автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Нагрев и плавление при дуговой механизированной сварке



сО ¡3 оь. ^- оСй^/оС

/ / V (. - т У ч.""

^ " я. * СХ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.791.042.753.9

ВАРУХА ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

НАГРЕВ И ПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДА ПРИ ДУГОВОЙ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ СВАРКЕ

05.03.06. Технология и машины сварочного производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону ? 1998 г.

Оглавление

Введение......................................................................................5

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований..................13

1.1. Характеристика и классификация существующих способов зажигания дуги....................................................................14

1.1.1 Бесконтактное зажигание дуги...................... 14

1.1.2. Контактные способы зажигания дуги................ 16

1.1.3. Основное условие установления процесса сварки

после первого касания электрода с изделием ......... 19

1.1.4. Причины, приводящие к перегоранию электрода

в различных местах вылета при зажигании дуги...... 21

1.2. Анализ существующих моделей плавления электрода. ... 24

1.2.1. Актуальность проблемы разработки моделей плавления электрода...................................... 24

1.2.2. Эмпирические модели плавления электрода........... 26

1.2.3. Аналитические модели плавления электрода......... 37

1.2.4. Численная модель плавления электрода.............. 42

1.3. Задачи работы.................................... 44

Глава 2. Теория контактного зажигания дуги и разработка

алгоритмов управления процессом ............... 46

2.1. Основные факторы, определяющие место перегорания электрода на вылете при первоначальном коротком замыкании .........................................................................46

2.1.1. Способы, воздействующие на величину эффективного тока короткого замыкания......................... 49

2.1.2. Способы, воздействующие на интегральную величину сопротивления в контактных переходах..........................50

2.1.3. Способы, воздействующие на сопротивление участков вылета электрода, примыкающих к контактным переходам....................................... 52

2.1.4. Способы, регулирующие теплонасыщение участков электрода, примыкающих к контактным переходам....... 53

2.2. Классификация способов управления местом перегорания электрода при первоначальном зажигании дуги........ 56

2.3. Экспериментальные исследования короткого замыкания

при первоначальном зажигании дуги.................. 59

2.4. Нагрев участка электрода контактным (в мундштуке) и объемным источниками тепла....................... 64

2.5. Первоначальное зажигание дуги с ограничением тока короткого замыкания............................... 69

2.6. Ускоренный способ зажигания дуги с ограничением тока короткого замыкания............................... 77

2.7. Способ зажигания дуги с подвижным токоподводом

при коротком замыкании............................ 87

2.8. Выводы........................................... 91

Глава 3. Моделирование процесса нагрева и плавления

электрода при механизированной сварке.......... 94

3.1. Теоретические предпосылки к созданию модели плавления электрода при механизированной сварке............... 94

3.2. Оценка точности расчетов скорости плавления электрода по эмпирическим формулам............................ 98

3.3. Эмпирическая зависимость для границы областей устойчивого и неустойчивого плавления электрода............. 105

3.4. Энергетические параметры численной модели плавления электрода......................................... 107

3.4.1. Нагрев электрода в мундштуке...................... 111

3.4.2. Оценка величины мощности qM и температуры Тм по результатам численного эксперимента................. 113

3.4.3. Мощности источников нагрева электрода............ 119

3.4.4. Алгоритм расчета скорости плавления электрода....... 124

3.4.5. Оценка значимости неучтенных в математической модели факторов........................................ 128

3.5. Верификация математической модели при расчетах падения напряжения в вылете электрода........................ 133

3.6. Выводы........................................... 143

Глава 4. Взаимосвязь энергетических и технологических характеристик плавления электрода при сварке длинной дугой................................. 145

4.1. Аналитическое описание температуры нагрева электрода в мундштуке....................................... 146

4.2. Аналитическое описание границы областей устойчивого и неустойчивого плавления электрода при механизированной сварке............................................ 153

4.3 . Условия перехода к струйно-вращательному переносу

электродного металла при сварке в аргоне............. 162

4.4. Зависимость критического тока при сварке в аргоне от параметров процесса ............................... 175

4.5. Расчет параметров формирования и переноса капель электродного металла при сварке в углекислом газе.......... 181

4.6. Расчет температуры капель электродного металла при

сварке в защитных газах............................. 194

4.6.1. Расчет температуры капель электродного металла при сварке в углекислом газе........................... 195

4.6.2. Расчет температуры капель электродного металла при сварке в аргоне................................... 212

4.7. Выводы........................................... 227

Глава 5. Практические приложения теории плавления электрода

при механизированной сварке.................... 231

5.1. Оценка активности взаимодействия капель расплавленного электродного металла с газами и флюсом.............. 231

5.2. Управление производительностью наплавки и проплавления при сварке с предварительным подогревом электрода..... 239

5.3. Способ бездугового плавления электрода............... 240

5.4. Использование вылета электрода в качестве датчика состояния межэлектродного промежутка................. 250

5.5. Алгоритм расчета вылета по параметрам плавления электрода.......................................... 253

5.6. Выводы........................................... 268

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............ 269

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......... 273

Введение

Механизированная дуговая сварки плавящимся электродом занимает одно из ведущих мест среди способов сварки плавлением. Перед ней, как и перед другими способами, стояли и, по-видимому, еще долго будут стоять проблемы повышения качества сварных оединений, производительности процесса, а также ресурсо- и энергосбережения.

Наиболее эффективно эти проблемы могут быть решены путем механизации, автоматизации и роботизации сварочного производства, основу которых составляют автоматические системы управления сварочными процессами.

Для разработки автоматических систем управления процессами дуговой сварки необходимо иметь математические модели процессов, происходящих в системе "Система питания - Электрод - Дуга - Сварочная ванна" ("СП-Э-Д-СВ"). При этом наибольший эффект может быть получен, если управляющее воздействие будет осуществляться одновременно и взаимосвязано по всем элементам этой системы.

Однако в своем большинстве сами элементы системы "СП-Э-Д-СВ", являясь объектами управления, пока не имеют достаточно проработанных и полных физических представлений и математических моделей, отражающих протекающие в них процессы. Поэтому создание таких моделей является актуальной проблемой.

Для таких элементов системы как "Сварочная ванна" и "Дуга" накоплен обширный теоретический и эмпирический материал, позволяющий управлять их свойствами, и разработаны отдельные частные модели, описывающие поведение этих элементов. Наиболее исследованным элементом системы является "Сварочная ванна". Ведущими отечественными научными школами в этой области являлись ИЭС им. Е.О.Патона, МГТУ им. Н.Э.Баумана, Киевский политехнический институт, ДГТУ. Исследованием свойств и характеристик сварочной ванны занимались Рыкалин H.H., Про-

хоров H.H., Гладков Э.А., Чернышов Г.Г., Судник В.А. и др.

Ими изучено влияние режимов сварки на распределение сил в сварочной ванне, ее тепловое состояние, размеры и форму, процессы кристаллизации и т.д., получены расчетные модели, которые при правильном задании начальных и граничных условий позволяют получать достаточные для практического использования результаты (глубину проплавления, ширину и форму шва, теплосодержание наплавленного металла, скорости и направленность кристаллизации металла шва пр.) Однако процессы в сварочной ванне во многом являются вторичными по отношению к процессам, происходящим на электроде и в дуге. Это выражается в том, что исходными данными для расчетных моделей сварочной ванны, во-многом, являются энергетические (например, тепло- и массоперенос) и силовые (например, скоростной напор плазменных потоков, пондеромоторные силы) характеристики дуговых и электродных процессов.

Наиболее сложным с точки зрения исследования и описания элементом системы "СП-Э-Д-СВ" является "дуга". Изучением приэлектродных и дуговых процессов занимались Тиходеев Г.М., Самервилл Дж.М., Кесаев И.Г., Ерохин A.A., Лесневич А., Зандберг Э.Я., Ионов Н.И., Жуков М.Ф., Мазель А.Г., Потапьевский А.Г., Заруба И.И., Акулов А.И., Копаев Б.В., Дюргеров Н.Г., Ленивкин В.А., Лесков Г.И., Походня И.К., Дудко Д.А., Ме-чев B.C., Чен Ф., Тэлбот Л., Турин К., Ton Н. и многие другие. В этой области есть достаточно много эмпирических разработок, позволяющих воздействовать на технологические свойства дуги путем изменения ее физических свойств посредством введения в зону сварки активаторов, погружением дуги в сварочный кратер, изменением свойств защитного газа, наложения продольного или поперечного магнитного поля, обжатия потоком газа или стенками сопла и пр. [7-13]. Однако физические характеристики сварочной дуги пока слабо поддаются количественной экспериментальной оценке и описанию. И мало надежд, что в ближайшем будущем будет создана исчер-

пывающая расчетная модель дуги.

На протяжении всей истории развития сварочного производства ведутся работы и в области создания и усовершенствования систем питания сварочной дуги (Патон Б.Е., Патон В.Е., Каспржак Г.М., Рабинович Л.В., Лебедев В.К., Гладков Э.А., Закс М.И. Браткова О.Н., Сараев Ю.Н., научная школа ВНИИЭСО, возглавляемая Смирновым В.В, организации НИ-ИАТ и НИКИМТ, ДГТУ и др.). В этой области наиболее наглядно проявляется зависимость разработок и конструктивных особенностей источников питания от параметров всех остальных трех элементов системы "Э-Д-СВ". Т.е. достижения в изучении элементов "электрод", "дуга", "сварочная ванна" учитываются при разработке схем управления сварочных источников питания, что позволяет оптимизировать их влияние на процесс сварки.

Изучение процессов плавления электрода ведется уже не одно десятилетие. Усилиями многих исследователей (Патона Б.Е., Ерохина A.A., Мазе-ля А.Г., Потапьевского А.Г., Зарубы И.И., Акулова А.И., Походни И.К., Петрова A.B., Лескова Г.И., Попкова A.M., Дюргерова Н.Г., Ленивкина В.А., Судника В.А., Копаева Б.В., Белоусова Ю.Г., Шейнкина М.З., Лесне-вича А., Ван-Ден Хевеля Д., Вазинка Дж., Халмой Е., Хирата М., Кошка-рева Б.Т., Щекина В.А., Петрова П.И., Коринца И.Ф. Маришкина А.К., Панибратцева Б.К. Лившица М.Г. и др.) получены значительные результаты в изучении скорости плавления электродного металла, различных видов переноса, потерь электродного металла на угар и разбрызгивание, теплосодержания и температуры наплавляемого металла. Разработаны частные эмпирические модели отдельных процессов, из которые, тем не менее, пока невозможно выстроить единую модель всего процесса нагрева и плавления электрода, позволяющую предсказывать характеристики этих процессов, исходя из минимального числа независимых параметров. Бурное развитие средств вычислительной техники и достаточное количество эмпирического материала создают условия для разработки всеобъемлющей модели. В ее

основу может быть положено решение дифференциального уравнения теплопроводности, которое, однако, сдерживается отсутствием данных о граничных условиях для различных разновидностей процесса сварки плавлением.

Таким образом, созревшие предпосылки к созданию модели плавления электрода делают элемент "Электрод" ключевым звеном для получения в дальнейшем частных моделей дуги и сварочной ванны, а затем и общей модели системы "СП-Э-Д-СВ", так как большинство выходных параметров этого элемента являются входными параметрами для моделей других элементов системы.

Цель работы: Разработать теоретические основы и математические модели процесса нагрева и плавления электрода на стадиях первоначального зажигания дуги, ведения процесса сварки длинной дугой, наплавки и создать на этой основе алгоритмы и способы управления технологическими характеристиками сварочных процессов.

Работа посвящена решению научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, - установлению и аналитическому описанию закономерностей нагрева и квазистационарного плавления сварочного электрода при механизированной сварке, а также созданию математических моделей процессов первоначального зажигания дуги и плавления электрода при сварке и наплавке в защитных газах, позволяющих решать задачи улучшения качества сварных соединений, повышения производительности процесса, а также ресурсо- и энергосбережения.

Научная новизна работы:

1. На основании рассмотрения тепловых процессов и решения дифференциального уравнения теплопроводности созданы теоретические основы и математические модели нагрева и плавления электрода при механизированной сварке в защитных газах как для стадии первоначального контактного зажигания дуги, так и для стадии квазистационарного плавления

электрода.

2. При первоначальном контактном зажигании дуги образование неподвижного контакта электрода с мундштуком при его утыкании в изделие является основной причиной перегорания электрода на расстоянии от изделия, превышающем разрывную длину дуги, а недостаточное напряжение на межэлектродном промежутке обусловливает ее обрыв, что приводит к многократным циклическому повторению процесса зажигания дуги.

Расстояние от изделия, на котором происходит перегорания электрода определяется скоростью его подачи и временем короткого замыкания, которое зависит от величины эффективного тока короткого замыкания, интегральной величины сопротивления в контактных переходах "мундштук - электрод" и "электрод - изделие", сопротивления и теплонасыщения участков вылета электрода, примыкающих к контактным переходам.

3. Точечный контактный переход между токоподводящим медным мундштуком и электродом имеет температуру порядка 450°С и обеспечивает существенный подогрев электрода (до 250°С), зависящий от параметров режима сварки, что оказывает заметное влияние на скорость его плавления при сварке.

4. Нарушение устойчивого плавления электрода при сварке в углекислом газе и образование струйно-вращательного переноса электродного металла при сварке в аргоне происходит при нагреве проходящим током твердого металла вылета электрода до температуры плавления.

5. Образование струйного переноса электродного металла при сварке в аргоне достигается при определенном постоянном соотношении мощности, выделяющейся в вылете электрода от нагрева проходящим током, к величине вылета электрода.

6. Усредненные характеристики формирования электродных капель при сварке в углекислом газе описываются через простые геомерические соотношения и параметры режима сварки без рассмотрения динамики и

кинетики реального каплеобразования.

7. Температура электродных капель при сварке в углекислом газе и в аргоне описывается единым аналитическим уравнением и определяется током, величиной анодного падения напряжения дуги и характером протекания процесса испарения электродного металла.

Практическая значимость работы:

- на основе выявленных факторов воздействия на процесс первоначального контактного зажигания дуги и создания его математической модели разработаны новые эффективные способы первоначального контактного зажигания дуги, реализованные в устройствах сварочных автоматов, полуавтоматов и роботов, обеспечивающие установление процесса сварки после первого касания электрода с изделием, повышение качества и снижение затрат на зачистку начала сварного шва;

- разработаны математическая модель процесса плавления электрода при механизированной сварке и компьютерные расчетные программы, позволяющие проводить расчеты режимов сварки длинной дугой в углекислом газе и в аргоне при различных видах переноса электродного металла, которые могут быть использованы в системах адаптивного управления сварочными процессами, а также явиться инструментом исследования стационарных и нестационарных процесов плавления электрода как при сварке в защитных газах, так и при сварке под флюсом;

- получены аналитические зависимости для каплеобразования и температуры электродных капель обеспечивают повышение точность и упрощение расчетов показателя активности взаимодействия расплавленного электродного металла с газами и элементами флюса;

- усовершенствован способ наплавки со струйно-вращательным переносом электродного металла с предварительным подогревом электрода обеспечивает технологически приемлемые вылеты электрода и токи процесса при сохранении высокой производительности наплавки и снижении

затрат на сварочные материалы.

- разработан способ бездуговой наплавки