38 - 39.

10. Влияние защитного газа и конструкции неплавящегося катода на формирование сварных швов / A.B. Савинов, O.A. Полесский, В.И. Атаманюк, И.Е. Лапин // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008: сб. статей. Москва, 2008. С. 47 - 49.

11. Математическое моделирование распределения давления дуги на поверхности сварочной ванны при сварке неплавящимся электродом / И.Е. Лапин, A.B. Савинов, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Славяновские чтения "СВАРКА -XXI ВЕК": сб. статей, книга 2. Липецк, 2009. С. 150 - 154.

12. Кинетика нарушения формирования сварных швов при сварке дугой с неплавящимся электродом / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, Р.В. Алексеев, A.C. Христофоров, Ву Тхань Луан // Международная научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии в машиностроении": сб. статей. Брянск, 2010. С. 100- 103.

13. Влияние состава защитного газа на энергетические и технологические характеристики дугового разряда / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, Р.В. Алексеев, A.C. Христофоров, Ву Тхань Луан // Международная научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии в машиностроении": сб. статей. Брянск, 2010. С. 103 - 106.

14. Полесский, O.A. Повышение производительности дуговой сварки неплавящимся электродом / O.A. Полесский, И.Е. Лапин // XIV Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: тезисы докладов. Волгоград, 2010. С. 121 - 124.

15. Полесский, O.A. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом / O.A. Полесский, A.B. Залипаев // Всероссийская научно-практическая конференция "Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве": сб. статей. Орск, 2011. С. 50 - 53.

16. Распределение давления на поверхности сварочной ванны при сварке дугой постоянного тока неплавящимся электродом / С.С. Комаров, Н.С. Живо-тенко, O.A. Полесский, A.B. Савинов // Всероссийская научно-практическая конференция "Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве": сб. статей. Орск, 2011. С. 62 - 63.

Личный вклад автора. В представленных работах, выполненных в соавторстве с другими исследователями, автором получены и проанализированы результаты исследований энергетических и технологических характеристик дугового разряда [5, 13], распределения давления дуги на сварочную ванну [15, 16], а так же определено влияние конструкции неплавящегося электрода на проплавляющую способность дуги и формирование сварных швов [1, 2, 8 - 10, 12, 14], разработаны технические решения по реализации конструкций непла-вящихся электродов [7], методики и физико-математические модели распределения давления дуги на поверхность сварочной ванны [3, 4, 11] и тепловых процессов при локальной дуговой термообработки [6].

Подписано в печать 22.11.2011 г. Заказ № 753. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

61 12-5/1180

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет

Полесский Олег Александрович СТАБИЛИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ШВОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и

технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Лапин Игорь Евгеньевич

ВОЛГОГРАД-2011

Оглавление

Введение 4

Глава 1 Способы повышения производительности сварки неплавящим- 11 ся электродом в инертных газах (литературный обзор)

1.1 Газодинамическое воздействие дуги на металл сварочной 13 ванны

1.2 Влияние внешнего магнитного поля на технологические 26 свойства дуги

1.3 Формирование швов и образование дефектов при сварке 31 неплавящимся электродом

1.4 Давление сварочной дуги и его влияние на формирование 42 сварного соединения

1.5 Проплавляющая способность дуги с неплавящимся электр- 51 дом

1.6 Цель и задачи исследований 56 Глава 2 Материалы, оборудование и методики выполнения экспери- 58

ментов

2.1 Материалы и оборудование 58

2.2 Оценка проплавляющей способности дуги постоянного то- 62 ка с неплавящимся электродом

2.3 Методы исследования электромагнитных процессов 63

2.4 Определение силового воздействия дугового разряда на 66 расплавленный металл сварочной ванны

2.5 Методика визуализации катодных процессов и кинетики 67 формирования сварных швов

Выводы к главе 2 69

Глава 3 Исследование влияния формы рабочего участка электрода на 70 электромагнитное и термосиловое воздействие дуги

3.1 Исследование нарушения формирования швов при сварке 71 неплавящимся катодом

3.2 Математическая модель дугового разряда в инертных газах 75

3.3 Изучение свойств дугового разряда 86

3.4 Конструкции неплавящихся электродов 97

Выводы к главе 3 105

Глава 4 Технологические характеристики сильноточной 106 сварочной дуги в аргоне

4.1 Проплавляющая способность дуги с электродом с прорезью 106 на рабочем участке

4.2 Формирование швов при сварке сильноточной дугой 111

4.3 Стойкость неплавящихся электродов новых конструкции 114

4.4 Технологические рекомендации по аргонодуговой сварке 116 неплавящимся электродом новой конструкции

Выводы к главе 4 120

Литература 122 Приложения

Кандидатская диссертация_Введение_Полесский О.А.

Введение

В настоящее время в машиностроении широкое применение находят высоколегированные стали, цветные металлы и их сплавы, основным способом соединения которых является сварка неплавящимся электродом. Современные темпы производства обуславливают высокие требования к производительности процесса и качеству формирования шва при сварке.

Исследованиям в области дугового разряда в инертных газах, а также его взаимодействию со свариваемым материалом посвящены работы А. А. Ерохина, А. Д. Размышляева, А. В. Петрова, В. П. Сидорова, JI.M. Лобанова, И. В. Пентегова, И. М. Ковалева, В. Н. Селяненкова, В. А. Косовича, А. В. Савинова, Т. W. Eagar, W. F. Savage, V. P. Kuianpaa, A. Kumar, T. DebRoy, J. F. Key, И. В. Суздалева, В. JI. Руссо и многих других.

Основными путями повышения производительности дуговой сварки являются увеличение силы тока и применение активирующих флюсов и добавок галоидосодержащих газов (работы В. П. Прилуцкого, В. Н. Замкова, С. Г. Паршина и др.), обеспечивающих контрагирование дугового разряда, и, как следствие, высокую концентрацию вводимой энергии. Однако реализовать на практике первый способ, в большинстве случаев, не удается ввиду нарушения формирования швов и низкой стойкости рабочего участка непла-вящегося электрода традиционной конструкции. Применение активирующих флюсов также негативно сказывается на стойкости катодов и неэффективно при токах свыше 275А вследствие того, что пары флюса уносятся из дуги и перестают влиять на ее строение.

В работах И. М. Ковалева, А. Д. Размышляева, Г. Г. Чернышова показано, что воздействие внешнего электромагнитного поля на дугу при сварке неплавящимся электродом позволяет улучшить формирование и качество металла сварного шва, а также повысить производительность процесса. Однако сложность дополнительного оборудования и минимизация эффекта при сварке на высоких значениях силы тока, а также соединении ферромагнитных материалов сдерживает широкое применение данного способа.

Кандидатская диссертация_Введение_Полесский O.A.

В литературе не полностью раскрыты механизмы влияния конструкции неплавящихся электродов на формирование швов, отсутствуют систематизированные данные о взаимосвязях формы рабочего и условий протекания катодных процессов с распределением давления дуги на сварочную ванну, характер которого в значительной мере определяет гидродинамические процессы в сварочной ванне.

В связи с вышеизложенным, для разработки путей и средств повышения производительности и стабильности процесса сварки неплавящимся электродом необходим комплексный подход, учитывающий влияние конструкции неплавящегося электрода на создаваемое протекающим по нему током электромагнитное поле и, как следствие, термосиловое воздействие разряда на расплавленный металл сварочной ванны, определяющее проплавляющую способность дуги и качество формирования сварного шва.

Целью работы является повышение производительности сварки неплавящимся электродом на основе увеличения пространственной устойчивости дуги и стабильности формирования швов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Обобщены существующие представления о механизмах нарушения формирования швов при сварке неплавящимся электродом в инертных газах.

2. Разработаны методика и математическая модель определения топографии напряженности магнитного поля сварочного тока в зоне сварки.

3. Определено влияние электромагнитного поля, создаваемого рабочим участком электрода, на пространственную стабилизацию и положение анодного пятна дугового разряда.

4. Выявлена зависимость силового воздействия сварочной дуги от величины и характера распределения напряженности собственного магнитного поля тока.

5. На основе экспериментов и математического моделирования оценено влияние конструкции неплавящегося электрода и параметров режима сварки на электромагнитную составляющую давления дуги.

6. Разработаны пути и средства стабилизации формирования сварных швов при сварке неплавящимся электродом дугой постоянного тока на высоких значениях тока и скорости сварки.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 130 страниц, 82 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 131 наименований.

Во введении дается обоснование актуальности предмета исследований, формулируются цели и задачи диссертационной работы, определяется практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены и обобщены литературные данные по проблемам улучшения устойчивости дуги и формирования сварных швов, повышения производительности сварки; поставлены задачи исследований и намечены пути их решения.

Во второй главе приведены применяемые методики оценки проплавляющей способности дуги в аргоне силового и теплового воздействия разряда на металл сварочной ванны, нагрева неплавящихся электродов при сварке, а также методики исследования электромагнитных процессов и визуализации кинетики формирования сварных швов.

Третья глава посвящена разработке физико-математической модели горения дуги, получены взаимосвязи формы рабочего участка и характера распределения напряженности магнитного поля тока, приведены новые конструкции неплавящихся электродов.

Четвертая глава по результатам исследований выработаны методические и технологические рекомендации по сварке неплавящимся электродом

В приложении к работе приведен патент на полезную модель.

Научная новизна работы заключается в выявлении взаимосвязей формы рабочего участка неплавящегося электрода с особенностями формируемого им магнитного поля, характером протекания катодных процессов и пространственной стабильностью дуги при сварке на повышенных скоростях.

Кандидатская диссертация_Введение_Полесский O.A.

Разработана трехмерная физико-математическая модель процесса горения дуги с неплавящимся электродом, учитывающая геометрию основных элементов системы катод - анод, изменение их теплофизических свойств в зависимости от температуры, взаимодействие магнитного поля, создаваемым электродом, с собственным магнитным полем разряда, а также взаимосвязь этих параметров с пространственной устойчивостью последнего.

Показано, что при взаимодействии несимметричного магнитного поля тока в прикатодной зоне, определяемого формой рабочего участка электрода, с собственным полем разряда, формируются радиально направленные силы Лоренца, изменяющие распределение удельного теплового потока дуги с кругового на эллиптический.

Установлено, что формирование в прикатодной зоне сектора с пониженной напряженностью магнитного поля приводит к отклонению оси дугового разряда в направлении этой области, что позволяет компенсировать естественное отставание дуги при сварке на скоростях до 70 м/ч и обеспечивает переход к режиму горения дуги с диффузным катодным пятном при низких плотностях тока, не превышающих 25А/мм2.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:

Журнальные статьи из списка ВАК:

1. Влияние состава защитного газа и конструкции неплавящегося катода на проплавляющую способность дуги и формирование сварных швов / A.B. Савинов, В.И. Атаманюк, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.Л. Пермяков, O.A. Полесский // Сварочное производство. - 2009. - №12. - С.39 - 42.

2. Влияние конструкции неплавящегося электрода на формирование шва при аргонодуговой сварке / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.В. Арефьев // Известия ВолгГТУ. - 2010. - Выпуск 4. - С.14 - 19.

3. Определение профиля свободной поверхности сварочной ванны при дуговой сварке / A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сварка и Диагностика. - 2010. - №1. - С.24 - 27.

4. Математическая модель давления дуги на сварочную ванну при сварке неплавящимся электродом / A.B. Савинов, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сварка и Диагностика. - 2010. - №2. - С.26 - 30.

5. Основные закономерности изменения энергетических и технологических характеристик дугового разряда в смесях инертных газов / A.B. Савинов, O.A. Полесский, И.Е. Лапин, В.И. Лысак, И.В. Арефьев, // Сварка и Диагностика. -2010. -№6. -С. 14- 16.

6. Моделирование тепловых процессов локальной электродуговой термообработки сварных соединений неплавящимся электродом / И.В. Арефьев, И.Е. Лапин, В.Н. Стяжин, A.B. Савинов, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2011. - № 3. - С. 44-48

Остальные публикации:

7. Пат. №88308 Российская Федерация, МКИ 6 В23К 35/02. Неплавя-щийся электрод для дуговой сварки / Полесский O.A., Савинов A.B., Лапин И.Е., Арефьев И.В., Лысак В.И. ; заявитель и патентообладатель Волгоградский гос. техн. ун-т. - заявл. 27.05.09. - опубл. 10.11.09, Бюл. № 31.

8. Проплавляющая способность дуги при сварке неплавящимся катодом в инертных газах / В.И. Атаманюк, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, O.A. Полесский // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008: сб. статей. Москва, 2008. С. 29 - 31.

9. Кинетика формирования сварных швов при сварке неплавящимся катодом / И.Е. Лапин, O.A. Полесский, A.B. Савинов, В.И. Атаманюк // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008: сб. статей. Москва, 2008. С. 38 - 39.

10. Влияние защитного газа и конструкции неплавящегося катода на формирование сварных швов / A.B. Савинов, O.A. Полесский, В.И. Атаманюк, И.Е. Лапин // Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008: сб. статей. Москва, 2008. С. 47 - 49.

11. Математическое моделирование распределения давления дуги на поверхности сварочной ванны при сварке неплавящимся электродом / И.Е. Ла-

пин, A.B. Савинов, В.И. Лысак, O.A. Полесский // Славяновские чтения "СВАРКА -XXI ВЕК": сб. статей, книга 2. Липецк, 2009. С. 150 - 154.

12. Кинетика нарушения формирования сварных швов при сварке дугой с неплавящимся электродом / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, P.B. Алексеев, A.C. Христофоров, By Тхань Луан // Международная научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии в машиностроении": сб. статей. Брянск, 2010. С. 100-103.

13. Влияние состава защитного газа на энергетические и технологические характеристики дугового разряда / O.A. Полесский, A.B. Савинов, И.Е. Лапин, Р.В. Алексеев, A.C. Христофоров, By Тхань Луан // Международная научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии в машиностроении": сб. статей. Брянск, 2010. С. 103 - 106.

14. Полесский, O.A. Повышение производительности дуговой сварки неплавящимся электродом / O.A. Полесский, И.Е. Лапин // XIV Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: тезисы докладов. Волгоград, 2010. С. 121-124.

15. Полесский, O.A. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом / O.A. Полесский, A.B. Залипаев // Всероссийская научно-практическая конференция "Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве": сб. статей. Орск, 2011. С. 50-53.

16. Распределение давления на поверхности сварочной ванны при сварке дугой постоянного тока неплавящимся электродом / С.С. Комаров, Н.С. Жи-вотенко, O.A. Полесский, A.B. Савинов // Всероссийская научно-практическая конференция "Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве": сб. статей. Орск, 2011. С. 62 - 63.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: "Новые материалы и технологии" - НМТ-2008 МАТИ (Москва -2008), Славяновские чтения "СВАРКА - XXI ВЕК" (Липецк - 2009), "Новые

материалы и технологии в машиностроении" (Брянск - 2010), "Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве" (Орск -2011), Заочная всероссийская научно - техническая конференция "Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства" (Тольятти - 2011), а также на XIII и XIV региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, ежегодных внутривузовских конференциях ВолгГТУ (2008-2011гг.) и научных семинарах кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ВолгГТУ, г. Волгоград.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры сварки ВолгГТУ за помощь в проведении исследований и подготовке диссертации.

Глава 1 Способы повышения производительности сварки неплавящимся электродом в инертных газах (литературный обзор)

Сварка неплавящимся электродом является одним из ведущих технологических процессов при изготовлении конструкций ответственного назначения из цветных металлов и сплавов, высоколегированных и высокопрочных сталей, однако обладает низкой производительностью. Ее доля в общем объеме сварочного производства составляет не более 20...30 %. Пути повышения производительности процесса и качества формирования швов можно разделить на три группы.

Изменение концентрации энергии в пятне нагрева основано на действии активирующего флюса или галоидосодержащих газов, вводимых в зону сварки, и заключается в сжатии дуги, увеличении концентрации нагрева и давления дуги на сварочную ванну, увеличении в 2,5 раза проплавляющей способности дуги, а также уменьшении ширины шва в сравнении с традиционной сваркой неплавящимся электродом на том же токе [2 - 8]. Вместе с тем авторы [5] утверждают, что при сварке на токах более 215А пары флюса уносятся из дуги и перестают влиять на ее строение, а все зоны разряда по свойствам становятся такими же, как и без флюса. Это можно объяснить действием газодинамического напора, образующегося в дуге и в околодуговом пространстве.

Увеличение погонной энергии, то есть сварка на повышенных значениях силы тока и скорости сварки в некоторой степени может привести к повышению производительности. Однако существует предел допустимых токов, который зависит от многих факторов и не позволяет в значительной мере повысить производительность из-за резкого снижения качества формирования швов ввиду возникновения дефектов, таких как подрезы, раковины, бугры и газовые полости [9,12,13]. Подобные дефекты приводят к снижению прочностных свойств сварных соединений, а, следовательно, и к преждевременному выходу конструкции из строя [14]. При этом чувствительность процесса сварки к образова-

нию дефектов проплавления (непровары, прожоги), вызываемых, например, случайными колебаниями параметров режима сварки и геометрии соединения, возрастает с увеличением скорости сварки [15].

Повышение пространственной устойчивости дугового разряда в целом и стабильности положения его активных пятен являетс�