автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Формирование шва в щелевой разделке при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах

На правах рукописи

КРАМПИТ Андрей Гарольдовнч

ФОРМИРОВАНИЕ ШВА В ЩЕЛЕВОЙ РАЗДЕЛКЕ ПРИ ИМИУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Специальность 05.02.10-«Сварка, родственные процессы и технологии»

005532701

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

О 5 СЕН 2013

Ростов-на-Дону 2013

005532701

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Юргинском технологическом институте (филиал) Томского политехнического

доктор технических наук, профессор Ленивкин Вячеслав Андреевич,

ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Ростов-на-Дону;

доктор технических наук, профессор Лапин Игорь Евгеньевич,

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», г. Волгоград;

доктор технических наук, профессор Атрощенко Валерий Владимирович, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), г. Челябинск.

Защита состоится «8» октября 2013г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.058.01 при Донском государственном техническом университете по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан «}(р» августа 2013 г

Ученый секретарь диссертационного совета

университета (ЮТИ ТПУ). Официальные оппоненты:

Ведущая организация

О /; ..........-

, /, Д.В. Рогозин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Объем металла, используемого при изготовлении толстолистовых сварных конструкций, составляет 30% от всего объема металла при производстве сварных конструкций. Анализ производства сварных конструкций показал, что технологический процесс сварки в защитных газах при толщине металла 6 мм и более осуществляется с разделкой кромок под сварку, а это приводит к дополнительным затратам по трудоемкости и материалоемкости. При увеличении толщины свариваемого металла возрастает площадь сечения шва, что приводит к появлению сварочных напряжений и деформаций в сварном шве и околошовной зоне.

По мнению многих исследователей: Ардентова В.В., Руссо B.JI., Фатиева И.С., Михайлова В.И, Смирнова В.А., Барышникова А.П., Федосеенко Г.И., Денисова Б.С., Штрикмана М.М., Назарчука А.Т., Бурашенко И.А., Стеренбогена Ю.А., Новожилова Н.М., Дудко Д.А., Бельчука Г.А., Титова Н.Я., Островского O.E., и др. решать данную проблему целесообразно с учетом применения ресурсосберегающей технологии сварки в щелевую разделку. Однако, у существующей технологии сварки наряду с достоинствами есть недостатки, которые снижают возможность ее широкого применения в промышленности, а именно нестабильное горение дуги, и как следствие вероятность образования дефектов в сварных швах.

Несмотря на большое количество выполненных работ, применение сварки в щелевую разделку плавящимся электродом в защитных газах еще не соответствует возможностям и преимуществам, которые может обеспечить данный способ сварки. Это объясняется тем, что ряд вопросов, связанных с разработкой технологии сварки в щелевую разделку, все еще остается изученным недостаточно.

Основной проблемой, возникающей при сварке в щелевую разделку, является обеспечение надежности сплавления металла шва со стенками разделки. При сварке плавящимся электродом в защитных газах в процессе переноса электродного металла возникают возмущения, влияющие на стабильность горения дуги. Нарушение стабильности горения дуги в щелевой разделке за счет влияния ферромагнитных масс и эффекта магнитного дутья приводит к образованию дефектов в сварном шве: непровар в углах разделки (корневой слой); горячие трещины в центре шва и несплавление с кромкой разделки (заполняющие слои); «развал» кромок (облицовочный слой), а также шлаковые и газовые включения в сварном шве.

При сварке в щелевую разделку остается открытым вопрос управления формированием сварного шва за счет управления гидродинамическими процессами в сварочной ванне. Исследования процессов, протекающих в сварочной ванне, представлены в работах: Рыкалина H.H., Ерохина A.A., Прохорова H.H., Акулова А.И., Чернышова Г.Г., Рыбачука A.M., Руссо В.Л., Ерыгина В.И.,

Размышляева А.Д., Лескова Г.И., Березовского Б.М., Столбова В.И., Полоскова С.И., Букарова В.А., Гулакова C.B., Псараса Г.Г., Лапина И.Г. и др.

Одним из перспективных направлений в повышении эффективности дуговой сварки является введение в процесс электрических импульсов сварочного тока, с помощью которых возможно осуществлять управление переносом электродного металла и формированием шва. Исследователями в области управления процессами плавления и переноса электродного металла в среде защитных газов, а именно Дюргеровым Н.Г., Ленивкиным В.А., Сатаровым Х.Н., Патоном Б.Е., Зарубой И.И., Потапьевским А.Г., Шейко П.П., Болдыревым A.M., Князьковым А.Ф. и др. предложены различные способы импульсного воздействия на процесс сварки. Известно, что при сварке с периодически изменяющейся формой тока дуги можно получать управляемый перенос электродного металла в среде активных, инертных газов и их смесях, и появляется возможность управлять геометрическими параметрами шва и структурой кристаллизующегося металла.

Однако, в настоящее время нет единого алгоритма, описывающего процесс сварки в щелевую разделку и связывающего параметры импульсов сварочного тока с параметрами, характеризующими движение жидкого металла при наложении импульса, с помощью которого имелась бы возможность предотвращать появления дефектов в сварном шве. Настоящая работа посвящена выявлению особенностей формирования шва в щелевую разделку сварных соединений и разработке системы управления формированием слоев шва путём изменения энергетических параметров режима сварки.

Цель работы. Создание модели и алгоритма управления процессами послойного формирования шва и оборудования, реализующего их, для обеспечения качества соединения при сварке в щелевую разделку.

В работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по формированию шва в щелевой разделке для свариваемых материалов группы М01, направленные на предотвращение дефектов в сварных соединениях при сварке в защитных газах, за счет программирования процесса импульсно-дуговой сварки с дифференцирующим воздействием на корневой, заполняющий и облицовочный слои сварного шва.

Методы исследований. При исследовании процессов плавления и переноса электродного металла, поведения поверхности сварочной ванны применен метод «теневой» скоростной киносъемки с синхронным осциллографированием параметров режимов сварки, а также метод «прямой» видео- и фотосъемки сварочной дуги.

Наличие дефектов в сварных швах определено методом ультразвукового контроля с помощью дефектоскопа УД2-12. Измерение твердости проведено твердомером ТК-2М; механические испытания - на разрывной машине ИР-6055-500-0 и маятниковом копре МК-ЗОА. Микроструктура шлифов исследована с помощью

микроскопов МИМ-7, МЕТАМ Р1, химический состав определен на установке спектрографа ИСП-30.

Научная новизна.

1. Разработана модель процессов, протекающих в сварочной ванне при формировании сварного шва в щелевую разделку при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом, которая включает в себя: кинетические параметры движения жидкого металла в сварочной ванне, термические условия сплавления с боковой кромкой и в донной части, показатели термо-силового воздействия импульса сварочного тока, позволяющая прогнозировать формирование геометрических параметров шва и структуры металла сварного соединения:

- сплавление валика корневого слоя в донной части зависит от соотношения количества энергии, необходимой для проплавления заданной площади за период импульсно-дуговой сварки, к количеству энергии, передаваемой передней кромке и определяемой суммированием теплового потока на интервале действия импульса тока через изменяемую величину прослойки жидкого металла под дугой, вследствие изменения баланса сил в зоне активного пятна на поверхности ванны;

- величина жидкой прослойки (75) на кромке разделки во время действия импульса сварочного тока определяет надежность сплавления валика с вертикальной стенкой. Максимальная величина прослойки, обеспечивающая надежное сплавление при сварке заполняющих слоев, зависит от погонной энергии и теплофизических свойств металла (<5=0,8-5-1,7мм).

2. Показано, что момент отрыва капли электродного металла зафиксирован за счет скачка напряжения на дуговом промежутке, и, задавая временной интервал от этого момента до момента выключения силовых тиристоров, возможно следующее: дозировать энергию, идущую на расплавление капли электродного металла; стабилизировать размер переносимых капель электродного металла; обеспечивать равную полноту протекания металлургических реакций на стадии образования капли; получать химически однородный состав металла шва.

3. Обобщены и развиты методы управления параметрами импульсов сварочного тока и подачи электродной проволоки, совмещенных синфазно или синхронно.

Практическая ценность работы.

1. Разработан метод расчета параметров импульсов тока для сварочной дуги в защитных газах при послойной сварке в щелевую разделку с учетом получения бездефектного сварного соединения.

2. Разработаны и запатентованы способы:

- с комбинированным управлением системы импульсно-дуговой сварки и системы импульсного изменения скорости подачи электродной проволоки;

- импульсно-дуговой сварки в углекислом газе с разделением стадии плавления и переноса электродного металла.

3. Разработаны и запатентованы устройства:

- для стабилизации размера переносимых капель электродного металла;

- для улучшения надежности работы и электробезопасности модулятора сварочного тока;

- для снижения диссипативных свойств и расширения технологических возможностей системы импульсно-дуговой сварки.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований процесса импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку разработаны и внедрены в производство ресурсосберегающие технологии изготовления металлических конструкций.

5. Внедрены в производство способы и устройства импульсно-дуговой сварки.

Апробация работы. Результаты данной работы заслушивались на: ежегодных XI-XVI научных конференциях ЮТИ ТПУ, Юрга, 1998-2003г.; I-IX Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии», Томск, 2002-20 Юг.; 2-ом научном семинаре Юргинского филиала Томского политехнического университета, Юрга, 2002г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2004—2006г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2008-2011г.; Международных научно-практических конференциях «Современные проблемы в машиностроении и экономике», Юрга, 2010-2012г.; VI—VII Всеукраинской научно-практической конференции «Сварка и родственные технологии», Киев, 2011г., 2013г.; Всероссийской научно-технической конференции, Тольятти, 2011г.; Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2012г.; Международной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Будущее: Технологии и Проекты», Казань, 2011г.; Международной молодежной конференции «Инновации в машиностроении», Юрга, 2012—2013г.; The 7th International Forumon Strategic Technology «IFOST2012», Томск, 2012г.; на научном семинаре кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» Донского государственного университета, Ростов-на-Дону, 2011г.; на объединенном научном семинаре кафедр Волгоградского государственного технического университета, Волгоград, 2011г.; на научном семинаре кафедры «Технологии сварки и диагностики» Московского государственного университета им. Н.Э. Баумана, Москва, 2013г.

Материалы по теме диссертационной работы опубликованы в журналах «Сварочное производство», «Технология металлов», «Сварка и Диагностика», «Ремонт, восстановление и модернизация», «Сварка в Сибири», «Welding International», «Вопросы материаловедения», «Автоматизация и современные технологии», «Альманах современной науки и образования», «Вестник науки Сибири», «Горный информационно-аналитический бюллетень», «Международный научно-исследовательский журнал. Research Journal of International Studies».

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в более 100 научных трудах, в том числе, 2 монографии, 42 статьи в центральной печати (из них 31 статья в журналах, рекомендованных ВАК), 6 патентов РФ на изобретение.

Личный вклад автора в опубликованных единоличных и в соавторстве работах состоит: в постановке цели и задач исследований, в разработке методик экспериментов, в анализе и обобщение экспериментальных результатов, в разработке схемы движения жидкого металла сварочной ванны, в разработке технологии импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку плавящимся электродом «длинной дугой», а также в разработке способов, повышающих эффективность процессов дуговой сварки, и устройств для их реализации. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.

Достоверность и обоснованность исследований подтверждается практическими разработками и успешным внедрением результатов, предлагаемых методов и средств в производство и в учебный процесс института (ЮТИ ТПУ). Достоверность сформулированных в диссертации выводов и практических рекомендаций обеспечена применением физически обоснованного комплекса современных методов экспериментальных и теоретических исследований.

Достоверность теоретических исследований подтверждена их сходимостью с экспериментальными данными, полученными методом скоростной киносъемки и синхронного осциллографирования процессов, а также общепринятыми методами получения количественных и качественных показателей процесса сварки.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Процесс импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку плавящимся электродом «длинной дугой».

- Модель процессов, протекающих в сварочной ванне при формировании сварного шва в щелевую разделку при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом, позволяющая прогнозировать формирование геометрических параметров шва и структуры металла сварного соединения, в состав которой входят: кинетические параметры движения жидкого металла в сварочной ванне; термические условия сплавления с боковыми кромками стыкуемых элементов и в ее донной части; показатели термосилового воздействия импульса сварочного тока.

- Дифференцированный подход к формированию сварного шва в щелевую разделку при сварке слоев: корневого, заполняющего и облицовочного.

- Способы и устройства для реализации импульсно-дугового процесса сварки в щелевую разделку.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований по применению импульсно-дуговых способов сварки в щелевую разделку.

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 423 наименования, содержит 308 страниц машинописного текста, включая 165 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована ее цель, представлены методы проведения исследований, показана достоверность результатов и выводов, сформулированы научная новизна и практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту. Во введении приведена реализация результатов работы.

В первой главе представлены исторические моменты развития сварки в щелевую разделку, а также существующие способы и устройства для сварки в щелевую разделку, начиная с 50-ых годов прошлого столетия и до настоящего времени.

Появление дефектов связано, главным образом, с поперечным очертанием валика, формирующегося в зазоре, причем качество шва зависит от формы начального и последующих валиков. Наиболее благоприятные условия для получения качественного сварного соединения создаются в том случае, если все валики имеют вогнутую поверхность.

В настоящее время для решения вопроса получения надежного сплавления при сварке в щелевую разделку плавящимся электродом предложены следующие технологические приемы и устройства:

- оптимизация параметров сварки (высокие требования к стабильности параметров, так как изменение параметров режима сварки или ширины разделки приводит к возникновению дефектов: подрез на кромке или несплавление);

- изменение угла ввода тепла в кромки сварного соединения (усложняется конструкция горелки, и увеличивается ширина разделки до 28 мм).

Особенности процесса сварки в щелевую разделку состоит в специфике поведения сварочной дуги и сварочной ванны, которые ограничены кромками разделки. При сварке плавящимся электродом основное возмущение в процесс горения дуги вносит характер переноса электродного металла. Анализ факторов, обеспечивающих стабильность горения дуги (эластичность, пространственная устойчивость, вид переноса электродного металла, характеристики источника

питания), показывает, что горение сварочной дуги при импульсно-дуговой сварке носит устойчивый характер на всех этапах, и поэтому данный процесс подходит в качестве «инструмента» для предотвращения дефектов при формировании сварного соединения. Отличительной особенностью применяемого процесса импульсно-дуговой сварки является перераспределение энергии во время цикла, большая часть которой вводится во время действия импульса. С помощью данного процесса получен управляемый перенос электродного металла в среде углекислого газа (без коротких замыканий дугового промежутка при совмещении стадий плавления и переноса электродного металла во время импульса). Перенос электродного металла возможен в широком диапазоне изменения параметров режима сварки: частота следования импульсов от 30 до 110 Гц; длительность импульсов от 3 до 8,5 мс; амплитуда импульсов от 300 до 1200 А. Это позволяет воздействовать на физические процессы в столбе дуги и сварочной ванне, управлять формированием сварного шва и структурой сварного соединения.

Для решения проблемы появления дефектов в сварных соединениях при сварке в щелевую разделку необходимо установить взаимосвязь физических процессов, протекающих в столбе дуги и в сварочной ванне, с параметрами импульсов, обеспечивающих формирование сварного шва без образования характерных дефектов.

В соответствии с этим были определены задачи работы:

1. провести системное исследование причин образования дефектов, низкой устойчивости горения дуги при сварке в щелевую разделку, и проанализировать факторы, влияющие на формирование сварного соединения с заданными технологическими, физическими и эксплуатационными свойствами;

2. разработать модель процессов, протекающих в сварочной ванне при формировании сварного шва в щелевую разделку, на основе которой предложить технологические рекомендации сварки в щелевую разделку плавящимся электродом;

3. разработать алгоритм использования параметров импульсов и режимов сварки при послойном формировании сварного шва;

4. разработать способы и средства получения бездефектного сварного шва при высокой эффективности процесса дуговой сварки;

5. определить энергетические параметры импульсов тока при сварке в щелевую разделку с целью выявления областей формирования бездефектного сварного шва;

6. разработать и внедрить технологические рекомендации для импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку в защитных газах.

Во второй главе на основе анализа кинограмм процесса сварки, совмещенных с осциллограммами тока и напряжения, определен характер поведения сварочной дуги, и выявлен механизм движения жидкого металла сварочной ванны при импульсно-

дуговой сварке в щелевую разделку. Установлено, что столб дуги не изменяет положения относительно нижней поверхности капли электродного металла, т.е. увеличение длины дуги происходит за счет углубления дуги в жидкий металл сварочной ванны. Во время действия импульса сварочного тока уменьшается величина прослойки между дугой и кромкой сварного соединения.

На основе характера переноса электродного металла и поведения жидкого металла в сварочной ванне предложена схема изменения движения жидкого металла в сварочной ванне, а также разработана схема силового воздействия на жидкий металл сварочной ванны на различных стадиях изменения тока (рис. 1).

Ь», I,,

—И

¡1-0Ш

V,,

/V'

Г,,„Г,

' •.

Рис. 1. Поведение сварочной дуги и движение жидкого металла при импульсно-дуговой сварке во время действия импульса тока (а) и во время действия тока паузы (б) (вторая кромка разделки не изображена)

Во время импульса тока под воздействием силы давления дуги Рд и электродинамической силы происходит вытеснение жидкого металла из-под дуги (направление потока У„ показано стрелками). Часть металла вытесняется в хвостовую часть сварочной ванны, а часть - на боковые кромки (рис. 1,а). Во время паузы под воздействием гидростатических сил Ргидр и сил поверхностного натяжения металл ванны частично возвращается под дугу (рис. 1,6).

Исходя из баланса сил, действующих на поверхность сварочной ванны, составлено уравнение:

Рд + Рэд - Рш + Ррт - Ргидр = О, где: ¥д - сила давления дуги; Ь'.^ — электродинамическая сила; /■"„„ — сила поверхностного натяжения; Ррпг — реактивная сила паров газа; Ргиор ~ сила гидростатического давления.

Глубина вытесненного из-под дуги металла /г в зависимости от силы сварочного тока и длительности протекания импульса определяется по формуле:

/с/с2 + М -V — 2лИПасо5(р — ц ■ V2

к =-,

Р-9

где: к1сипа давления дуги, Н; М ■ V - сипа давления паров испаряющегося металла, Н; 2т1ЯПасо5(р - сила поверхностного натяжения, Н; ц • V2 — сила инерции, Н.

Используя уравнение силы тока при нарастании импульса (при начальной величине силы тока /0), а также экспериментальные данные по скорости нарастания тока в импульсе (при условии управляемого переноса), получено уравнение изменения силы тока во время действия импульса:

1 Г£ к■ е-0'47" — I Гс п

Ь = 'о+ у и1<И = 1й+-——-и0-8т — 1й1,

ь-!а ио'с Л)

где: к ■ е_0,475С — экспериментальная зависимость амплитудного тока от

длительности импульса, обеспечивающая управляемый перенос электродного

металла, к - коэффициент пропорциональности.

Количество теплоты, передаваемое передней кромке, определяется величиной прослойки под дугой. Под действием увеличивающейся силы давления дуги жидкий металл вытесняется из-под дуги на величину И, уменьшая, тем самым, величину прослойки и увеличивая тепловой поток д.

Импульс сварочного тока воздействует, как на процессы в столбе дуги, так и на электрогидродинамические процессы в жидком металле сварочной ванны, что служит фактором, определяющим размер растущего зерна, а, следовательно, механических и эксплуатационных свойств сварного соединения.

Установлено, что импульсно-дуговая сварка в щелевую разделку открывает следующие возможности: расширение диапазона применяемых режимов; управляемый перенос электродного металла; устойчивое поведение дуги; активное воздействие со стороны дуги на жидкий металл сварочной ванны; периодическое тепловое воздействие на кромки сварного соединения.

Сварка корневого слоя. Для сплавления в углах щелевой разделки кромок необходимо обеспечить ввод количества теплоты, достаточной для противления заданной площади. ,

Количество теплоты, передаваемой за время импульса /„ кромке, находится из следующего уравнения:

П /"■^•¿•¿'•(Ткип-Т'пл)

Они« = ч(0 • г & = -ъ--гсгс,

■>0 1о ¡п(—)

¿сг

где: Л - коэффициент теплопроводности, Дж/мм-с-С?Ь - ширина разделки, мм; Ткт - температура кипения стали, С0; Т„, - температура плавления стали, С0; Ьст - длина столба дуги, мм (Ьст- Ь0+И).

За один период импульсно-дуговой сварки количество теплоты, обеспечивающее проплавление заданной площади, определяется следующей зависимостью:

<2пР = у = \nDtpnSjf,

где: Р„р - площадь проплавления переднего фронта сварочной ванны, мм2; рж - плотность жидкого металла, г/мм3; - теплосодержание расплавленного перегретого металла, Дж/г; Усв - скорость сварки, мм/с, / - частота следования импульсов 1/сек.

Выявлены условия для устранения непровара в углах разделки при сварке корневого слоя, которые заключаются в соотношении количества энергии, передаваемой передней кромке сварочной ванны во время действия импульса тока, к количеству энергии, необходимой для проплавления заданной площади за период:

(}щ,п/(2„р ^ 1-

Сварка заполняющих слоев. Во время действия импульса сварочного тока жидкий металл, вытесняемый на кромки разделки, ограничивает ввод теплоты в изделие. Для получения бездефектного формирования шва учтена величина прослойки <5 между дугой и кромкой сварного соединения (рис. 2). Величина прослойки принята за критерий сплавления.

На основе схемы ввода теплоты в кромки во время действия импульса сварочного тока (см. рис. 2) определена максимальная величина ширины разделки:

где: Ост - диаметр столба, см; 8 - величина прослойки, см; Хж - коэффициент теплопроводности, Вт/см3К; ср - теплоемкость, Дж/см3К; I - время, с; а - коэффициент температуропроводности, см2/с; Д Тж - разница температур для жидкой фазы, К, ДГ„ - разница температур для твердой фазы, К.

^-•..'•..Л' .■„--■■■'у ,=—-57-е " "

,)7У; - Т.) />>,>.. ,5/-/; 7»)

Рис. 2. Схема ввода теплоты в кромки во время импульса сварочного тока и влияние величины прослойки жидкого металла на сплавление валика с кромкой

Проведенный расчет показал, что для обеспечения надежного сплавления максимальная величина жидкой прослойки на кромке сварного соединения во время импульса сварочного тока должно составлять 0,8-4,7 мм. Экспериментальные исследования на образцах с изменяющейся по длине шириной разделки кромок показали хорошую сопоставимость с теоретическими расчетами (расхождение результатов экспериментальных и расчетных величин составляет 3%).

Сварка облицовочного слоя. Использование режимов, гарантирующих надежное сплавление при сварке заполняющих слоев, при сварке облицовочного слоя приводит к появлению такого дефекта, как «развал» кромок. Это вызвано уменьшением теплоотвода в кромки сварного соединения. В отличие от процесса сварки заполняющих слоев уменьшение объема металла выше верхней поверхности накладываемого валика и наличие дополнительной поверхности на изделие, через которую в окружающую среду во время действия импульса теплоотвод незначителен, приводят к перегреву кромки. В результате чего кромка сварного соединения интенсивно оплавляется («развал» кромок). Для устранения данного дефекта необходимо компенсировать теплоотвод за счет уменьшения погонной энергии (ЯдугЛ) на верхних слоях. Уменьшение погонной энергии достигается увеличением скорости сварки или снижением мощности сварочной дуги.

На основе проведенного анализа образования дефектов при сварке в щелевую разделку с целью получения бездефектного сварного соединения разработана модель послойного формирования сварного шва (рис. 3), удовлетворяющая следующим условиям.

Общее условие - стабильный перенос электродного металла (управляемая область режимов: длительность импульсов от 3,5 мс до 12 мс; частота импульсов от 30 Гц до 120 Гц; амплитуда импульса от 300 А до 1200 А; диаметр электродных проволок от 0,8 мм до 1,6 мм).

Допущения:

отсутствие металла в незаполненной части разделки не вносит изменения в направление распространения теплоты к верхней плоскости, т.е. вдоль оси 02; источник теплоты является мгновенным точечным источником и действует во время импульса тока;

основная часть теплоты в кромки изделия осуществляется от дуги через слой жидкого металла под дугой и слой жидкого металла, оставшийся между дугой и боковой кромкой;

глубина вытесненного металла зависит от комплекса сил, действующих на границе раздела фаз;

передача теплоты от дуги в донную часть не зависит от собственной частоты колебания сварочной ванны, так как преобладают воздействия от импульсов сварочного тока.

В связи с особенностями формирования различных слоев введены дополнительные условия для каждого слоя:

1. корневой слой - необходимо обеспечить проплавление в углах разделки (соотношение количества энергии, передаваемой передней кромке во время действия импульса тока, к количеству энергии, необходимой для проплавления заданной площади 8„р за период, должно быть больше единицы: <?Имп/<2пР =2 1);

2. заполняющие слои - необходимо обеспечить заданную величину проплавления с боковой кромкой (проплавление определяется величиной прослойки; максимальное проплавление задается углом проплавления <р меньше критической величины и условиями удержания жидкого металла на вертикальной кромке, минимальное проплавление определяется изменением температуры кромки под прослойкой жидкого металла до температуры плавления);

3. облицовочный слой - необходимо обеспечить количество теплоты, введенной в изделие, с учетом появления границы раздела фаз вблизи сварочной ванны (введение в схему расчета фиктивного источника теплоты). На границе раздела тела с окружающей средой, т.е. на плоскости Х=0', теплообмен с окружающей средой равен О (адиабатическая граница - граничное условие второго рода).

X

облицовочный слой

корневой слои

и ; 1' г-

Л-Ю;№>0

Рис. 3. Модель послойного формирования сварного соединения при сварке в щелевую разделку

Разработана послойная модель процессов, протекающих в сварочной ванне при формировании сварного соединения при импульсно-дуговой сварке в щелевую

разделку, которую можно представить следующим образом. Корневой слой:

- кинетические параметры движения жидкого металла в сварочной ванне -вытеснение жидкого металла из-под дуги при наложении импульса. Глубина вытесненного металла зависит от комплекса сил, действующих на границе раздела фаз;

- изменение теплового потока, передаваемого в донную часть через изменяющуюся

7Г-Л'Ь-(ГКИП-ТПЛ)

величину прослойки под дугой, при наложении импульса тока: q =-5-;

- термические условия сплавления в донной части и обеспечение заданной глубины проплавления: (?имп = /„%(£) ■ ¡сИ > (?пр = у.

Заполняющие слои:

- движение жидкого металла в сварочной ванне - вытеснение жидкого металла на кромки сварного соединения при наложении импульса;

- термические условия сплавления с боковой кромкой и обеспечение заданной глубины проплавления с боковой кромкой;

Облицовочный слой:

- передача теплоты от дуги вблизи поверхности.

Модель позволяет управлять формированием геометрических параметров сварного шва.

Третья глава посвящена разработке способов и устройств, повышающих эффективность импульсных методов сварки в щелевую разделку.

Сварка корневого слоя. Для улучшения сплавления в углах разделки предложен способ сварки с двойной модуляцией параметров тока. Сущность способа заключается в совмещении импульсов сварочного тока и низкочастотного изменения скорости подачи электродной проволоки. Параметры импульсов обеспечивают принцип импульс-капля, а скорость подачи электродной проволоки задается за счет изменения скорости вращения двигателя (частота изменения скорости подачи электродной проволоки не превышает 1/сек).

Технологические возможности способа сварки с двойной модуляцией: снижение диапазона средних токов (на 30%); снижение удельного тепловложения в сварное соединение; расширение используемых режимов; улучшение геометрической формы валиков сварного соединения. Это объясняется уменьшенным объемом сварочной ванны (за счет уменьшения среднего тока) и неизменным силовым воздействием со стороны дуги, что вызывает интенсивное вытеснение жидкого металла из-под дуги на кромки разделки. Импульсно-дуговая сварка с периодическим изменением скорости

подачи электродной проволоки позволяет получить форму вогнутого мениска при сварке корневого слоя.

Сварка заполняющих слоев. С целью улучшения условий газовыделения при сварке в щелевую разделку, а также повышения эффективности работы модулятора произведена замена балластного реостата М (рис. 4, а) системой импульсного формирования тока паузы (рис. 4, б).

Рис. 4. Схемы систем модулятора при вариации устройств формирования тока паузы

Величина тока в паузе задается периодическим включением тиристора У85.

Система импульсного формирования тока паузы снижает диссипативные потери в модуляторе при формировании тока паузы и повышает КПД модулятора на 3-10%. Силовое воздействие на жидкий металл со стороны дуги улучшает условия газовыделения на интервале паузы.

Сварка облицовочного слоя. Получение бездефектного облицовочного шва (устранение «развала» кромок) достигнуто следующими методами и способами:

- перераспределением количества теплоты, вводимой в импульсе и в паузе, и уменьшением времени действия импульса (способ импульсно-дуговой сварки);

-снижением эффективной и средней величины тока за счет периодического изменения скорости подачи электродной проволоки (способ сварки с двойной модуляцией);

-комбинированным управлением процессами плавления и переноса электродного металла (способ импульсно-дуговой сварки с импульсной подачей электродной проволоки).

Способ импульсно-дуговой сварки. Сущность способа заключается в следующем: в конце действия паузы дополнительно снижают ток до 20-40 А на время 1-3 мс. Под действием силы тяжести и поверхностного натяжения расплавленный металл на торце электрода принимает сферическую форму, располагаясь соосно оси электродной проволоки. Далее следует импульс сварочного тока. Под действием импульса сварочного тока меняется комплекс сил, действующих на жидкий металл на

о— ип

О—

о-

торце электрода. Происходит увеличение диаметра столба дуги, в результате чего капля втягивается в дугу, отрывается от торца электрода и переносится в сварочную ванну. Повышение эффективности процесса происходит за счет увеличения плавления электродного металла, так как капля плавится в паузе при дуге, горящей на токе 100-300 А. Более короткие импульсы сварочного тока, направленные только на отрыв капли, меньше воздействуют на сварочную ванну, а, следовательно, улучшается формирование облицовочного шва.

Параметры коммутирующего контура для реализации способа импульсно-дуговой сварки определены на основе компьютерного моделирования (рис. 5) (элементы схемы изображены в условных обозначениях программы Electronics Workbench).

Рис. 5. Моделирование процесса перезаряда конденсатора во время паузы

Схема модулятора аналогична схеме, представленной на рисунке 4,а. Коммутирующий и вспомогательный тиристоры заменены на диод и управляемый ключ. Целью моделирования являлось получение параметров модулятора, обеспечивающих при перезаряде коммутирующего конденсатора снижение сварочного тока до 20-40 А длительностью 1-3 мс. При данных величинах тока капля занимает соосное положение с электродом, что подтверждается кинограммами процесса сварки.

При открытии зарядного тиристора К53 и при перезаряде коммутирующего конденсатора С1 в сварочной цепи возникает кратковременное снижение тока и напряжения, что и обеспечивает снижение тока перед наложением импульса. Снижение тока позволяет капле электродного металла занять соосное с электродом положение, а последующий импульс приводит к отрыву и направленному переносу электродного металла в сварочную ванну. Осциллограммы тока и напряжения, полученные при реализации процесса сварки, представлены на рисунке 6.

11роверка системы, построенной по параметрам, которые определены с помощью компьютерного моделирования, показала хорошую сходимость результатов расчетных и экспериментальных величин длительности паузы и силы тока в паузе.

-и» ..........] ежимы.

Ж

л ш

йэ„ = 1,2 мм; У„=420 м/ч; ¿„=20 мм;

£?г=15 л/мин; Ксв=15 м/ч; /=33 Гц; 7=3,5 мс; 4=620 А; /г=200 А; /„=35 А; /«,=245 А

(.Мямх/'М)» . ,.......■■■■■..:?:................' П * А Ср

Рис. 6. Осциллограммы тока и напряжения процесса импульсно-дуговой сварки

Бездефектное формирование облицовочного шва получено при совмещении импульсно-дуговой сварки и импульсной подачи электродной проволоки {комбинированный способ импульсного управления процессами плавления и переноса электродного металла). При этом импульсы сварочного тока подаются синхронно или синфазно с импульсами подачи электродной проволоки. Использование комбинированного управления процессами плавления и переноса электродного металла сварки позволило расширить диапазоны применения способа сварки плавящимся электродом, снизить газодинамическое воздействие со стороны сварочной дуги на сварочную ванну, благодаря чему улучшилось формирование сварного шва.

В работе представлены результаты исследований процесса сварки с использованием модулятора с системой обратной связи. В качестве задающих параметров выбраны напряжение на дуге во время паузы и длительность импульса. Процесс сварки протекает стабильно благодаря одинаковым начальным параметрам перед наложением импульса. Увеличение длительности импульса приводит к снижению скорости нарастания сварочного тока. Средняя величина сварочного тока возрастает более чем на 50 А при неизменной скорости подачи электродной проволоки. Частота следования импульсов снижается с 85 Усек до 45 Усек.

В работе предложены способы сварки и устройства, применение которых повышает эффективность дуговой сварки в щелевую разделку:

- управление плавлением и переносом электродного металла за счет комбинирования импульсов сварочного тока и скорости подачи электродной проволоки;

- улучшение химической однородности сварного шва за счет дозирования времени действия импульса после отрыва капли;

- снижение диссипативных свойств модулятора за счет замены балластного реостата на систему импульсного формирования тока паузы;

- расширение технологических возможностей за счет импульсного модулирования тока паузы.

Предложенные способы и устройства позволяют повысить производительность процесса сварки, обеспечить однородность химического состава и улучшить формирование корневого, заполняющего и облицовочного слоев.

Четвертая глава посвящена проведенным экспериментальным исследованиям, подтверждающим результаты выдвинутых гипотез и предположений, а также разработанных способов сварки и устройства с целью повышения эффективности процесса дуговой сварки в щелевую разделку.

В главе представлены исследования по влиянию параметров импульсного режима и геометрии разделки на формирование сварного шва. Для определения размеров сварного шва применялась схема замера шлифа (рис. 7).

Рис. 7. Схема замера шлифа сварного соединения в щелевой разделке: В - ширина шва (максимальная); В/- ширина шва (в углах разделки); Ь - ширина разделки; Ншв - общая высота шва (максимальная); Нпр - глубина проплавления в донной части; Н„апл ~ высота наплавленной части (по центру); 3„р, 3,ШШ1, 8боф), Ббофр) - площади: проплавления в донной части, наплавленного металла, проплавления с боковой кромкой левой и правой,соответственно

Сварка корневого слоя. Проведенные исследования по влиянию теплового потока в импульсе на бездефектное формирование сварного шва показали, что расхождение результатов теоретического и экспериментального значений находится в пределах 2,6% - 8,4% (в исследуемых областях режимов сварки).

На рисунке 8 показаны макрошлифы с глубиной проплавления 1,3 мм; 2,5 мм; 3 мм; 3,5 мм; 4 мм (слева направо).

Рис. 8. Макрошлифы образцов (тонкой линией показана разделка). Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в среде С02. Режимы сварки (слева направо):

- длительность импульса 5 мс, 5.45 мс, 6,8 мс, 7,5 мс, 8 мс;

- амплитуда импульса тока 650 А. 620 А, 580 А, 560 А, 545 А;

- частота следования импульсов 60 Гц, 56 Гц, 50 Гц, 47 Гц, 45 Гц;

- напряжение в импульсе 47-50 В;

- средний ток процесса сварки 210-220 А;

- отношение Q„M,/Qnp 56 %; 71 %; 99 %; 126 %; 149 %

В,

При увеличении длительности импульсов отношение <?пр возрастает с 56% до 149% (рис. 9).

—частота, Гц -4г~0имп/()пр % —амплитуда Х10, А -Я—средний ток XI О, А

II 8

Рис. 9. Зависимости параметров сварки от длительности импульса

При увеличении длительности импульсов, а, следовательно, и отношения ()1Ш„/(2пр, происходит увеличение глубины проплавления Нпр и ширины шва в углах разделки В, (рис. 10). С увеличением отношения Ч„м,/(1„рв основном возрастает площадь проплавления в донной части шва 8пр (рис. 11).

150

125

2 с*. 100

^ 75

а,

£ 50

25

0

6 7

Длительность импульса, мс

0 50 70 90 11й 130 150 QuMn/Qnp, %

Рис. 10. Зависимости геометрических размеров от изменения отношения

Q„MJQ

Рис. 11. Зависимости площадей сварного шва от изменения отношения хнлш

90 110 130 Оимп/Опр, %

Уменьшение средней величины сварочного тока за счет периодического изменения скорости подачи электродной проволоки (способ сварки с двойной модуляцией) приводит к уменьшению объема сварочной ванны. Это позволяет импульсам одинаковой энергии быстрее вытеснять жидкий металл из-под дуги, что приводит к улучшению сплавления в корневой части шва, а, следовательно, благоприятно сказывается на форме корневого слоя (рис. 12, б).

Рис. 12. Макрошлифы образцов, выполненные импульсно-дуговой сваркой (а) и сваркой с двойной модуляцией (б). Темным цветом выделены площади наплавленного металла, проплавления в донной части шва и проплавления с боковыми кромками

Сварка заполняющих слоев. Исследованиями установлено, что импульсно-дуговая сварка в среде углекислого газа в щелевую разделку эффективна в диапазоне ширины разделки 8-13 мм. Полученные экспериментальные данные согласуются с данными теоретических расчетов по максимальной ширине разделки и критической величине жидкой прослойки. Структура металла шва и зоны сплавления представлены на рисунке 13. При ширине разделки (8,4 мм) наблюдается укрупнение зерна в зоне перегрева (рис. 13, б).

В импульсе при увеличении ширины разделки возрастает величина жидкой прослойки между дугой и кромками разделки, в результате чего уменьшается доля теплоты, вкладываемая в основной металл. Это приводит к уменьшению размера зерна в переходной зоне (зоне перегрева) от крупных полей перлита до оскольчатого феррита с небольшим количеством перлита по границам зерен (рис. 13, б).

8,4 мм 11 мм 13 мм

I

шШ

Рис. 13. Микроструктура (х 100x0,4) металла шва (а) и зоны сплавления (б) при различной ширине разделки

При увеличении ширины разделки до 13 мм структура металла шва ближе к линии сплавления носит ориентированный характер (рис. 13, а). Характерной особенностью сварных швов, выполненных импульсно-дуговой сваркой, является

отсутствие ярковыраженной линии сплавления. При увеличении ширины разделки протяженность зон термического влияния возрастает.

Выявлено, что увеличение ширины разделки практически не влияет на общую высоту сварного валика (рис. 14).

й 7

в л о, е> о

1

с; з 2 1

-........//. 1в —

н„р

11наг п

9,4 10,4 11,4 12,4 Ширина разделки, мм

Рис. 15. Зависимости площадей сварного шва от ширины разделки

8,4 9,4 10,4 11,4 12,4 Ширина разделки, мм

Рис. 14. Зависимости глубины проплавления, высоты наплавленного валика по центру (#,«„.,) и высота шва (Ншв) от ширины разделки

Это объясняет изменение высоты наплавляемого металла и, как следствие, снижение гидростатического давления жидкости. При этом у жидкого металла появляется дополнительная возможность перераспределения части потока на боковые кромки. При увеличении ширины разделки площадь проплавления в корне шва возрастает. Площадь проплавления с боковыми кромками имеет максимум при ширине разделки от 10 до 11 мм (рис. 15).

При увеличении скорости сварки с 15 м/ч до 30 м/ч структура металла шва измельчается, при увеличении скорости более 25 м/ч наблюдается укрупнение зерна в зоне перегрева (рис. 16).

макрошлиф

металл шва

металл переходной зоны

ч

Рис. 16. Макроструктура сварного соединения, микроструктура (х100х0,5) сварного шва и переходной зоны при скорости сварки 15м/ч (а) и ЗОм/ч (б)

Протяженность ЗТВ уменьшается в 3 раза. Это объясняется присутствием следующих факторов: уменьшением объема сварочной ванны, увеличивающимся силовым воздействием сварочной дуги на сварочную ванну, интенсивным охлаждением сварочной ванны, снижением погонной энергии при повышении скорости сварки.

При увеличении частоты следования импульсов происходит уменьшение размера зерна в металле шва пропорционально частоте (рис. 17).

Рис. 17. Микроструктура металла шва (* 100*0,4) при различных значениях частоты. Режимы сварки: У„= 270 м/ч, Ус= 20 м/ч

Размер зерна вдоль оси роста с увеличением частоты следования импульсов уменьшается с 5-7 мкм до 0,5-2 мкм (рис. 18).

7 6 |5

8-I

2

-4&*гтсЫ.

I I ; ~г"и

о 4—,—!—-+-......—м I 1 ; 1 н

40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 Частота, Гц Рис. 18. Зависимости размера зерна вдоль оси роста от частоты следования импульсов

Частота следования, Гц

120 100 80 60

4 5 6 7 Длительность, мс

Рис. 19. Зависимости 5, 5воф)• от длительности импульсов

наплг ^пр, ^бок(л')>

накладываемых

Влияние параметров импульсов на геометрические размеры сварного шва представлены на рисунках 20-21. При возрастании длительности импульса происходит увеличение площади проплавления 8„р (см. рис. 19), величины изгиба

поверхности сварочной ванны Е (рис. 20) и общей высоты шва Ншв (рис. 21). Частота следования и^пуль^ов, Гц^

7

S 6 '■5

В5

1 О

/

*~Нщ. -Нна ш

20

3~ 16

CS.

Ц 14 | 12 10

Частота следования импульсов, Гц

120 100 80 60 40

........ж»1

«гЛ - «.-Hi IU3L

2 3 4 5 6 7 Длительность импульса, мс Рис. 20. Зависимости Н, длительности и импульсов

'пр,

частоты

2 3 4 5 6 7 8 Длительность импульса, мс

Е, Ннапл от Рис- 21. Зависимости В, Ншв, В, от следования длительности и частоты следования импульсов

Исследования показывают, что для обеспечения проплавления в углах разделки при сварке корневого слоя необходимо использовать режимы сварки с большими длительностями, обеспечивающие увеличение: глубины проплавления Нпр, площади проплавления и ширины шва в углах разделки. Вследствие менисковой формы предыдущего шва при сварке заполняющих слоев нет необходимости в излишней глубине проплавления. При заполнении разделки необходимо использовать режимы с меньшими длительностями. Таким образом, установлено, что параметры режима сварки необходимо использовать применительно для каждого слоя шва.

Сварка облицовочного слоя. Для устранения дефекта облицовочного шва («развал» кромок) предлагается использовать способ сварки с двойной модуляцией параметров.

Режимы модуляции скорости подачи электродной проволоки (тах/тт) 350/100 м/ч; частота изменения скорости подачи 0,5 Гц. Режимы модуляции тока: ток паузы 50 А; амплитуда импульса 480-500 А; длительность импульса 3,6 мс. Режимы сварки (скорость подачи 350 м/ч): среднее напряжение 29 В; частота следования импульсов 71 Гц; средний ток 160 А. Режимы сварки (скорость подачи 100 м/ч): среднее напряжение 26,5 В; частота следования импульсов 25 Гц; средний ток 90 А. Средний ток процесса сварки с двойной модуляцией параметров 125 А.

500

150 Время, мс

Рис. 22. Осциллограммы тока и напряжения способа сварки с двойной модуляцией

Экспериментальные исследования подтвердили эффективность способа сварки с двойной модуляцией параметров, а именно влияние на геометрию сварного валика: меньший по площади валик обладает хорошим сплавлением с боковыми кромками и с предыдущим валиком (геометрия валика благоприятна для наложения последующих слоев и отсутствует «развал» кромок) (рис. 23).

Рис. 23. Макрошлифы образцов, выполненные импульсно-дуговой сваркой с двойной модуляцией. Темным цветом выделены площади наплавленного металла и площади проплавления с боковыми кромками

Как видно, применение способа сварки с двойной модуляцией устраняет такой дефект, как «развал» кромок при сварке облицовочного слоя.

Механические свойства металла шва и всего сварного соединения находятся на высоком уровне (табл.1).

Таблица 1

Механические свойства металла шва при импульсно-дуговой сварке (основной металл сталь 20, проволока Св-08Г2С)

ств, МПа 5,% Угол загиба,0 ан, Дж/см2

Металл шва 562-566 21,2-25 60-61,7 180 143-149

Сварное соединение 498-513 13,2-15,5 31-33 180 111-141

Основной металл 509-520 21-25 52-58 180 123-137

Устройства для импульсно-дуговой сварки. Апробация представленных выше устройств выявила, что повышение эффективности модулятора возможно за счет:

- снижения диссипативных свойств модулятора (использование импульсного формирования тока паузы; использование подогрева торца электрода при формировании тока паузы);

- снижения массогабаритных показателей (использование в коммутирующем контуре искусственной формирующей линии);

использования внутренних процессов, протекающих в модуляторе (стабилизация процесса сварки).

Таким образом, проведенные исследования подтвердили теоретические расчеты, проведенные во второй главе, а также показали, что решение проблемы получения бездефектного сварного соединения в щелевую разделку достигается путем дифференцированного подхода при импульсно-дуговой сварке каждого слоя.

Пятая глава посвящена расчетам технико-экономических показателей процесса сварки в щелевую разделку и внедрению полученных результатов в производство. Предложено применение импульсных процессов при сварке в щелевую разделку с использованием в качестве защиты углекислого газа, флюса, а также комбинированной двухслойной защиты.

В работе приведены рекомендации по выбору сварочного оборудования, сварочных материалов, а также представлены требования к подготовке кромок под сварку.

Проведен анализ технико-экономических показателей при сварке листов различной толщины стационарным и импульсным способами.

На основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований в работе даны технологические рекомендации сварки импульсными способами в щелевую разделку (таб. 2).

Таблица 2

Режимы импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в щелевую разделку в среде С02 для конструкций из сталей группы М01 _(ширина разделки 9*р'1|мм)_

——---слои параметры ~ —-—--------- корневой заполняющие облицовочный

диаметр электрода, мм 1,2 1,2 1,2

скорость подачи электродной проволоки, м/ч 350 350 350/100

скорость сварки, м/ч 16 16 17

длительность импульса, мс •7 О + 0.2 ''^-0,3 3,6 3,6

частота импульсов, 1/сек 47^ 70^ 71/25

амплитуда сварочного тока, А 560!}° 500 500

вылет электрода, мм 17-18 17-20 17-20

средний сварочный ток, А 220 160 125

среднее напряжение, В 32 29 29/26

заданное напряжение, В - 24 24

частота модуляции скорости подачи электродной проволоки, 1/сек - - 0,5

Алгоритм послойного формирования сварного шва реализуется с помощью программирования параметров импульса при сварке корневого и заполняющих слоев, а также за счет программирования скорости подачи электродной проволоки при сварке облицовочного слоя.

Технико-экономические показатели импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в щелевую разделку в среде С02 представлены в таблице 3.

Таблица 3

Технико-экономические показатели импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в щелевую разделку в среде С02 для конструкций из сталей группы М01 (ширина разделки 91°'|мм)

слои корневой заполняющие облицовочный

параметры ..........................

плошадь шва, мм 77-80 75 53

коэффициент наплавки, г/(А-ч) 13 17 15

коэффициент потерь электродного металла 1,07 1,07 1,07

расход защитного газа, л/мин 17-20 17-20 15-18

расход электроэнергии, руб/м.пог 2 2 2

В заключении приведены основные теоретические и экспериментальные результаты по исследованию процесса формирования сварного соединения в щелевую разделку при импульсно-дуговой сварке.

Обобщенный результат заключается в том, что в работе на основе теоретических и экспериментальных исследований предложены методы и средства для предотвращения появления характерных дефектов при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов в щелевую разделку.

Общие выводы и результаты работы:

1. Анализ информации по тематике работы позволил предложить классификации: способов и устройств для сварки в щелевую разделку; способов управления структурой сварного соединения; способов и технологических приемов по формированию сварного соединения.

2. Для повышения эффективности сварки в щелевую разделку предложено использовать импульсно-дуговую сварку, что позволяет: повысить стабильность переноса электродного металла; улучшить структуру металла шва; устранить несплавления с кромками сварного соединения; улучшить условия газовыделения из сварочной ванны при кристаллизации; устранить причину появления горячих трещин по центру шва.

3. Разработана модель послойного формирования шва при импульсно-дуговой сварке в щелевую разделку, учитывающая: кинетические параметры движения жидкого металла в сварочной ванне, термические условия сплавления с боковой кромкой и в донной части, показатели термосилового воздействия импульса сварочного тока, позволяющая прогнозировать формирование геометрических параметров шва и структуры металла сварного соединения.

Модель включает в себя:

- баланс сил в зоне активного пятна на поверхности ванны под дугой;

- величину прослойки под дугой при передаче теплоты в донную часть. Количество теплоты, передаваемой передней кромке, определяется суммированием теплового потока во время действия импульса тока через переменную величину прослойки жидкого металла под дугой, вследствие вытеснения жидкого металла из-под дуги;

- вытеснение жидкого металла сварочной ванны на боковые кромки во время действия импульса сварочного тока. Жидкая прослойка (3) на кромке разделки во время действия импульса сварочного тока ограничивает ввод теплоты со стороны сварочной дуги. Величина прослойка (<5) на кромке разделки определяет надежность сплавления валика с вертикальной стенкой. Максимальная величина прослойки, обеспечивающая надежное сплавление при сварке заполняющих слоев, зависит от погонной энергии и теплофизических свойств металла (<5=0,8-4,7мм);

- величину глубины сплавления с боковой кромкой, характеризующую как надежность сплавления, так и появления подрезов на вертикальной кромке при значениях угла сплавления выше критического. Экспериментальные исследования показали, что при глубине сплавления 1,0-8-1,5 мм формируется бездефектный сварной валик. При меньшей глубине проплавления образуются частичные или полные непровары. При большей глубине проплавления возникают подрезы («каверны») на вертикальной кромке разделки.

Получены уравнения для расчета параметров импульса, необходимого для формирования бездефектного сварного соединения.

4. Предложен алгоритм послойного формирования сварного шва, реализуемый с помощью программирования параметров импульса при сварке корневого и заполняющих слоев, а также за счет программирования скорости подачи электродной проволоки при сварке облицовочного слоя.

5. Разработаны способы и устройства реализации для получения сварного соединения в щелевую разделку с высокими механическими свойствами:

- способ импульсно-дуговой сварки с разделенными функциями плавления и переноса электродного металла (перед наложением импульса вводят паузу с ограничением тока до 10-30А в течении 1-Змс, что приводит к выравниванию капли металла на торце электрода);

- способ комбинированного управления процессами плавления и переноса электродного металла;

- способ с двойной модуляцией (низкочастотного изменения скорости подачи электродной проволоки и импульсного питания сварочной дуги);

- предложено вместо коммутирующего конденсатора применять искусственную формирующую линию (приводит к снижению класса используемых тиристоров и повышению электробезопасности установки, а также к улучшению устойчивости процессов, протекающих в коммутирующем контуре, снижению напряжения на коммутирующем конденсаторе и возможности увеличения времени приложения обратного напряжения для более надежного запирания силовых тиристоров);

- предложено использовать в паузе систему с комбинированной импульсной модуляцией (позволяет повысить КПД модулятора, улучшить начальные условия для переноса электродного металла и повысить квазистабильность поведения сварочной ванны в паузе).

6. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические положения о возможности импульсного управления процессами при сварке в щелевую разделку и правильность полученных соотношений для расчета параметров модулятора.

7. Определены области и критериальные параметры процесса сварки в щелевую разделку, обеспечивающие бездефектное формирование сварного соединения. Проведена оптимизация режимов сварки на основе использования данных экспериментального исследования и данных, полученных при моделировании процесса формирования сварного шва в щелевую разделку.

8. Используя теоретические и экспериментальные исследования, в работе предложены технологические рекомендации для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в щелевую разделку.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

Монографии

1. Управление формированием сварного шва при сварке в углекислом газе с импульсным питанием дуги: монография / А.Г. Крампит, Н.Ю. Крампит. - Томск Изд-во Томского политехнического университета, 2009. -114 с.

2. Управление процессом сварки в углекислом газе длинной дугой: монография / А.Г. Крампит, НЮ. Крампит. - Издатель: LAPLAMBERT Academic Publishing GmbH&Co. KG, 2012.-255 с.

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

3. Крампит А.Г., Крампит НЮ., и др. Особенности импульсного управления процессом сварки длинной дугой в углекислом газе// Автоматизация и современные технологии. - 2002-№9.-С.12-15.

4. Крампит А.Г., Крампит Н.Ю. Схема воздействия импульсного питания сварочной дуги на структуру формирующегося сварного соединения // Вопросы материаловедения. - 2003.—№2(34). -С. 45-51.

5. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Жидкая прослойка между дугой и кромками соединения при импульсном питании в щелевую разделку // Технология металлов. — 2003.—№ 9. — С.23-27.

6. Князьков А.Ф., Крампит НЮ., Крампит А.Г. и др. Искусственная формирующая линия в силовой части модулятора ИРС 1200АДМ // Ремонт, восстановление и модернизация. - 2003. -№12.-С. 28-30.

7. Крампит А.Г., Князьков А.Ф., Крампит НЮ. Совершенствование процесса импульсно-дуговой сварки в С02 в щелевую разделку // Сварочное производство. - 2004. -№1. -С.36-38.

8. Князьков А.Ф., Крампит НЮ, Крампит А.Г. и др. Устройство для импульсно-дуговой сварки // Ремонт, восстановление и модернизация. - 2004. - №6. - С. 26-28.

9. Крампит А. Г., Крампит НЮ. и др. Формирование шва при импульсном питании сварочной дуги в углекислом газе. // Автоматизация и современные технологии. - 2004. - №2. -С.3-8.

10. Князьков А.Ф, Крампит Н.Ю, Крампит А.Г. и др. Способ импульсно-дуговой сварки в среде углекислого газа // Ремонт, восстановление и модернизация. -2005.—№1. - С. 23-25.

11. Князьков А.Ф., Крампит Н.Ю, Крампит А.Г. и др Перенос электродного металла при импульсном питании сварочной дуги//Технология металлов.-2005.-№ 7.-С.18-21.

12. Князьков А.Ф, Крампит Н.Ю, Крампит А.Г. и др. Устройство и способ для дозирования энергии при импульсно-дуговой сварке в углекислом газе // Автоматизация и современные технологии. - 2005. - № 10. - С. 19-21.

13. Крампит А.Г, Крампит НЮ. Управление процессом капле-переносом при сварке в С02 длинной дугой // Сварочное производство. - 2007. - №6. - С.28-30.

14. Крампит А.Г, Крампит Н.Ю. Развитие импульсно-дуговых процессов сварки в ЮТИ ТПУ // Сварочное производство. - 2008. - №7. - С.34-35.

15. Князьков. А.Ф., Крампит А.Г., Крампит Н.Ю. Усовершенствование процесса сварки в среде углекислого газа при модернизации оборудования // Ремонт, восстановление и модернизация. -2008. -№ 9. -С. 27-31.

16. Крампит А.Г. Технологические приемы и способы управления формированием сварного шва//Технология металлов.-2008. —№ 11.-С.34-38.

17. Крампит А.Г., Князьков А.Ф., Крампит НЮ. Технологических рекомендации для процесса сварки в щелевую разделку при импульсном питании сварочной дуги // Автоматизация и современные технологии. - 2008. -№ 12. - С.3-5.

18. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Наплавка в среде углекислого газа на повышенном вылете электродной проволоки//Ремонт, восстановление и модернизация.-2009. —№5.— С.8-10.

19. Крампит А.Г., Крампит Н.Ю. Особенности процесса сварки с импульсным питанием при работе с обратными связями // Ремонт, восстановление и модернизация. - 2009. - № 12. -С. 28-35.

20. Крампит А.Г., Крампит Н.Ю. Механические свойстаа сварных соединений при сварке непрерывной и импульсной дугой // Сварочное производство. - 2010. - № 3. - С.3-5.

21. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Процесс сварки с импульсным питанием на прямой полярности // Технология металлов. - 2010. - № 5. - С. 34-37.

22. Крампит А.Г. Процесс сварки в щелевую разделку под слоем флюса // Технология металлов,-2010.-№ 7.-С. 27-29.

23. Крампит А.Г., Крампит Н.Ю. Влияние импульсного питания на формирование сварного шва при сварке под слоем флюса // Ремонт, восстановление модернизация. - 2010. - № 8. - С. 2-5.

24. Крампит А.Г. Формирование сварного соединения при сварке в узкую разделку // Ремонт, восстановление и модернизация.—2011. - № 1. - С. 44-46.

25. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Процесс сварки с комбинированной двухслойной защитой // Ремонт, восстановление и модернизация. — 2011. - № 2.—С. 16-19.

26. Крампит АХ. Сварка в щелевую разделку при комбинированной защите // Сварка и диагностика-2011.-№ 1.-С. 42-45.

27. Крампит А.Г., Крампит НЮ, Крампит М.А. Устройство, использующее подогрев электродной проволоки//Ремонт, восстановление и модернизация.-2011.-№7.-С. 9-11.

28. Крампит А.Г. Процесс сварки с двойной модуляцией основных параметров режима // Сварочное производство. -2011. -№ 7. -С. 8-11.

29. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Использование программы «компас» для решения научных задач // Автоматизация и современные технологии. -2012. -№ 5. - С. 26-30.

30. Крампит А.Г, Крампит Н.Ю., Крампит М.А. Процесс сварки с импульсным питанием при производстве цилиндров шахтных крепей // Горное машиностроение: отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня.-2012. -№ 3,- С. 30-38.

31. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Методика определения геометрических размеров и площади сварного шва//Сварочное производство.-2012. -№10. -С. 40-42.

32. Крампит А.Г, Крампит НЮ. Стабилизация процесса сварки в щелевую разделку с импульсным питанием дуги // Сварка и диагностика - 2012. -№5. - С. 23-26.

33. Крампит А.Г., Крампит НЮ. Влияние параметров импульсов сварочного тока на (¡юрмирование сварного шва // Сварка и диагностика. - 2013. - №2. - С. 11 -13.

Публикации в других изданиях:

34. A.F. Knyaz'kov, A.G. Krampit, N.Yu. Krampit Improving the process of narrow-gap pulsed arc C02 // Welding International. - 2004. - №18.-486-488.

35. Крампиг А.Г., Крампиг НЮ., Анализ свойств защитных сред при сварке плавящимся электродом// СваркавСибири.-2005.-№2.-С. 63-65.

36. Крампит АГ. Методы изучения переноса расплавленного электродного металла в сварочной дуге // Сварка в Сибири. -2006. - № 1. - С. 21 -22.

37. Князьков. А.Ф., Крампит НЮ Крампит А.Г. Процесс переноса электродного металла при сварке в С02 длинной дугой // Сварка в Сибири. - 2006. - №1. - С. 23-24.

38. A.F. Knyaz'kov, N.Yu. Krampit, A.G. Krampit Controlling the droplet transfer process in C02 welding with a long arc // Welding International. - 2008. - №22. - 534-536.

39. Крампит АГ. Внедрение информационных технологий в учебный процесс // Альманах современной науки и образования. -2009. - №12 (31), ч.1. - С.49-51.

40. A.G. Krampit, N.Yu. Krampit Mechanical properties of welded joints in welding with continuous and pulsed arcs// Welding International -2011. -№25. - 626-628.

41. Крампит АХ., Крампиг НЮ., Крампиг M.A. Сварка с импульсным питанием в углекислом газе при работе системы с обратными связями. // Вестник науки Сибири. - 2011.- Т. 1.-№1.-С. 715-721.

42. A.G. Krampit Welding with double modulation of the main welding parameters // Welding International. -2012. -№26. - 867-869.

43. Krampit A.G, Krampit N.Y., Krampit M.A., Dmitrieva AN. Classification of pulse arc welding processes // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies.- 2012.-_N°4.-.C.5-7

44. Krampit A.G., Krampit N.Y., Krampit M.A., Dmitrieva A.V. The improvements of the welding process in carbon dioxide ambience at modernizations of the equipment // Международный научно-исследовательский журнал=Research Journal of International Studies. .-2013. .-№3..- C. 52-54

Патенты на изобретение РФ

45. Патент на изобретение №2175596, от 10.11.01г. Устройство дня сварки. Князьков АФ., Крампит А.Г., Крампит НЮ. и др.

46. Патент на изобретение №2185941, от 27.07.02г. Устройство для сварки. Князьков А.Ф., Крампит А.Г. и др.

47. Патент на изобретение №2190510, от 10.09.02г. Устройство для сварки. Князьков А.Ф., Крампит А.Г., Крампит НЮ., и др.

48. Патент на изобретение №2191665, от 27.10.02г. Способ сварки. Князьков А.Ф., Крампиг А.Г., Крампиг Н.Ю., и др.

49. Патент на изобретение .№2429111, от 20.09.2011г. Комбинированный способ импульсного управления процессом сварки плавящимся электродом. Крампит А.Г., и др.

50. Патент на изобретение №2429112, от 20.09.2011г. Устройство для электродуговой сварки. Крампит НЮ., Крампит А.Г., Крампит М. А.

Псюлисанэ в печап. 25.06.2013 Формат 60*84/16

Печап. оперативная. Усл. пл. 2,0. Тираж 100 Ж1.

Заказ №726

ИПЛ ЮТИ ТПУ. Лицешия ГИД № 44-55 от 04.12.97 Ризограф ЮТИ ТПУ. 652050, Юрта, ул. Московская, 17

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета

05201351545

А.Г. Крампит

На правах рукописи

ФОРМИРОВАНИЕ ШВА В ЩЕЛЕВОЙ РАЗДЕЛКЕ ПРИ ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В

ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук

Юрга - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 4

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1. Анализ способов соединения металлов в щелевую разделку.............. 19

1.2. Управление процессами при сварке - как эффективный метод управления качеством сварного соединения....................................... 39

1.3. Цель и задачи исследования..................................................... 65

Глава 2. Теоретические исследования процесса сварки в щелевую разделку

2.1. Особенности горения сварочной дуги в щелевом зазоре................... 70

2.2. Особенности движения жидкого металла сварочной ванны в щелевом зазоре при импульсно-дуговой сварке.................................................. 77

2.3. Модель процессов, происходящих в сварочной ванне при формировании сварного соединения в щелевую разделку при импульсно-дуговой сварке.............................................................................. 87

2.4. Теоретическое определение параметров импульсов сварочного тока... 117 Выводы........................................................................................ 134

Глава 3. Способы и устройства для их реализации

3.1. Повышение эффективности импульсно-дуговой сварки..................... 137

3.2. Способ импульсно-дуговой сварки............................................... 138

3.3. Способы сварки с комбинированием системы для импульсно-дуговой сварки и системы импульсной подачи сварочной проволоки.................... 149

3.4. Способ и устройство для сварки с импульсной модуляцией во время паузы.......................................................................................... 155

3.5. Системы для импульсно-дуговой сварки...................................... 158

Выводы.......................................................................................... 174

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса сварки в щелевую разделку

4.1. Постановка цели и задач экспериментальных исследований............... 176

4.2. Комплекс для проведения экспериментальных исследований процесса 179 сварки..............................................................................................

4.3. Влияние параметров разделки на формирование структуры сварного соединения................................................................................... 186

4.4. Влияние параметров импульсов сварочного тока на формирование сварного соединения................................................................................................................................................200

4.5. Исследование процесса сварки с двойной модуляцией параметров на формирование сварного соединения....................................................................................................................212

4.6. Влияние процесса импульсно-дуговой сварки на механические свойства

сварного соединения................................................................................................................................................219

Выводы 226

Глава 5. Экономическая эффективность и обоснование использования сварки в щелевую разделку для промышленности

5.1. Области применения сварки в щелевую разделку..........................................................228

5.2. Назначение, конструкция и компоновка модулятора....................................................237

5.3. Инструкция по эксплуатации. Техника безопасности................................................239

5.4. Технологические рекомендации способа сварки в щелевую разделку............................................................................................................................................................................242

5.5. Расчет технико-экономических показателей........................................................................247

5.6. Внедрение результатов исследований в учебный процесс......................................256

Выводы......................................................................................................................................................................................258

Заключение......................................................................................................................................................................................................................259

Литература..................................................................................................................................................................262

Приложение................................................................................................................................................................299

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время важным фактором развития является повышение эффективности производства. Поэтому в стратегиях многих предприятий происходит определенная переориентация, т.е. совершенствование процесса функционирования и конкурентоспособности. Ключевым фактором в новой стратегии повышения эффективности должны быть энерго- и ресурсосберегающие технологии. В современных условиях повышения эффективности производства можно достичь преимущественно за счет развития процессов, получающих конечное выражение в новых технологиях, новых способах и видах оборудования для создания конкурентоспособной продукции.

Таким образом, можно утверждать, что необходимо внедрять новые энерго-и ресурсосберегающие технологии в деятельность предприятия с целью повышения его эффективности.

Проблемы современного этапа развития страны также затронули одно из важных и перспективных направлений в производстве металлических конструкций, связанное с соединением металлов с помощью сварки. Сварка - это процесс получения неразъемного соединения. Данное определение существует не одно десятилетие, когда Славянов и Бенардос применили электрическую дугу, открытую Петровым, в качестве источника теплоты, именно, для получения неразъемных соединений. С тех пор прошло уже более ста лет, однако, дуговая сварка остается основой сварочного производства, несмотря на то, что были разработаны различные способы сварки.

Усовершенствованием и разработкой новых способов дуговой сварки занимались такие выдающиеся ученые, как: Патон Е.О., Никитин В.П., Хренов К.К., Вологдин В.П., Николаев Г.А., Новожилов Н.М, Окерблом Н.О. и др.

Несомненно, что механизированная и автоматическая сварка и наплавка плавящимся электродом с подачей сплошной или порошковой электродной проволоки по-прежнему остаются основными технологиями получения неразъемных соединений, восстановления и упрочнения металлов с обеспечением заданных эксплуатационных характеристик. Расширение областей применения механизированных и автоматизированных процессов сварки и наплавки, в том числе с повышенными требованиями к качеству сварного соединения, зоны термического влияния и наплавленного слоя, воспроизводимости качества,

предопределили поиск решения проблем создания полуавтоматов и автоматов нового поколения для сварки и наплавки сталей [1,2].

Как уже отмечалось выше, основным фактором повышения эффективности производства является внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий. К таким технологиям относится технология сварки в щелевую разделку, так как за счет уменьшения объема наплавленного металла в конструкциях можно решить одновременно следующие задачи: повышение эффективности производства сварных конструкций и их качества, упрощение техники сварки, уменьшение сварочных деформаций конструкций, а также улучшение санитарно-гигиенических условий на рабочем месте.

Сваркой в щелевую разделку занимались ученые: Ардентов В.В., Руссо B.JL, Фатиев И.С., Михайлов В.И, Смирнов В.А., Барышников А.П., Федосеенко Г.И., Денисов Б.С., Штрикман М.М., Назарчук А.Т., Бурашенко И.А., Стеренбоген Ю.А., Новожилов Н.М., Потапьевский А.Г., Дудко Д.А., Бельчук Г.А., Титов Н.Я. Опыт использования щелевой разделки за рубежом впервые в сварочной литературе описали Ворновицкий И.Н. и Конторовский А.З. Тенденции развития сварки в щелевую разделку были представлены в работе Серенко А.Н., Белоусова Ю.В., Шаферовского В. А.

Однако, технология сварки в щелевую разделку обладает рядом существенных недостатков, которые снижают возможность ее широкого применения в промышленности. Совершенствование технологических приемов должно проходить в тесной взаимосвязи с созданием новых способов сварки и устройств для их реализации.

Несмотря на большое количество выполненных работ, применение сварки в щелевую разделку плавящимся электродом в защитных газах еще не соответствует возможностям и преимуществам, которые может обеспечить данный способ сварки. Это объясняется тем, что ряд вопросов, связанных с разработкой технологии сварки в щелевую разделку, все еще остается изученным недостаточно.

Основной проблемой, возникающей при сварке в щелевую разделку, является обеспечение надежности сплавления металла шва со стенками разделки. При сварке плавящимся электродом в защитных газах в процессе переноса электродного металла возникают возмущения, влияющие на стабильность горения дуги. Нарушение стабильности горения дуги в щелевой разделке за счет влияния ферромагнитных масс и эффекта магнитного дутья приводит к образованию дефектов в сварном шве: непровар в углах разделки (корневой слой); горячие

трещины в центре шва и несплавление с кромкой разделки (заполняющие слои); «развал» кромок (облицовочный слой), а также шлаковые и газовые включения в сварном шве.

При сварке в щелевую разделку остается открытым вопрос управления формированием сварного шва за счет управления гидродинамическими процессами в сварочной ванне. Исследования процессов, протекающих в сварочной ванне, представлены в работах: Рыкалина H.H., Ерохина A.A., Прохорова H.H., Акулова А.И., Чернышева Г.Г., Рыбачука A.M., Руссо В.Л., Ерыгина В.И., Размышляева А.Д., Лескова Г.И., Березовского Б.М., Столбова В.И., Полоскова С.И., Букарова В.А., Гулакова C.B., Псараса Г.Г., Лапина И.Г. и др.

Процесс сварки, с помощью которого возможно решить ряд технологических задач, а именно, снижение разбрызгивания, управление переносом электродного металла, управление формированием шва, совершенствование технологии сварки в щелевую разделку, улучшение качества сварных соединений, уменьшение вероятности образования дефектов - это импульсный процесс сварки. Способ, с помощью которого был решен вопрос управления процессом плавления и переноса электродного металла в среде инертных газов, вызвал особый интерес в конце прошлого столетия. Волна исследований, прокатившаяся в этой области, показала новые имена ученых в области сварки: Патон Б.Е., Заруба И.И., Потапьевский А.Г., Дюргеров Н.Г., Ленивкин В.А., Сатаров Х.Н., Шейко П.П., Болдырев A.M., Князьков А.Ф. и др.

Таким образом, создание новых способов и устройств, обеспечивающих ресурсосберегающую технологию процесса сварки, является актуальной задачей повышения эффективности сварочного производства. Решение данной задачи возможно с помощью перспективного направления, сущность которого заключается в импульсном воздействии на процесс сварки. Импульсное воздействие эффективно влияет на процесс переноса электродного металла, а именно на управление и, соответственно, регулирование тепловложения в сварочную ванну. При сварке с периодически изменяющейся формой тока дуги появляется возможность управлять геометрическими параметрами шва и структурой кристаллизующегося металла. Тем самым решается важный комплекс задач, в том числе по энерго- и ресурсосбережению.

Однако, в настоящее время нет единого алгоритма, описывающего процесс сварки в щелевую разделку и связывающего параметры импульсов сварочного тока с параметрами, характеризующими движение жидкого металла при наложении

импульса, с помощью которого имелась бы возможность предотвращать механизм появления дефектов в сварном шве.

В соответствии с этим в диссертационной работе представлены теоретические и экспериментальные исследования процесса формирования шва в щелевую разделку сварных соединений и разработка алгоритма управления формированием слоев шва путём изменения энергетических параметров режима сварки, а также разработка ресурсосберегающей технологии и оборудования для автоматической импульсно-дуговой сварки в щелевую разделку.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 423 наименований, содержит 308 страниц машинописного текста, включая 165 рисунков и 18 таблиц.

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована ее цель, представлены методы проведения исследований, достоверность результатов и выводов, сформулированы научная новизна и практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту. Во введении приведена реализация результатов работы.

В первой главе представлена история развития сварки в щелевую разделку. Начиная с 50-ых годов прошлого столетия и до настоящего времени, исследователями предложены различные способы и устройства для сварки в щелевую разделку.

На основе проведенного анализа предложена классификация способов сварки по следующим признакам: по количеству валиков в слое; по расположению контактного наконечника относительно разделки; по диаметру электродной проволоки; по подводу защитного газа; по способам.

Было установлено, что появление дефектов связано, главным образом, с поперечным очертанием валика, формирующегося в зазоре, причем качество шва зависит от формы начального и последующих валиков. Наиболее благоприятные условия для получения качественного сварного соединения создаются в том случае, если все валики имеют вогнутую поверхность.

Для решения вопроса получения надежного сплавления при сварке в щелевую разделку плавящимся электродом предложены следующие технологические приемы и устройства:

- оптимизация параметров сварки (высокие требования к стабильности параметров, так как изменение параметров режима сварки или ширины разделки приводит к возникновению дефектов: подрез на кромке или несплавление);

- изменение угла ввода тепла в кромки сварного соединения (усложняется конструкция горелки, и увеличивается ширина разделки до 28 мм).

Специфика процесса сварки в щелевую разделку состоит в особенности поведения сварочной дуги и сварочной ванны, которые ограничены кромками разделки. При сварке плавящимся электродом основное возмущение в процесс горения дуги вносит характер переноса электродного металла. Анализ факторов, обеспечивающих стабильность горения дуги (эластичность, пространственная устойчивость, вид переноса электродного металла, характеристики источника питания), показывает, что горение сварочной дуги при импульсно-дуговой сварке носит устойчивый характер на всех этапах, и поэтому данный процесс подходит в качестве «инструмента» для предотвращения дефектов при формировании сварного соединения. Отличительной особенностью применяемого процесса импульсно-дуговой сварки является перераспределение энергии во время цикла, большая часть которой вводится во время действия импульса. С помощью данного процесса получен управляемый перенос электродного металла в среде углекислого газа (без коротких замыканий дугового промежутка при совмещении стадий плавления и переноса электродного металла во время импульса). Перенос электродного металла возможен в широком диапазоне изменения параметров режима сварки: частота следования импульсов от 30 до 110 Гц; длительность импульсов от 8,5 до 3 мс; амплитуда импульсов от 300 до 1200 А. Это позволяет воздействовать на физические процессы в столбе дуги и сварочной ванне, управлять формированием сварного шва и структурой сварного соединения.

Для решения проблемы появления дефектов в сварных соединениях при сварке в щелевую разделку необходимо установить взаимосвязь физических процессов, протекающих в столбе дуги и в сварочной ванне, с параметрами импульсов, обеспечивающих формирование сварного шва без образования характерных дефектов.

Предложенные классификации способов управления структурой сварного соединения и способов управления формированием сварного шва показали преимущества импульсных процессов сварки, основанных на повышении эффективности дуговой сварки.

На основании вышеизложенного поставлены задачи работы.

Во второй главе на основе анализа кинограмм процесса сварки, совмещенных с осциллограммами тока и напряжения, определен характер поведения сварочной дуги, и выявлен механизм движения жидкого металла сварочной ванны при импульсно-дуговой сварке в щелевую разделку. Установлено, что столб дуги не изменяет положения относительно нижней поверхности капли электродного металла, т.е. увеличение длины дуги происходит за счет углубления дуги в жидкий металл сварочной ванны. Во время действия импульса сварочного тока уменьшается величина прослойки между дугой и кромкой сварного соединения.

На основе характера переноса электродного металла и поведения жидкого металла в сварочной ванне предложена схема изменения движения жидкого металла в сварочной ванне, а также разработана схема силового воздействи